地鐵暗挖區間下穿鐵路框構橋的數值模擬

摘要：文章針對新建地鐵暗挖區間下穿既有鐵路框構橋的施工過程，采用三維有限元模型進行了模擬計算。模型中考慮了雙線區間施工影響及管棚初期支護的作用。通過模擬計算表明，下穿施工不會影響鐵路框構橋的正常使用。

關鍵詞：地鐵；暗挖區間；下穿施工；鐵路框構橋；數值模擬 文獻標識碼：A

中圖分類號：U231 文章編號：1009-2374（2015）23-0117-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.060

1 概述

隨著城市的發展，地面交通的擁堵問題成為制約經濟發展的一個瓶頸。作為地下交通代表的地鐵對于公共交通的重要性也因此逐漸凸顯。

歐美及日本等發達國家地鐵建設較早，在20世紀70～80年代就已開始了地鐵隧道施工對于周邊環境、建筑影響的研究。我國的地鐵建設在20世紀90年代末期逐漸起步，近幾年隨著地鐵網絡的形成，新建地鐵區間的施工對周邊環境、建筑物的影響越來越顯著，如何減輕施工造成的地面沉降、建筑物基礎變形等不良影響成為亟待解決的研究課題。

哈爾濱西客站地鐵聯絡線工程的汽車齒輪廠站～哈爾濱西客站站區間線路需要近距離下穿一個正常使用中的鐵路框構橋，為保證鐵路正常運營及地鐵區間的施工安全，下穿段區間結構設計采用了“大管棚+小導管”的超前支護方案，并對該方案進行了數值模擬。

2 工程概況

本段地鐵區間位于哈爾濱市南崗區，起自汽車齒輪廠站，沿齒輪路向東南方向敷設，下穿既有鐵路框構橋及框構橋“U”型槽段，沿線構筑物較少。

鐵路框構橋其上設置兩條線路，兩條專用線和長濱鐵路上下行正線，其中長濱鐵路為電氣化鐵路，有碴道床，設計時速200km/h，線間距8.12m，兩線高差0.6m。框構橋全長110m，凈跨19.5m、凈高7.6m，分三部分：兩端分別長31.8m和40.31m，現澆施工；中間段長37.89m，采用頂管法施工；中間部分兩端設變形縫。橋頂板距鐵路軌頂最小凈距為1.97m。鐵路框構橋現狀見圖1。

區間下穿鐵路框構橋段采用礦山法施工，左右線均為單洞單線馬蹄形斷面，寬度為6.24m，高度為6.47m，左右線路中線間距約為17m。區間平面設置單曲線，曲線半徑為350m；區間豎曲線為單面坡，坡度為約2%；區間與框構橋凈距最小約為0.8m。

3 工程安全風險控制

3.1 控制標準

區間下穿鐵路施工時，隧道開挖會引起鐵路路基一定的豎向變形。為保證列車運營安全，根據《鐵路線路修理規則》（鐵運[2006]146號）中Ⅲ級臨時補修標準所對應的變形要求制定變形控制指標，對施工過程進行控制。

根據表1規定，當路基靜態沉降小于8mm時，通過臨時補修，能夠保證列車正常運營。

3.2 工程措施

區間下穿鐵路框構橋段采用“大管棚+小導管”進行超前支護，在超前支護的保護下進行隧道開挖，以確保全過程的施工安全和框構橋、運營鐵路線正常使用。

區間隧道采用臺階法開挖施工，施工中嚴格遵照“管超前，嚴注漿，短開挖，強支護，勤量測，早封閉”的原則進行施工和管理，循環進尺長度為0.5m。

4 下穿施工模擬計算

4.1 計算模型

采用MIDAS-GTS計算軟件，針對在鐵路線路正常運營的情況，對區間下穿施工過程進行了數值模擬，以研究施工過程對框構橋結構以及鐵路線路的影響。

根據以往工程經驗，區間開挖施工的影響范圍為3倍隧道寬度范圍以內。因此確定計算模型邊界至區間隧道的距離應大于3倍隧道寬度。

區間寬約6.24m，左右線路中線間距約17m。計算模型沿區間線路方向長130m，垂直于線路方向水平寬137m，豎直方向高48m，如圖5。采用四面體單元劃分網格，共劃分14255個節點和94273個單元，如圖6。

其中土體采用摩爾庫倫理想彈塑性本構模型，實體單元。從上至下土體劃分為5層，材料參數按照地質資料選取。

框構橋結構采用線彈性本構模型、實體單元，材料參數按照C35混凝土材料參數選取。

區間初期支護采用線彈性本構模型、板單元模擬。初支材料為C25混凝土，考慮施工影響，對其剛度進行一定的折減。管棚采用線彈性本構模型、梁單元模擬，材料參數按照鋼材選取，考慮施工搭接，對其剛度進行一定的折減。

4.2 荷載及邊界條件

施加在計算模型上的荷載有重力荷載、鐵路軌道荷載以及列車荷載。

計算模型中的六個邊界面，除地面為自由邊界條件外，其他五個邊界面均施加法向位移約束。

4.3 模擬計算

施工過程模擬方法如下：（1）激活管棚單元模擬施作管棚超前支護；（2）鈍化土體單元模擬開挖過程；（3）激活初支單元模擬施作初期支護。至此為一個完整的施工開挖步驟；（4）每個施工步驟為沿線路方向開挖1.5m，當左線開挖15m后進行右線開挖。整個計算過程，劃分為97個施工步驟。

4.4 計算結果分析

經過模擬計算，雙線區間完成后，整體計算模型豎向位移云圖如圖7所示。模型中最大沉降值約為7.6mm，最大隆起值約為3.4mm。

圖8顯示雙線區間完成后，地表最大沉降值約為4.5mm，滿足地表沉降限值8mm的要求。

根據圖9中計算結果顯示鐵路軌道沉降最大值約為1.3mm，滿足鐵路正常運營要求。

根據圖10、圖11結果顯示，管棚最大彎矩約為0.05kN·m，區間初支最大位移變形量約為7.6mm，根據計算均滿足強度要求。

5 結語

（1）模擬計算表明，采取“大管棚+小導管”的超前支護措施，區間下穿施工對鐵路框構橋結構以及鐵路正常運營的影響滿足控制標準的要求；（2）模擬計算中考慮到了區間左右線先后施工的影響，但并未考慮臺階法開挖以及地層注漿加固的影響。模擬計算有待于進一步完善，在工程實際施工中還應加強數據監測。

參考文獻

[1] 張成平，張頂立，吳介普，駱建軍.暗挖地鐵車站下穿既有地鐵隧道施工控制[J].中國鐵道科學，2009，30（1）.

[2] 徐干成，李成學，王后裕，趙月，胡萍.地鐵盾構隧道下穿京津城際高速鐵路影響分析[J].巖土力學，2009，30（S2）.

[3] 方勇，何川.盾構法修建正交下穿地鐵隧道對上覆隧道的影響分析[J].鐵道學報，2007，29（2）.

[4] 范國文，王先堂.暗挖雙連拱隧道穿越淺基礎高層樓群區施工技術[J].鐵道工程學報，2003，（3）.

[5] 楊毅秋，張繼清.大直徑盾構下穿既有地鐵車站的施工模擬[J].鐵道標準設計，2011，（2）.

作者簡介：何福渤（1984-），男，天津港航工程有限公司工程師，研究方向：市政工程施工。

（責任編輯：黃銀芳）endprint