地鐵區間盾構隧道側穿城市重要橋梁安全影響分析

區楊蔭

（廣州地鐵設計研究院有限公司 廣州 510010）

1 前言

城市軌道交通的發展，對拉開城市布局，支持城區發展建設，進一步提升城市地位，都起到重要作用。而城市的過江大橋，也是連接城市交通干道的重要市政設施。由于條件所限，地鐵隧道不可避免需側穿橋梁樁基，如何確保地鐵隧道施工不影響橋梁安全，是亟需解決的一個重要問題。

某城市地鐵區間盾構隧道，下穿江河后轉入城市道路，進入了既有城市過江大橋的橋梁安全保護區內（保護區范圍包括橋梁主體垂直投影面兩側各100m的區域，引橋垂直投影面兩側各30m的區域）。

基于以上背景，本文進行了側穿城市重要橋梁安全影響分析。

2 工程概況及地質水文

2.1 區間隧道概況

某市區間隧道工程下穿江河后轉入沿城市道路敷設，同時側穿既有城市過江大橋，區間隧道埋深約40m。區間隧道采用盾構法施工，為單洞單線圓形斷面，盾構隧道管片圓環外徑6m，內徑5.4m，管片厚度0.3m，環寬1.5m，采用錯縫拼裝，管片環間及管片分塊間采用M24彎螺栓連接，為C50鋼筋混凝土預制管片。

區間線路為V型坡，設置聯絡通道兼廢水泵房，側穿過江大橋區段位于V型坡一側上。

區間隧道掘進盾構機采用泥水式盾構，盾構刀盤直徑6.28m。

2.2 過江大橋概況

過江大橋采用雙向六車道，城市主干路I級標準，設計行車速度為50km/h，主橋長300m，引橋長419.022m，引道長580.27m，橋寬35m。主橋為300m跨徑曲線梁非對稱肋拱橋，由兩條傾斜的鋼箱梁拱肋、橋面曲線鋼箱梁、傾斜的吊桿、系桿及肋間平臺構成。兩岸引橋采用預應力混凝土連續箱梁。主、引橋箱梁在肋間平臺處設置伸縮縫斷開，肋間平臺主橋側設置牛腿及拉壓型球形支座用以支承主橋箱梁，肋間平臺引橋側設置牛腿及盤式支座用以支承引橋箱梁。

2.2 工程地質及水文概況

區間隧道側穿橋梁范圍地層主要為成巖程度較深的泥巖、粉砂質泥巖⑦1-3，泥質粉砂巖⑦2-3，地層表層土為黏土層及礫砂層。場地內隧道圍巖分級為Ⅴ級。根據收集到地勘資料，有以下巖土物理力學參數。

各巖土主要物理力學參數表如表1。

表1 巖土層物理力學參數表

區間在鉆探深度范圍內，場地內地下水主要為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水：上層滯水主要接受大氣降水、農田灌溉和自來水、雨水、污水等地下管線的垂直滲漏補給，排泄方式為大氣蒸發及下滲。第四系松散巖類孔隙水主要來源于大氣降水和地表水補給；碎屑巖類孔隙裂隙水，主要接受大氣降水和沖積砂礫或礫石層越流補給，沿含水層滲流排泄。

3 區間隧道與過江大橋樁基關系

地鐵區間隧道從過江大橋引橋東側穿過，距離引橋橋臺及橋墩樁基的水平凈距約20.7～56.2m。其中區間隧道與過江大橋A1橋臺樁基水平凈距最小，盾構隧道右線距引橋A1橋臺樁基水平凈距為20.7m。區間隧道對引橋A1橋臺影響最大，故本文主要分析區間隧道施工對A1橋臺及樁基的影響。

圖1 區間隧道與過江大橋A1橋臺剖面關系圖

4 隧道施工對A1橋臺及樁基的影響分析

4.1 分析技術路線

將運用Midas NX的地層-結構模型的二維數值模擬方法評估區間隧道工程對過江大橋的影響，采用的技術路線如下：

（1）在獲得區間隧道盾構施工前場地初始地應力場和橋梁初始受力狀態的基礎上，進行區間左右線隧道盾構掘進過程的二維動態模擬。

（2）分析盾構施工過程中橋梁墩基結構的受力及變形過程，確定盾構施工過程橋梁墩基結構的最大位移增量并評估對其影響的程度大小。

同時，盾構隧道掘進引起土層損失時，將擾動地層改變土體物理力學參數，破壞土體原有平衡狀態，導致地面出現沉降[1～3]。通過peck公式可以計算盾構隧道沉降槽影響范圍，預測沉降槽影響范圍內地表的沉降量。本文同時采用peck公式進行計算，并結合數值模擬結果評估區間隧道盾構施工對過江大橋的影響。

4.2 MIDASGTS二維建模計算

橋梁承臺及樁基為C30鋼筋混凝土，其容重為23kN/m3，變形模量30000MPa，泊松比0.2；盾構區間隧道管片為C50鋼筋混凝土，其容重為25kN/m3，考慮管片分塊拼裝的影響，其變形模量27600MPa，泊松比0.18。橋梁承臺及樁基本構采用彈性模型，土層本構采用修正摩爾庫倫模型。以此建立二維模型分析。有限元分析網格圖如圖2。

模擬分析流程如下：

（1）模擬橋梁樁基承臺修建及施加上部荷載后，將位移清零，得到盾構隧道掘進前初始應力場；

圖2 有限元分析網格圖

（2）右線隧道及左線隧道先后從引橋A1橋臺東側掘進穿越。

經模擬分析得到：區間左右線隧道開挖后，引橋A1橋臺樁基最大水平位移約2.7mm，最大沉降量為0.28mm。

4.3 peck公式計算

盾構從過江大橋引橋A1橋臺側邊穿過，右線隧道中心線離橋臺樁基最小水平凈距約23.7m，可通過peck公式計算盾構隧道沉降影響范圍，判斷盾構施工對過江大橋的影響。

圖3 沉降槽示意圖

Peck公式：

式中，x-距隧道中心線的距離；S-距隧道中心線為x的地表沉降量；Smax-隧道中心線處最大沉降量；i-沉降槽寬度系數，可由下列經驗公式計算：

其中，H-覆土厚度；R-隧道外半徑。

W為沉降槽寬度，根據莫爾－庫侖理論，推導出W與i滿足W=3～5i的關系，又：

其中V（s）為沉降槽體積，可近似認為橫向沉降槽體積等于地層損失VL。

A1橋臺處覆土厚度約39.6m，地層損失率取1%，通過計算，盾構施工產生的地層最大沉降為10.72mm（位于左右線沉降槽疊加影響范圍），隧道線間距為13m，沉降槽寬度為123.34m，即區間隧道線路中心線兩側各55.17m范圍為沉降槽范圍。考慮左右線隧道疊加的影響，距右線隧道中心線西側23.74m的A1橋臺處地面沉降為4.56mm。

4.4 計算結果分析

通過數值模擬，區間盾構隧道施工導致引橋A1樁基產生水平最大位移2.7mm及豎直最大位移0.28mm，盾構隧道掘進對過江大橋引橋A1樁基的影響極小。采用PECK公式預測地面沉降，可知距離隧道最近的引橋A1樁基處地表沉降為4.56mm。引橋橋臺沉降量及樁基變形量在控制值范圍內。

盾構隧道在泥巖、泥質粉砂巖中掘進，地層自穩性較好；盾構掘進過程中，同步注漿的及時跟進，快速填充了管片脫出盾尾后與地層的間隙，減少了地層損失率，從而減小了對地層的擾動；盾構隧道與引橋A1樁基距離約20.7m，距離相對較大，盾構掘進對周邊地層的擾動，反映到對橋梁樁墩的影響較小。因此，區間隧道盾構施工，對過江大橋的影響可控，安全風險低。

5 結論

本文通過分析研究，評估了區間盾構隧道側穿過江大橋施工對橋梁的影響。通過有限元軟件建模分析及PECK公式計算分析，可知區間隧道盾構施工側穿過江大橋，對橋梁基礎影響小，安全風險可控。另外，從分析過程可知，嚴格控制盾構掘進過程地層損失，可減小盾構施工對橋梁的影響。

對盾構施工提出以下措施要求：

（1）盾構施工中，應控制泥漿質量，合理保持泥水壓力，保持掌子面穩定；

（2）側穿過江大橋前應優化掘進參數，減少超挖；

（3）應嚴格控制盾構姿態，減小偏差；

（4）應加強同步注漿及二次注漿，減小地層損失；

（5）加強信息化管理，施工期間對過江大橋進行監測，并將監測結果及時反饋，指導優化調整掘進參數；施工后持續監測過江大橋直至監測數據穩定。

本文的分析研究，為區間隧道側穿過江大橋提供了理論及技術支撐。通過切實落實技術方案關鍵點和施工過程進行嚴格把控，最終區間隧道順利側穿過江大橋，對過江大橋沉降及變形的影響較小，風險可控。