哈爾濱地鐵哈農區間下穿鐵路橋施工過程模擬分析

祁 輝，朱宏偉，李廷剛，馬偉斌

(1.哈爾濱地鐵集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;3.交通運輸部 公路科學研究院，北京 100088)

1 工程概況

哈爾濱南站站—農科院站區間位于學府路規劃道路正下方。學府路是城區主干道，規劃道路寬80 m，隧道中線與規劃道路永中基本平行。道路兩側為農科院、農科院試驗田、哈達水果批發市場、民宅等科研及民用設施，最近處距區間隧道30 m以外。

哈爾濱南站站—農科院站區間在 SK0+383.882—SK0+693.077(長度 309.195 m)、XK0+387.605—XK0+697.347(長度309.742 m)段下穿哈爾濱南站1號—9號鐵路橋，其中1號橋為框構橋，無樁基，橋梁底板距隧道頂部約1.7～2.0 m。該橋通行貨運列車，車速不超過30 km/h。穿越段隧道拱部采用φ108 mm大管棚+φ42 mm小導管超前支護，采用自進式管棚，平行鉆進，在管棚保護下采用臺階法+臨時仰拱施工。管棚采用熱軋無縫鋼管φ108 mm，壁厚8 mm，環向間距30 cm，方向與路線中線平行;開挖采用人工風鎬開挖。1號框構橋與新建地鐵區間隧道關系如圖1所示。

圖1 1號橋和地鐵隧道關系(單位:m)

2 工程地質

下穿鐵路橋區間所處地段屬崗阜狀高平原地貌單元，地面高程介于165.45～166.85 m之間，高差約1.40 m。根據鉆探揭示及對地層成因、年代的分析，本工點地層主要由第四紀全新世人工堆積層、上更新統哈爾濱組地層、中更新統上荒山組地層、下荒山組地層組成，巖性為粉質黏土、砂類土。區間隧道主要穿越粉質黏土層，底部主要位于粉質黏土層，粉質黏土層標貫擊數在14.50左右，基底承載力滿足設計要求。本區間地下水主要賦存于沖洪積地層內，水溫12℃～14℃。含水層主要為孔隙潛水。地下水埋藏較深，對區間施工不會產生影響。

根據《建筑地基基礎設計規范》DB23/902—2005，本場地標準凍結深度為2.00 m。場地上部地層主要由黏性土組成，凍脹等級為Ⅱ～Ⅳ，凍脹類別為弱凍脹～凍脹。

3 數值模擬計算

3.1 計算模型及參數

本文采用FLAC3D數值模擬軟件。模型全長31.00 m，其中1號橋長10.11 m，模型橫向58.28 m，豎向30.00 m，埋深10.35 m。模型邊界尺寸分別為58.28 m×31.00 m×30.00 m。共劃分131 886個單元，140 343個節點?？紤]到框構橋與各層土體在初始應力平衡及加載期間會出現滑移與脫空，在框構橋與土層之間建立接觸面，區間地鐵隧道穿越地層參數如表1所示。劃分網格后的實體模型見圖2所示。

表1 地層參數

圖2 1號框構橋有限元計算模型

模擬實際施工過程中的開挖步序與預加固措施，一方面需要根據模擬計算的結構，對照實際的監測數據，驗證模擬計算的可靠性。另一方面根據計算結構分析在穿越過程中鐵路橋梁的沉降發展規律，以及地表沉降情況。

根據現場實際情況，在不影響計算結果的前提下，本次計算對大管棚、超前導管加固作適當簡化，盡可能真實地模擬實際施工過程。具體做法是用提高土體力學參數的方法模擬大管棚支護及超前導管注漿加固效果。為了提高計算精度，在計算中對施工步序進行了嚴格模擬。按照實際的上下臺階法進行模擬，每循環進尺0.5 m，上臺階預留核心土，保證掌子面與核心土間距2.0 m，上臺階掌子面與下臺階間距3.0 m，上行和下行隧道前后錯開20.0 m開挖，本次計算中，荷載按照實際情況折算施加。

通過以上施工步序的控制，分析整個開挖支護過程隧道拱頂下沉、水平變形及框構橋底板的變形特性。

3.2 模擬計算結果

3.2.1 隧道變形計算

下穿1號框構橋隧道變形參數計算結果見表2。本模型計算中所提到的橋監測原點是位于計算模型中框構橋農科院站一側，計算監測點沿上行線隧道走向水平布置;隧道監測原點是位于計算模型中農科院站一側，計算監測點沿上行線隧道走向水平布置;軌道監測原點是位于計算模型中哈南站站一側的起始剖面上，沿鐵路軌道走向水平布置。

隧道下穿1號橋拱頂縱向沉降及水平變形分布如圖3和圖4所示，按照上行、下行線隧道相距20 m的開挖方式施工，至變形穩定后，上行線隧道的最大拱頂下沉為14.25 mm;下行線隧道的最大拱頂下沉為13.43 mm，拱頂下沉量均超過限值10 mm。

表2 下穿1號框構橋隧道變形參數計算結果

3.2.2 隧道施工對框構橋的影響分析

1)框構橋的變形分析?？驑嫎虻装宕瓜蛭灰朴嬎憬Y果見表3。由表3和圖5可以看出，按照上行、下行線隧道相距20 m的開挖方式施工，至變形穩定后，公路主路與輔路下1號框構橋底板最大沉降量分別為14.46，14.15 mm，超過限值 10.00 mm。

表3 下穿1號框構橋底板垂向位移計算結果

2)框構橋脫空分析

隧道施工將會引起框構橋底板出現脫空現象，過大的脫空將導致框構橋底板出現裂縫。由計算結果可知，在施工過程中，將導致1號框構橋在已有變形基礎上向下行線稍有傾斜。計算出框構橋底板與墊層垂向位移，二者最大變形均發生在正中位置里側，框構橋底板最大變形為13.03 mm，相同位置處墊層的最大變形量為13.74 mm，二者基本接近;正中位置外側，框構橋底板最大變形為11.06 mm，相同位置處墊層的最大變形量為11.98 mm，有脫空現象發生。

3)框構橋差異沉降分析

圖3 隧道拱頂下沉沿縱向分布

圖4 隧道水平變形沿縱向分布

圖5 1號框構橋垂向位移沿縱向分布

框構橋角點垂向位移監測點位置見圖6，框構橋角點垂向位移計算結果見表4。由表4可知，隧道施工導致了框構橋出現了差異沉降，且差異沉降為0.12 mm，遠小于要求 0.001L=0.001×38 280=38.28 mm，在1號框構橋前期服役狀態正常的情況下，1號框構橋可能出現整體沉降超標，但結構整體安全。

圖6 框構橋角點監測位置

表4 下穿1號框構橋角點垂向位移計算結果

3.2.3 隧道施工對路面的影響分析

主路路面垂向位移計算結果見表5和圖7，路面沉降最大值發生在隧道通過框構橋范圍，且最大值為13.01 mm。

表5 下穿1號框構橋路面垂向位移計算結果

4 結論及建議

圖7 1號框構橋公路主路路面垂向位移沿縱向分布

哈農區間地鐵下穿1號鐵路橋，計算出隧道的拱頂下沉及框構橋底板下沉均超過限值10 mm，且橋底板有脫空現象;但框構橋的差異沉降較小，在允許范圍內。據此，建議施工中采取以下措施。

1)建議對1號橋下穿段在已采取超前支護措施的基礎上，上臺階封閉后，及時對初支背后進行注漿，區間隧道全斷面封閉后，對施工拱部影響區地層進行深孔補償注漿，深孔補償注漿管長、注漿壓力、漿液等依據現場實際情況確定。

2)加大監測頻率，實時掌握橋梁變形情況，根據橋梁變形發展趨勢，必要時加大注漿范圍。

3)由于脫空病害具有隱蔽性，施工時，在初期支護完成后，對區間隧道開挖影響的范圍進行物探，探測框構橋底板的脫空位置、脫空程度，根據探測結果對框構橋脫空區進行注漿加固處理，避免底板脫空現象進一步發展，改善橋梁受力狀況，保證區間隧道施工過程中鐵路橋的安全服役。

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