地铁车站及其附属结构穿越既有桥梁方案分析

李伟

青岛市市政工程管理处山东青岛266022

摘要：随社会经济不断发展、城市化进程不断加速，越来越多的人口选择在较大城市工作、定居。据统计，世界范围内有近半数人口居住在仅占地表面积0.7%的各大城市中。该情况在我国也日益突出。针对这一情况，城市发展对于城市土地利用率就提出了较高要求，大力发展公共交通尤其是地铁等交通工具是日后国内主要城市在高效利用土地的前提下解决交通拥堵问题的重要途径。

关键词：地铁车站；附属结构；穿越既有桥梁

一、施工引起地层变形机理

1、明挖工程

基坑开挖是不断移除坑底及坑侧壁开挖面土体的过程。随基坑土体逐渐移除，开挖面土体被卸载，坑底开挖面以下土体被卸载竖向自重应力、坑侧壁土体被卸载水平向静止土压力。作用在基坑底部的土压力卸载使坑底竖向应力平衡改变，导致坑底土体向上隆起。对于侧壁土体而言，基坑土体移除使原先施作的围护结构的应力平衡状态发生改变，围护结构坑外侧土体对其施加的主动土压力将大于坑内侧土体对其施加的被动土压力，应力不平衡使围护结构产生朝向基坑内侧的位移。因此，基坑周围土体被扰动，致使周围土体产生变形。

开挖引起的土体变形主要体现在坑底土体隆起及基坑周边土体位移两方面。引起坑底土体隆起的原因主要有；（1）坑底开挖面以上土体被移除后，原应力平衡被打破，坑底土体所受自重应力减小，致使土体产生上弹；（2）基坑围护结构向坑内侧的水平位移使其对坑底土体产生挤压，导致坑内被动区土体产生隆起；（3）若坑底存在承压水，则水的浮力也会使土体隆起。在基坑施作过程中决定坑底隆起量的因素较多，如坑底处理方案、基坑支护类型、基坑开挖深度与宽度，相关研究都较复杂。同时，坑底土体隆起及围护结构向坑内移动将导致基坑周边土体产生位移，主要为水平位移及竖向位移。围护结构向坑内移动导致周边土体产生朝向基坑的水平位移，周边土体竖向位移主要受围护结构类型及入土深度、基坑深度、土层情况等因素影响。若基坑深度较大或土层情况较差，则开挖过程中土体塑性变形较大，土体主要向坑内及坑底移动，引起地表沉降。基坑周边地表沉降曲线主要有三角形和二次抛物线两种。若土质情况较差或围护结构入土较浅，则沉降曲线呈三角形：临近围护结构的土体沉降最大，距离围护结构越远沉降越小；若土质情况良好或围护结构入土深度较大，则沉降曲线呈二次抛物线型：坑外一定距离处的土体沉降最大，并向两侧逐渐减小。

2、暗挖工程

暗挖工程引起地表沉降的原因主要有土体应力状态改变及地层损失两方面。暗挖工程施工将引起原本作用于开挖土体上部的自重应力转移至开挖部分两侧土体，使两侧土体产生附加应力进而产生沉降。部分土体开挖后，其上部的应力转移至两侧土体，红色部分即为附加应力。开挖面上部土体被卸载支撑力进而产生应力松弛，土体颗粒变松散并产生竖向沉降。开挖面两侧土体被卸载水平侧向土压力而向开挖面方向移动。同时，在实际暗挖工程施工过程中将不可避免地产生土体超挖现象，即设计要求的土体开挖体积总比实际土体开挖体积偏小。在初期支护封闭成环后，土体临空面将向初期支护表面收缩，收缩所带来的地层损失也将导致周围土体产生变形，进而导致地表沉降。

二、地层变形对桩基的影响

1、地层变形对单桩影响机理

当桩基施做完毕并承担竖向荷载时，桩身和桩端相对土层产生向下的位移。桩身受到土层的侧摩阻力，桩端受到土的桩端阻力，侧摩阻力和桩端阻力共同组成桩体的承载力。地下工程施工对土体产生扰动，使其应力和应变状态产生变化，从而影响桩体的侧摩阻力、桩端阻力及桩体本身应力状态。隧道开挖引起的地层变形有竖直和水平两种分量，地层变形状况不同，桩基承载力及桩体应力状态变化情况也不相同。现将土层两种变形情况对既有桩基影响情况分开叙述：

地层水平变形情况下，靠近暗挖工程的桩周土体向开挖面移动，造成该侧土体对既有桩基的法向压力减小，另一侧土体对桩基的压力增大，使桩基两侧产生压力差。在两侧压力差的作用下桩基产生水平向变形和阻止变形的内部抗力，继而影响桩基承载力及桩基上部承台的稳定性；同时，该压力差也会导致桩基础的横向位移或倾斜情况发生。

暗挖工程施工时，土层与既有桩基同时产生竖向沉降。若桩周土沉降值大于桩基沉降值，则土体对桩基产生向下的负摩阻力，桩基承载力减小；若桩周土体相对桩基向上移动，将产生向上的摩阻力，从而增大桩基的承载力。在实际工程中，可能负摩阻力与正摩阻力同时存在，且桩体某一位置存在一点，该点负摩阻力、正摩阻力桩体与土体相对位移均为零。同时，若桩端土体承载能力较强，则桩体沉降将引起土体抗力增加进而增大桩端阻力；若桩端土体承载能力较弱，则桩体将刺入桩端土层导致土体剪坏，进而减小桩端阻力。同时，桩基竖向位移是上部压力、负摩阻力、正摩阻力、桩端阻力综合总用的结果。当上部压力与负摩阻力之和大于正摩阻力与桩端阻力之和时，桩体产生沉降；当上部压力与负摩阻力之和小于正摩阻力与桩端阻力之和时，桩体产生隆起。

暗挖隧道临近既有桥桩施工时，若隧道与桥桩水平间距一定，那么隧道的埋深将直接影响既有桩基的沉降及水平变形情况。

当桥桩底部埋深小于隧道水平轴线埋深时，两者位置关系为短桩情形。全部桩基均位于隧道开挖影响范围内，桥桩基本与土体同时发生沉降。同时，桩端土体位于影响范围内且距开挖面较近，受开挖影响较大，因此桩端承载力损失较严重。由于该类位置关系中隧道轴线埋深大于桩底埋深，隧道开挖不会对桩侧土体产生较明显的卸载作用，因此该类情况下隧道开挖时，桥桩主要表现为竖向沉降，而水平位移值较小。同时，该类型桩基承载力受施工影响较大，极易产生较大沉降，在施工中应重点关注。当桥桩底部埋深等于隧道水平轴线埋深时，两者位置关系为中长桩情形。此时桩体部分位于开挖影响范围内，桩端阻力受影响较小，对于摩擦桩而言，隧道开挖将产生桩体沉降。同时，桩侧土体卸载将导致处于影响线范围内的桩体产生较大的水平变形。由于桩基大部分处于施工影响范围内，仅桩端位于影响范围外，桩体不同位置的水平位移不同，使桩体产生较大倾斜，该类情况的桩基倾斜程度也是三种情况中最大的。同时由于桩体大部分处于影响范围内，桩侧摩阻力损失较大，其产生的竖向沉降也较大。当桥桩底部埋深大于隧道水平轴线埋深时，两者位置关系为长桩情形。由于该类型桩基处于影响线范围外的部分较多，桩基下部土体受施工影响较小，因此桩基产生的沉降和倾斜均较小。因此，对于桩基竖向沉降而言，短桩最大，中长桩次之，长桩最小；对于桩基倾斜而言，中长桩比其他两种情况更大。

结束语

本文经深入研究，得出了部分可为日后类似工程设计及施工提供建议的结论，但鉴于客观条件及本人能力的限制，尚有如下问题需进一步研究：

（1）车站及其附属结构穿越既有桥梁施工时，采取适当的桥梁加固措施也可减小施工对桥梁的影响，日后可在现场监测的配合下，对该问题进行深入研究。

（2）目前地铁建设规模越来越大，若该车站建设完成后桥梁地基影响范围内有多风险源或多期地下邻近建设项目，如何同时综合分析考虑历史上曾有的地下工程施工对既有桥梁的影响下新建地下工程施工对既有桥梁的变形和沉降控制，如何确定控制指标等，都有做进一步分析、研究和探讨的价值。

参考文献：

[1]王路杰.浅埋暗挖地铁车站施工风险评价研究[D].山东科技大学，2017.

[2]王路杰.浅埋暗挖地铁车站施工风险评价研究[D].山东科技大学，2017.

[3]马志尧.地铁车站建设项目施工风险管理[D].西安建筑科技大学，2016.