成都地鐵4號線下穿鐵路橋三維數值模擬分析

房 師 濤

(中電建成都建設投資有限公司， 四川 成都 610212)

0 引 言

隨著城市軌道交通建設發展的需要，地鐵盾構隧道施工不可避免地會臨近各種建筑物或構筑物，如下穿鐵路橋梁。一般而言，根據地鐵盾構隧道與鐵路橋梁的相對位置關系，可分為下穿或側穿兩類。

近年來一些學者已就地鐵盾構隧道下穿鐵路橋梁進行了研究。馬偉斌等[1]以鉆爆法隧道下穿群樁鐵路橋為對象，采用有限元和現場監測相結合的手段，研究了下穿時鐵路橋沉降變形規律，研究工作偏重于數值分析，未涉及到控制措施施加后的計算分析；祁輝等[2]采用有限差分原理對區間隧道下穿鐵路橋影響進行了分析，該文獻隧道為淺埋暗挖隧道，鐵路橋為框架橋，且未考慮加固工況，與筆者所做工作有很大差異；毛學鋒等[3]對于區間隧道穿越高速鐵路橋梁樁基托換工程，詳細介紹鐵路連續梁和連續剛構橋梁樁基托換主要設計難點、 要點和施工監測及線形調整設計等內容，該文獻偏重設計與施工要點，與筆者采用數值計算方法在研究方向上有不同之處；張迪等[4]以有限元為手段，分析不加固與加固兩種工況下盾構下穿掘進中造成的鐵路橋的沉降及應力變化，但研究對象為框架橋，筆者研究對象為樁基鐵路橋；張學鋼等[5]同樣采用數值模擬方法分析了隧道對上部鐵路橋樁基受力與位移的影響規律，但研究對象為上下臺階法的淺埋暗挖隧道，與盾構隧道工法有區別；佘才高等[6]以實測數據為基礎，分析盾構下穿對高速鐵路橋的影響，所做的工作針對深埋地鐵盾構隧道在巖層中的穿越，依托工程則為土層穿越，性質不同；王體廣[7]在數值模擬與監測分析的基礎上，認為盾構采取土體加固、加強同步注漿等措施可以控制其所下穿的鐵路橋沉降，提出了下穿需全過程監測，但該文獻所研究的對象為淺基礎鐵路橋，與依托工程的樁基礎鐵路橋不同。綜上所述，目前對隧道下穿鐵路橋研究，按照隧道類型，可分為除盾構隧道外的暗挖隧道(鉆爆或淺埋暗挖)和盾構隧道兩類；按照下穿鐵路橋類型，又可分為框架橋、淺基礎橋、單樁或群樁基礎橋等；按照穿越巖土層類型，可分為土層穿越和巖層穿越。筆者所依托的工程雖為較普遍的土層穿越，但所涉及到盾構隧道下穿群樁基礎鐵路橋，與前人所做的大部分研究工作存在一定的差異，故存在研究價值與意義。

筆者以成都地鐵4號線二期工程區間下穿樁基礎型式的鐵路橋為工程背景，運用有限元差分法動態模擬盾構開挖過程，分析盾構周圍土體變形以及對上部鐵路橋梁的影響，并對盾構與橋樁間土體加固和不加固方案進行對比分析。

1 工程背景

1.1 下穿概況

成都地鐵4號線二期工程萬年場站～東三環站區間為雙線盾構隧道，該區間YDK38+ 640.258～YDK38+791.162段下穿鐵路群，鐵路群包括成綿樂客運專線、動4線、 東環線、動2線、動3線、達成線、動1線共10股鐵路線，其中成綿樂客運專線、東環線、動2、3線、達成線為雙股鐵路線，其余線路為單股。盾構左線距離動2、3線的54號橋墩最小距離為10.4 m，右線距離動2、3線的55號橋墩最小距離為10.7 m，盾構頂部與成洛路U型槽底部距離為18.7 m。下穿段的平面和立面位置關系如圖1、圖2。

圖1 地鐵與鐵路群平面位置關系Fig. 1 Plane position relation of shield tunnel and railway group

圖2 盾構隧道與動2、3線剖面位置關系Fig. 2 Vertical position relation of shield tunnel and railways

1.2 工程地質與水文地質條件

工程場地處于成都平原區與龍泉山低山丘陵區過渡帶的成都東部臺地區，屬川西平原岷江水系III級階地，主要為山前臺地地貌。圖3為下穿段工程地質剖面，下穿動2、3線地質情況從上到下依次為：(1-1)雜填土層、(3-2-1)粉質黏土層、(5-1-1)全風化泥巖層、(5-1-2)強風化泥巖層和中風化泥巖層(5-1-3)，其中盾構隧道頂部與動2、3線樁底距離約為12 m，洞身位于中風化泥巖層中，該層埋深18.7 m，巖層為水平走向，洞頂中風化巖層厚達5.8～10.6 m，巖層強度達到15.79 MPa。區間范圍內地下水主要有賦存于黏土層之上的上層滯水、賦存于黏土和卵石土中的孔隙水及基層裂隙水，基巖溶孔溶隙裂隙潛水，本區間地下水主要為基層裂隙水。

1.3 鐵路樁基參數

動2、3線鐵路橋是連續梁橋結構，與4號線盾構隧道走向垂直。盾構在54、55號橋墩間下穿，橋墩的高度為18.5 m，承臺的厚度為3 m，橋樁深度為20.5 m (54號墩)和23 m(55號墩)，橋梁寬度約為4 m。其中54、55號橋墩參數如圖4。

圖3 下穿段工程地質剖面Fig. 3 Engineering geological profile of crossing section

2 計算模型

2.1 計算假定

計算假定如下：

1)在4號線雙線盾構隧道臨近動2、3線樁基施工期間，既有鐵路橋僅考慮結構自重(包括橋梁上部結構、道咋及部分橋墩的自重)、列車豎向靜活載、列車豎向動力作用及制動力或牽引力，不考慮地震等因素。

2)初始地應力在模型計算只考慮土體和既有結構的自重應力，不考慮地下水的影響。忽略巖土體構造應力，使巖土體和既有結構在自重作用下，土體達到平衡，而后再進行盾構隧道的掘進。

3)動2、3線鐵路橋的既有橋樁結構為線彈性材料。

4)4號線雙線盾構隧道、動2、3線鐵路橋的既有橋樁結構與土體之間符合變形協調原則。

2.2 計算模型

采用Flac3D軟件建立三維模型有限差分模型，本構模型為Mohr-Coulomb模型。模型尺寸參數為：底部(Z向)距隧道中心43 m，左右兩側(X向)距雙線盾構中線50 m，上部(Z向)為地表，考慮隧道施工過程對樁基的動態影響，模型縱向(Y向)取45 m。模型約束條件為：底面(Z=-43)，限制其Z方向位移；側面(X=-50、50)，限制其X方向位移；平面(Y=0、45)，限制其Y方向位移；表面(Z=32)為地面，表示自由邊界；橋墩表面(Z=40)，施加豎直向下的應力(-9.296 MPa)，模擬鐵路橋梁上部結構可能出現的荷載組合及部分橋墩的自重，其中汽車荷載(不計沖擊力)系數為0.4，人群荷載和風荷載系數分別為0.4和0.75。完整計算模型和模型中各構筑物位置關系如圖5、圖6。

圖5 計算模型Fig. 5 3D numerical model

圖6 計算模型中盾構與54、55號橋墩及成洛路U型槽位置關系Fig. 6 Relational position of shield tunnel, piers 54 and 55 and “U” type of Chengluo road in 3D numerical model

2.3 計算參數

計算模擬對象主要有土層、橋墩、承臺、樁基、U型槽、盾構管片及同步注漿層，土層和結構的模型參數分別列于表1、表2，其中巖土體實際模擬中彈性模量取壓縮模量的5倍。

表1 土體物理力學參數Table 1 Physical-mechanical parameters of soil

表2 結構參數Table 2 Structure parameters

2.4 計算施工步

隧道開挖共分45步模擬，每步進尺1.5 m，并一次性施作襯砌及同步注漿。為便于分析，提取6個典型開挖步(圖7)：開挖步11為左線隧道掘進至54號橋墩，開挖步19為左線隧道掘進跨越54號橋墩，開挖步26為右線隧道掘進至55號橋墩，開挖步30為左線隧道完成掘進，開挖步34為右線隧道掘進跨越55號橋墩，開挖步45為右線隧道完成掘進。

圖7 計算施工步Fig. 7 Construction steps of simulation

3 橋梁樁基沉降控制標準

目前對隧道穿越橋梁尚未有明確標準或規范，只能在已有道路橋梁規范情況下，結合具體工程實踐經驗和相關規范標準，由專家論證施工過程中需采取的控制措施和橋梁沉降值是否合理，以保證隧道安全施工。制定鄰近樁基的沉降值控制標準，通常用允許位移值進行控制，但其涉及的因素很多，既需要滿足承載力要求，又需要滿足樁基上部結構的允許沉降值。國外也有相關經驗和數據，如日本規定新干線高架橋[8]的相對豎向位移允許值為5 mm，水平位移為3 mm，道路立交橋允許的水平位移為10 mm，豎向位移為10 mm。結合國內相關規范規定，本次數值計算中，考慮到國內橋梁實際情況，提供控制標準更能確保施工安全，故鄰近盾構隧道的橋梁樁基沉降值控制標準豎向位移按3 mm控制，豎向位移按2 mm控制。

4 計算結果與分析

4.1 地表沉降

地表橫向沉降曲線如圖8，呈“U型槽”狀。從圖8中可看出，隨著盾構掘進，地表沉降逐漸增大。根據施工方案，盾構隧道左線先行于右線30 m，在開挖步11、19和26中，地表最大沉降值發生在左線隧道拱頂附近；隨著右線隧道掘進，地表最大沉降值位置不斷向右線拱頂附近移動；當左、右線隧道接近貫通時(即隧道掘進面距研究斷面33 m時)， 地表沉降變化很小，其最大豎向位移為1.05 mm，小于地表沉降30 mm控制值要求。

圖8 地表沉降槽Fig. 8 Surface settling tank

4.2 圍巖變形

盾構隧道施工不可避免地會引起地層擾動，由于掘進以后，隧道上方圍巖松動及孔隙水壓力的消散，產生上部地層損失，從而引起地層變位和地面沉降。圍巖豎向位移云圖如圖9，盾構隧道拱頂最大向下位移為4.7 mm，小于隧道拱頂下沉20 mm控制值要求。

圖9 圍巖豎向位移(單位：m)Fig. 9 Rock vertical displacement

4.3 鐵路橋群樁變形

4.3.1 水平位移

盾構隧道進行開挖步11時，正好位于54號橋墩①、⑦號樁體所在位置，從54號橋墩水平位移云圖(圖10)中可以看出，距盾構左線掘進面較遠的①、④號樁體水平位移大于距離盾構較近的⑦、⑩號樁體，筆者認為這是因為過大的盾構推力對開挖面土體產生擠壓，并擴散至鄰近樁基，對其位移有限制影響。

圖10 開挖步11后54 號橋墩水平位移云圖(單位：m)Fig. 10 Horizontal displacement cloud of pier 54 after excavation step 11

圖11為開挖步19后54號橋墩水平位移云圖，從圖11可看出①、④號樁體的最終水平位移幾乎相同，相對位移幾乎為0，其對橋梁結構是有利的。

盾構隧道右線施工時(開挖步30、34)，55號橋墩樁基也會出現內外側樁基相對位移幾乎為0。

圖12為開挖步45后54、55號橋墩水平位移云圖。由圖12可見，樁基最大水平位移發生在55號橋墩⑧號樁體處，其值為0.907 mm。

圖11 開挖步19后 54 號橋墩水平位移云圖(單位：m)Fig. 11 Horizontal displacement cloud of pier 54 after excavation step 19

圖12 開挖步45后54、55 號橋墩水平位移云圖(單位：m)Fig. 12 Horizontal displacement cloud of pier 54 and 55 after excavation step 45

4.3.2 豎向位移

盾構隧道進行開挖步26正好位于55號橋墩①、⑦號樁體所在位置，圖13、圖14分別為開挖步30、34后55號橋墩豎向位移云圖。從圖13中可看出距離盾構左線掘進面較近的④、⑦號樁體豎向位移要大于距離盾構較遠的①、⑩號樁體；而當隧道進行開挖步30時，從圖14中可以看出①、④號樁體的最終豎向位移幾乎完全相同；同理，當盾構隧道右線施工時(開挖步11、19)，54號橋墩樁基也會出現上述豎向位移趨勢。

圖13 開挖步26后55號橋墩豎向位移云圖(單位：m)Fig. 13 Vertical displacement cloud of pier 55 after excavation step 26

圖14 開挖步30后55號橋墩豎向位移云圖(單位：m)Fig. 14 Vertical displacement cloud of pier 55 after excavation step 30

圖15為開挖步45后54、55號橋墩豎向位移云圖，樁基最大豎向位移發生在55號橋墩⑧號樁體處，最大值為3.56 mm，最大差異沉降值為0.36 mm。左線盾構距離54號樁基最小距離為10.4 m，右線盾構距離55號樁基最小距離為10.7 m，但盾構與55號樁基在平面上整體距離更近，所以掘進造成的影響更大，55號樁基水平位移和豎向沉降大于54號樁基。

圖15 開挖步45后54、55號橋墩豎向位移云圖(單位：m)Fig. 15 Vertical displacement cloud of pier 55 after excavation step 45

5 加固措施與效果分析

5.1 加固措施

盾構隧道鄰近橋梁樁基施工時，常用的加固措施主要從橋梁樁基與隧道空間位置、 隧道施工工法效應對樁基周邊土的擾動、橋梁樁基和隧道之間的土體作用力以及土體加固4個方面入手，保護鄰近樁基在隧道開挖時的安全。

本次加固工況采用在隧道與樁之間地表注漿的方法來減小盾構施工對樁基的影響，其實質是對巖土體的膠結、增強、充填與加固，注漿對巖土的加固效果主要表現在巖土體黏聚力c值和內摩擦角值的提高。因此，在數值模擬分析時，鑒于加固區位于中風化泥巖中，文獻[9]根據公路、水利部門進行的大量統計資料，認為巖體隧道加固數值模擬時，加固區材料的黏聚力c值、內摩擦角和彈性模量E值可相應提高20%，本次加固計算時，加固體參數選取采用此原則。

在距承臺 1 m 靠近隧道側進行地表注漿，加固區頂部距地表17 m，加固區尺寸為：厚3 m(X向),高 19 m(Z向)，縱向 22 m(Y向)。根據上述加固對策，在Flac3D軟件中建立如圖16、圖17所示的加固區，來模擬在隧道與樁之間設置隔斷時，盾構隧道施工對鄰近樁基產生沉降影響的程度。

5.2 加固效果

從大量計算結果數據中提取出雙線盾構全部貫通(即Y方向 45 m全部貫通)之后，動 2、3 線鐵路橋梁的54 、55號橋墩樁基的水平位移和豎向位移云圖，如圖18、圖19。通過對樁基在加固前后的變形對比可知，注漿后樁基最大水平位移約為0.38 mm，降低了約58%；樁基最大豎向沉降約為0.75 mm，降低了約79%，注漿后樁基變形可以保證施工過程中動2、3線鐵路橋梁的正常使用。

圖16 隧道與樁之間進行加固剖面示意Fig. 16 Sketch map of reinforcement condition between and shield tunnel and piles

圖17 模擬中隧道與樁之間加固的示意Fig. 17 Reinforcement condition between and shield tunnel and piles

圖18 盾構隧道貫通后54、55 號墩樁基水平位移云圖(單位：m)Fig. 18 Horizontal displacement cloud of piers 54 and 55 after whole undercrossing

圖19 盾構隧道貫通后54、 55 號墩樁基豎向位移云圖(單位：m)Fig. 19 Vertical displacement cloud of piers 54 and 55 after whole undercrossing

6 結 論

筆者以成都地鐵4號線二期工程區間下穿鐵路群為工程背景，運用有限元差分法動態模擬盾構開挖過程，分析盾構周圍土體變形以及對上部鐵路橋梁的影響，并對盾構與橋樁間土體加固和不加固方案進行對比分析。結論與建議如下：

1)54 、55 號墩為群樁基礎，在同一個承臺下，前、后排的樁基在豎向沉降分布形式方面比較相似，后排樁基水平位移在數值上略大于前排樁基的豎向沉降。

2)因樁基相對于其周圍土體有很大的軸向剛度，故樁基從樁頂開始到樁端其豎向變形沒有太大差別，最大的樁基豎向變形為3.56 mm。樁基與盾構隧道的位置關系也會影響樁基豎向位移，靠近隧道開挖側的樁基豎向沉降要大一些，55號墩中靠近盾構隧道側的樁基平均豎向沉降約為3.55 mm，而遠離隧道側的樁基平均豎向沉降約為3.25 mm，比前者少9.23%。

3)隧道開挖后，樁基最大水平位移發生在55號橋墩8號樁體處，最大值為0.907 mm。

4)采用注漿加固后，樁基沉降得到了較好地控制，最大水平位移值和沉降值至少降低了58%、79%。計算中注漿加固對象為盾構隧道與橋樁間土體，加固厚度所設定的3 m對橋樁位移控制效果明顯，但缺乏對不同加固厚度的對比，需在下一步研究中予以重點補充。在實際注漿過程中，務必要注意注漿壓力的控制，避免對橋樁產生不利影響甚至是破壞。

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