地鐵大跨暗挖隧道下穿橋隧結構變形影響分析

宋 藝

(陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),710043,西安//工程師)

隨著我國城市軌道交通建設的快速發展，新建地鐵區間隧道不可避免地要下穿既有隧道或橋梁，因此，在保證新建隧道施工安全的同時，更要嚴格控制已有橋隧結構的變形。結構變形過大將會影響既有隧道凈空及橋梁內力，從而不能滿足既有橋隧結構的正常使用[1]。因此，正確分析和預測新建隧道施工引起的既有橋隧結構變形規律十分重要。

文獻[2-3]認為近距離大斷面暗挖隧道引起的上部既有地鐵隧道位移以沉降為主，隧道扭轉變形和橫向變形都很小，最大沉降發生在變形縫處。文獻[4]對淺埋暗挖區間隧道下穿既有盾構區間隧道引起的變形特性分析表明，盾構隧道呈現柔性變形，縱向柔性變形更為明顯，既有結構的存在顯著減小了暗挖隧道引起的地表沉降。文獻[5]基于彈性地基梁模型，推導了既有隧道受新建隧道垂直下穿施工影響而產生的縱向沉降曲線表達式、縱向應力計算公式及既有隧道所能承受的極限沉降表達式，定量評價了新建隧道垂直下穿施工對上部既有隧道縱向變形和內力的影響。

文獻[6]的研究結果表明，在合理的實施方案下，暗挖區間隧道下穿橋樁是可行的，有限元模型可合理地預測隧道下穿橋樁的變形。文獻[7]通過數值模擬分析了地鐵雙線隧道在開挖和支護過程中，臨近樁基內力與變形的變化規律；分析結果表明樁基軸力有明顯的負摩阻增大，樁基負摩阻力急劇增長會造成樁基承載力降低，故新建隧道施工應采取對應措施。文獻[8]就新建地鐵工程對運營鐵路橋的影響進行了數值模擬分析，為新建地鐵區間隧道施工過程對鐵路橋影響的預測評估提供了依據。

以上文獻對新建區間隧道下穿既有隧道或橋梁結構的變形影響進行了詳細分析和闡述，但尚未見到新建大跨暗挖隧道同時下穿既有橋梁和隧道方面的研究文獻。

本文以某地鐵區間單洞雙線大跨暗挖隧道同時下穿既有橋隧結構施工為例，對既有橋梁與隧道的結構變形進行實測數據分析及數值模擬驗證，以期得出在現有條件下既有結構的沉降變形規律和特點，為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

某新建地鐵區間隧道位于城市主干道下方。由于受到地質條件和兩側建筑物的限制，隧道部分區段采用大跨淺埋暗挖單洞雙線的形式，開挖寬度14.10 m，內徑寬12.40 m，高7.97 m，初支厚0.30 m，二襯厚0.55 m。在區間YDK 21+880—YDK 21+920處下穿既有市政匝道橋及隧道結構。匝道橋為跨度30 m簡支梁橋、雙車道，橋面寬13.50 m，基礎為直徑1.20 m鉆孔樁。市政隧道結構內徑寬13.76 m，采用端墻式洞門，明洞結構厚度85 cm，二襯厚度65 cm，平面線型由連續小半徑曲線構成，隧道總長111.07 m。地鐵區間隧道距離既有橋樁基最近距離為8.63 m，距離既有隧道結構最近距離為23.90 m。各結構平面及縱斷面位置關系如圖1和圖2所示。

圖1 新建隧道與既有橋隧結構平面位置關系

該區段無地表水系。地下水按賦存介質可分為3類：賦存于第四系地層中的松散巖類孔隙水，賦存于殘積層及全、強風化帶中的風化殘積孔隙裂隙水，賦存于碎裂狀強風化帶以下的基巖裂隙水。松散巖類孔隙水主要為賦存于表層人工填土中的上層滯水，補給主要來源為大氣降水；風化殘積孔隙裂隙水主要接受來自山巖體中基巖裂隙水的側向補給；局部山體出露高程較大的裸露基巖區完全接受大氣降水補給，大氣降水沿基巖裂隙下滲，匯集形成基巖裂隙水，延伸至溝谷洼地覆蓋層下的基巖構造帶中的裂隙水，由于補給區位置高，地下水多具承壓性質。地下水的動態變化受年降水量變化規律的控制，地下水位年變幅一般3～5 m。

圖2 新建隧道與既有橋隧結構縱斷面位置關系

2 新建地鐵區間隧道施工

2.1 隧道襯砌結構

隧道下穿段具有地面交通車流量大，地下管線復雜等特點，且本身結構形式及受力情況復雜，施工工序多，地面沉降控制較為嚴格。隧道設計時采用復合式襯砌結構，拱墻及拱頂設置砂漿錨桿，按中隔壁法(CD法)進行施工。

襯砌結構為:① 初期支護——噴射混凝土為C25混凝土，厚度30 cm；鋼筋網為φ8 mm鋼筋，間距20 cm×20 cm，全環雙層設置；鋼架采用φ22 mm格柵鋼架，間距為75 cm；② 二次襯砌——采用C40防水混凝土，厚度為55 cm，仰拱緊跟開挖面進行澆筑，其余段二次襯砌滯后20 m進行施工；③ 臨時支撐，中隔壁臨時支撐采用工18工字鋼、φ8 mm鋼筋網聯合支護，支撐間距同初期支護鋼架間距。

2.2 隧道施工措施及工法

(1) 系統錨桿。拱墻設置φ22 mm砂漿錨桿，縱向間距1.5 m，環向間距1.5 m，梅花型布設，長度2.5 m，砂漿強度不低于M 20。

(2) 封閉裂隙水注漿。隧道開挖時如遇巖石裂隙發生面狀或線狀滲漏水，采用封閉裂隙水注漿堵水。注漿孔孔口間距1.0～1.5 m，孔徑采用50 mm，注漿壓力采用0.5～1.0 MPa。下穿段襯砌支護如圖3所示。

注：尺寸單位除注明者外均為mm

(3) 根據詳勘報告給出的地質圍巖情況，并結合周邊環境情況，確定隧道開挖采用中隔壁法(CD法)6步進行施工。開挖工序如圖4所示。

圖4 新建隧道下穿段施工工序

3 既有隧橋結構的變形規律分析

3.1 隧道開挖引起的上覆地層變形規律

1969年，Peck等[9-11]對隧道施工引起的地表沉降問題進行了研究，認為隧道開挖引起的底邊沉降槽可以用高斯分布擬合，并提出了著名的Peck公式。根據Peck公式，單洞隧道開挖引起的地表沉降為:

(1)

式中:

s(x)——距離隧道中心軸線處的地表沉降;

A——開挖面積;

i——從沉降曲線對稱中心到曲線拐點的距離;

V1——地層損失率。

文獻[12]提出的地層中任意深度(z)處沉降槽寬度表達式如下：

i(z)=K(z)(z0-z)

(2)

式中:

K(z)——沉降槽寬度系數，與土的性質有關，土質的黏聚性越強K值越大；

z0——新建隧道軸線深度。

3.2 Peck公式擬合既有結構變形

利用式(1)對新建隧道開挖后引起的既有隧道及橋面沉降進行擬合，結果如圖5～7所示。

圖5 新建隧道下穿段施工引起的既有隧道結構沉降曲線

圖6 新建隧道下穿段施工引起的既有匝道橋橋面沉降曲線

圖7 新建隧道下穿段施工引起的既有橋隧結構沉降曲線

由圖5～7可以看出：

(1) 新建隧道開挖引起的上覆既有隧道最大沉降值為8.61 mm，引起的既有橋梁橋面最大沉降值為7.88 mm。

(2) 利用Peck公式能夠較好地擬合既有隧道的沉降值，擬合曲線呈現出明顯的拐點及沉降槽寬度；匝道橋橋面沉降擬合曲線則未呈現出明顯的拐點，曲線較為平直；將兩組數據放在一起時，擬合曲線為明顯的“單凹槽狀”Peck曲線。

(3) 在既有橋隧分界處的變形縫數值有明顯的突變，說明兩個結構會在變形縫處產生較明顯的不均勻沉降，不均勻沉降值為0.73 mm。

3.3 地層損失率及沉降槽寬度分析

根據實測結果及擬合曲線計算得到地層損失率為0.204%～0.237%。文獻[13-14]中指出，在天然地層中地層損失率為0.22%～6.90%。新建隧道在粉質黏土層、中細砂層及卵石粒巖層中，不采用注漿等輔助措施時地層損失率為0.76%～0.97%，采用注漿加固等措施后地層損失率為0.20%～0.25%。實測計算得到的地層損失率為天然地層中較低的水平，且與加固后的地層損失率相符，說明新建隧道在Ⅲ級圍巖中采用了錨桿支護和中隔壁法6步開挖，進尺短、支護及時，且采用了工字鋼(工18)作為臨時支撐，有效地減小了隧道的沉降和收斂，將地層損失率控制在較低的水平。

既有隧道結構的沉降值擬合曲線平順，沉降槽寬度(L/2)大約為45 m；既有橋梁的沉降擬合曲線沒有表現出理想的Peck曲線形狀，沉降槽寬度(L/2)達到50～60 m，這可能是隧道開挖引起橋樁沉降，帶動剛性橋面沉降所致。將橋隧的實測點放在一起后，擬合得到的沉降槽寬度大約為100 m，經計算沉降槽寬度系數K=4.8，與文獻[15]等計算的區間下穿地鐵結構的沉降槽寬度系數相比偏大，其原因主要是該地區新建隧道主要穿越的地層為巖層，黏聚力比文獻中的大得多。

4 數值模擬計算及結果分析

采用MIDAS-GTS有限元軟件建立三維模型進行模擬分析，模型如圖8所示。模型共劃分210 847個單元，具體地層參數及結構主要參數見表1和表2。

數值模擬開挖方式與實際工況一致，新建隧道長度取100 m，隧道開挖完成后結構的豎向位移云圖及數值如圖9～10所示。

由圖9～10可以看出，既有隧道最大沉降值為8.938 mm，既有橋梁結構的最大沉降值為8.88 mm。既有隧道結構的變形為明顯的平滑凹槽曲線，由于既有隧道結構平面為連續曲線，在出口端既有隧道結構又離新建隧道中線較近，因此位移曲線在遠離既有橋隧分界的地方再次下降。

圖8 新建隧道下穿既有橋隧結構有限元模型

表1 隧道下穿段地層主要物理力學參數

表2 隧道下穿段地下結構主要參數指標

圖9 新建隧道開挖完成后各結構物的豎向位移云圖

圖10 新建隧道開挖完成后的既有橋隧豎向位移曲線

橋梁部分，由于僅樁基與土體接觸，新建隧道開挖引起的地面沉降通過樁基傳至橋面，因此橋面的沉降不像既有隧道結構沉降曲線那樣平順，但將2組沉降曲線放在一起時呈現的曲線與Peck曲線接近，這與實測結果是一致的。

對比實測值與模擬值可得：

(1) 最大沉降值差，既有隧道為0.328 mm(占實測值的3.80%)，橋梁為1 mm(占實測值的12.69%)。

(2) 既有隧道的沉降均能較好地符合Peck公式，既有橋梁部分的沉降均為波浪形的曲線，由新建隧道中線向兩端逐漸減小，數值模擬與實測結果趨勢一致。這說明下穿段數值計算可以正確地模擬上覆結構的沉降趨勢。

(3) 在地層損失率和沉降槽寬度方面，數值模擬的結果為V1=0.227%，K=4.3。這與實測結果計算的數值是基本相符的，說明模擬計算相對可靠，且基本可以確定該地質條件下，新建隧道開挖引起的地層損失率維持在0.20%～0.23%之間。

5 結論

(1) 在新建地鐵區間隧道同時下穿既有市政橋隧中，Peck公式可以很好地擬合位于地層中的既有隧道結構的沉降，但對于既有梁結構的沉降則擬合得較不平順。將既有隧道和橋梁的沉降放在一起時，則表現為很好的Peck單凹槽曲線。

(2) 新建隧道開挖引起的地層損失率在0.20%～0.23%之間，處于較低的水平，說明該種地質條件下新建隧道施工引起的地面沉降較小，上覆結構變形值均能夠滿足規范中變形控制的要求。

(3) 數值模擬的結果與實測值相比，在沉降方面數值差異均不大，說明該條件下，三維數值分析可以較為準確地表現新建隧道開挖引起的上覆橋隧結構的沉降變形規律。