淺談砂卵石地層盾構下穿鐵路框構橋橋體影響分析

王吉勇

摘要：沈陽地鐵九號線皇-北盾構區間下穿興華北街公鐵框構橋，框構橋上部為鐵路線路（沈山乙線、京哈上行、京哈下行、沈山甲線、3條動車組停車線），線路密集，施工過程橋梁變形控制難度大，下穿框構橋時，盾構推進擾動土體將給鐵路線路帶來不利影響，考慮到施工安全，在盾構下穿橋梁前對擾動橋梁結構土體產生橋梁的影響進行模擬分析，通過模擬在施工中采取有效措施控制橋梁結構變形，確保鐵路線路運行安全。

Abstract： The Shenyang Metro Line 9 Huang-Bei Shield tunnel section passes through the Xinghua North Street public railway frame bridge. The upper part of the frame bridge is the railway line （Shenshan Line B， Jingha Uplink， Jingha Downlink， Shenshan Line A， 3 EMUs Parking lines）. With dense lines， it is difficult to control bridge deformation during construction. When underpassing the framed bridge， the disturbance of soil caused by shield advance will adversely affect the railway line. In consideration of construction safety， the impact of the disturbance of the bridge structure soil on the bridge is simulated and analyzed， and effective measures are taken to control the deformation of the bridge structure during the construction to ensure the safety of the railway line operation.

關鍵詞：砂卵石地層;盾構下穿;鐵路框構橋;模擬分析

Key words： sand pebble strata;shield tunneling;railway frame bridge;simulation analysis

中圖分類號：U445.7+2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）08-0151-05

0 ?引言

沈陽地鐵九號線皇-北區間主要位于砂卵石地層中，地下水位較低但含水層水量充沛，土層結構較為松散。盾構下穿鐵路框構橋距橋底最小距離6.9m，施工過程中極易擾動土體，對框構橋穩定性產生影響，進而影響橋梁上部鐵路線路運行安全。本工程在盾構施工前根據區間地質勘察報告結合橋梁結構整體情況對施工前、施工中及施工后對框構橋梁進行有限元建模分析，模擬盾構下穿工況，預判施工中橋梁形變量，通過提前調整盾構施工參數等方式控制對橋梁影響。

1 ?工程概況

興華街公鐵地道橋為2座，均為框架結構，孔跨為2-15.5m，其中1號橋長51.7m，寬20.8，高9.1m，2號橋橋長83.4m，寬20.8m，高7.73m，結構尺寸均為頂板0.8m，側墻1.1m，底板1.1m。工程主線與興華街公鐵橋1、2號橋分別在DK3+325.54、DK3+224.36處相交，橋基底距隧道頂最小埋深6.9m。隧道與立交橋垂直相交，1號橋由南向北分別下穿動車組3條停車線（均為無砟軌道）、下穿沈山乙線、京哈上行、京哈下行、沈山甲線，4條鐵路線其中3條為直線有砟軌道，一條含道岔有砟軌道（沈山乙線）。

2 ?地質水文

2.1 地質情況

根據鉆探揭示，本標段勘察深度范圍內的地層結構由第四系全新統人工填筑層（Q4ml）、第四系全新統渾河高漫灘及古河道沖積層（Q42al）、第四系全新統渾河新扇沖洪積層（Q41al+pl）、第四系上更新統渾河老扇沖洪積層（Q32al+pl）、第四系中更新統沖洪積及冰水沉積層（Q2pl+fgl）組成。

2.2 水文情況

本工程沿線路僅存在一層地下水，賦存于圓礫、礫砂等強透水層中，按埋藏條件劃分，屬第四系孔隙潛水。局部地段存在由地下管道、工業及生活用水入滲形成的上層滯水。

3 ?計算模擬

利用三維有限元對盾構施工進行了模擬，采用的軟件為大型有限元通用軟件GTS。數值計算模型范圍：模型長度為93.6m，寬度為68.4m，高度為50.8m;模型約束：前、后及左、右面邊界均采用水平約束，底邊界受豎向約束，頂面為自由面;計算模型共劃分40438個單元，40561個節點。分析模型如圖3。

3.1 主要材料力學參數（表1-表3）

3.2 荷載

恒荷載：自重、軌道荷載、公路路面鋪裝;

活荷載：列車荷載（滿載）、汽車荷載、行人荷載。

在沒有地層加固條件下，模擬盾構施工過程地面及框構橋橋體沉降分析。

①左線下穿橋體（盾構刀盤到達橋體端部）后橋體變形情況如圖4。

②左線盾構刀盤離開橋體18環（21.6m）后橋體變形情況如圖5。

③右線下穿橋體（盾構刀盤到達橋體端部）后橋體變形情況如圖6。

④右線盾構刀盤離開橋體18環（21.6m）后橋體變形情況如圖7。

從以上橋體變形分析結果可知，左線盾構在橋下掘進施工期間，對橋體及路基豎向變形有著一定的影響，左線盾構刀盤到達橋體端部時橋體變形最大值為5.7mm，左線盾構刀盤離開橋體18環（21.6m）時橋體變形最大值為6.4mm;右線盾構刀盤到達橋體端部時橋體變形最大值為8.1mm，右線盾構刀盤離開橋體18環（21.6m）時橋體變形最大值為8.3mm。

圖8為動車軌道兩個特殊狀態時的沉降槽曲線。動車線軌道在左線盾構刀盤到達橋體端部和右線盾構刀盤到達橋體端部時的縱向最大高差分別為2.4mm和2.8mm。沈山乙線軌道在左線盾構刀盤到達橋體端部和右線盾構刀盤到達橋體端部時的縱向最大高差分別為1.7mm和2.5mm。

3.3 框構橋受力分析

①盾構機未臨近框構橋時，框構橋主應力分布情況如圖9、圖10。

②左線下穿橋體（刀盤到達橋體端部）后，框構橋主應力分布情況如圖11、圖12。

③左線盾構刀盤離開橋體18環（21.6m）后，框構橋主應力分布情況如圖13、圖14。

④右線下穿橋體（刀盤到達橋體端部）后，框構橋主應力分布情況如圖15、圖16。

⑤右線盾構刀盤離開橋體18環（21.6m）后，框構橋主應力分布情況如圖17、圖18。

4 ?結語

從盾構施工各階段框構橋主應力分布圖可以看出，左線下穿橋體（盾構刀盤到達橋體端部）后，既有框構橋最大拉應力由1.43MPa減小至1.41MPa，最大壓應力由3.1MPa減小至3.09MPa;左線盾構刀盤離開橋體18環（21.6m）后，框構橋最大拉應力和最大壓應力分別變為1.42MPa和3.09MPa，表明橋體受力狀態變化均較小;右線下穿橋體（盾構刀盤到達橋體端部）后，框構橋最大拉應力由1.42MPa下降至1.16MPa，最大壓應力由3.09MPa下降至2.74MPa，右線盾構刀盤離開橋體18環（21.6m）后，框構橋最大拉應力和最大壓應力分別變為1.15MPa和2.64MPa，對既有橋內力影響反而減少。

根據盾構施工前模擬分析，針對砂卵石地層可采用提前預注漿及控制盾構施工各項參數的方式達到控制盾構到達前、推進中及穿越后對橋體、土體的影響，將沉降、隆起等情況達到可控狀態，確保盾構機在下穿框構橋施工中上部鐵路線路的運行安全。

參考文獻：

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