貴陽地鐵2號線下穿鐵路橋三維數值模擬分析

史鍇然，戚幸鑫，盧 鋒，李 思

(西南交通大學，四川成都610031)

軌道交通發展至今日，我國許多城市已建立起基本的軌道交通網絡。隨著日益增長的軌道交通里程，城市中不可避免地會出現越來越“擁擠”的現象。為了節約土地資源，就需要充分利用城市土地，這樣便會使得近距離施工問題大量涌現，其中城市地鐵與橋梁基礎的相互影響的問題也日益突出[1]。合理地分析地鐵近接施工對既有橋梁的影響，保證既有橋梁的正常運營和地鐵隧道施工的順利進行，對我國城市軌道交通建設具有積極的意義[2]。

針對地鐵隧道與既有橋梁的相互影響，已經有許多學者從各個方面進行了研究。鄭熹光[1]等總結出幾種樁的形式和樁與隧道的位置關系，并通過三維數值分析方法模擬隧道施工后樁的應力和位移的變化規律。龔愛軍[3]、李松[4]、張竹清[5]等重點研究了樁基水平位移及沉降的發展規律。熊剛[6]等總結了隧道近接施工對既有樁基影響的四種研究方法及其發展過程，指出了每種研究方法的適用條件。宋衛東[7]等分析了隧道開挖對橋臺和地面環境的影響。還有許多學者[8-15]提出了針對橋梁基礎沉降的系統的安全風險評估及控制方法。

本文結合貴陽地鐵2#線隧道下穿既有川黔鐵路橋工程，計算不同圍巖壓力釋放率下隧道施工對既有鐵路橋的影響，所涉及的橋梁材料特殊性、雙洞隧道斜穿既有鐵路橋的情況，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。本文通過采用有限差分軟件FLAC 3D，建立高仿真三維模型，考慮隧道施工對橋梁上部結構的影響，加入了對橋梁拱圈應力的影響分析；按照設計方案模擬地鐵隧道施工對川黔鐵路橋的位移和應力影響，并提出建議。

1 工程概況

下穿隧道為雙洞單線結構，隧道埋深15.8～63.6 m，采用礦山法施工。如圖1所示，既有鐵路橋為拱橋結構，橋梁全長104.5 m。其中1#拱圈與5#拱圈為混凝土拱圈，其他拱圈為石砌拱圈。隧道與鐵路橋之間的夾角為54°。

圖1 橋梁立面(單位：m)

區間隧道區域地貌類型為溶蝕殘丘、洼地與槽谷相間地貌。場區總體地勢西北高東南低，地形坡度一般為1～2 °。隧道上覆素填土，層厚9.8 m，下部基巖為泥巖、砂巖，以砂巖為主，巖層產狀N28 °～35 °E/SE,傾角45～55 °，與隧道走向呈垂直狀態，圍巖等級為Ⅴ級。地下水位埋深2.3～8.5 m。

2 控制標準

2.1 位移標準

由于川黔鐵路橋修建年代較早，且條石拱圈曾采用噴射混凝土維修加固過，對于位移控制標準，綜合參考TB 10621-2014《高速鐵路設計規范》、TB 10623-2014《城際鐵路設計規范》、鐵運[2006]146號《鐵路線路修理規則》的控制標準，本文對川黔鐵路橋沉降的控制標準為：

(1)墩臺的工后均勻總沉降不應大于15 mm，相鄰墩臺最終沉降差不應大于5 mm；

(2)線路軌道10 m弦測量的高低偏差應小于4 mm。

2.2 應力標準

對于應力控制標準，按照(鐵運函[2004]120號)《鐵路橋梁檢定規范》第7.3.15條規定，選擇控制標準如下：

(1)混凝土拱圈最大壓應力不能超過12.30 MPa，最大拉應力不能超過0.55 MPa；

(2)砌體拱圈最大壓應力不能超過6.10 MPa，最大拉應力不能超過0 MPa。

3 三維計算

3.1 數值計算模型

根據實際情況，應用FLAC 3D有限差分軟件建立隧道下穿鐵路橋模型(圖2、圖3)。為充分模擬隧道的三維空間效應，計算模型所取范圍是：沿橫向取50 m，沿縱向取180 m，深度取隧道仰拱下方50 m；約束情況為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面；計算中地層及初期支護采用彈塑性實體單元模擬，管棚及超前小導管采用彈性實體單元模擬，二次襯砌采用彈性實體單元模擬。

圖2 三維數值計算模型

圖3 隧道與鐵路橋交叉段俯視

3.2 數值計算參數

圍巖及襯砌材料的物理力學指標參照《貴陽市軌道交通2號線一期(詳細勘察階段)三橋站～二橋站區間巖土工程勘察報告》選取，混凝土材料物理參數根據TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》選取，所確定的計算參數如表1所示。

表1 模型物理力學參數

地面雙向六車道公路總寬約為32 m，根據JTG B01-2003《公路工程技術標準》，計算取22.5 kN/m作為車輛荷載。列車荷載參照TB 10002.1-2005《鐵路橋涵設計基本規范》，靜力荷載取92 kN/m，標準活載取“中-活載”。

4 結果分析

4.1 不同圍巖壓力釋放率下隧道開挖對鐵路橋影響

分別考慮圍巖壓力釋放率為10 %、20 %、30 %、40 %、50 %、60 %、70 %、80 %、90 %及100 %這10種工況。圍巖壓力釋放率為襯砌結構承擔圍巖壓力比例，例如圍巖壓力釋放率為10 %時，即圍巖承擔90 %圍巖壓力，襯砌承擔10 %圍巖壓力。采用全斷面開挖方式對隧道開挖過程進行模擬(圖4、圖5)。

圖4 不同圍巖壓力釋放率下橋面沉降沿橋梁縱向變化曲線

圖5 不同圍巖壓力釋放率下橋面最大沉降曲線

4.1.1 橋梁位移分析

結合圖4、圖5和表2可以看出，從橋面絕對沉降來看，隨著圍巖壓力釋放率的增大，橋面沉降也逐漸增大。沿橋梁縱向方向上隧道開挖洞室邊緣5 m左右范圍內，存在明顯的沉降變化，且每級壓力釋放率下的最大沉降位置處于兩隧道洞室之間。圍巖壓力釋放率從80 %到100 %時，橋面沉降的增加明顯高于其他區間，增加了4.89 mm，圍巖壓力釋放率為100 %的最大橋面沉降為80 %時的約3倍；圍巖壓力釋放率在10 %到70 %之間時，橋面最大沉降變化趨于平緩。當圍巖壓力釋放率小于等于80 %時，橋面最大沉降小于15 mm，相鄰墩臺的沉降差均小于2 mm，軌道差異沉降的變化量基本與橋墩差異沉降保持一致，線路10 m弦的高低偏差均小于4 mm，符合位移控制標準。

表2 不同圍巖壓力釋放率下既有鐵路橋沉降統計 mm

4.1.2 橋梁拱圈應力分析

由表3可以看出，在隧道開挖時不同圍巖壓力釋放率下，橋梁拱圈基本以受壓為主。在同等壓力釋放率下，由于材料性質和拱圈尺寸不同，混凝土拱圈的最大主應力均小于石砌拱圈。在壓力釋放率為80 %～100 %的區間內，1#拱圈和2#拱圈由于距離開挖隧道近，受開挖影響大，其最大主應力的增量比3#、4#、5#拱圈大，其中2#拱圈的最大主應力增量達到了2.4 MPa。當應力釋放率為100 %時，2#拱圈將承受0.13 MPa的拉應力。當圍巖壓力釋放率小于等于80 %時，對應每一級釋放率，最大主應力均在4#拱圈，超過2#、3#石砌拱圈54 %以上，與1#、5#混凝土拱圈相差超過2 MPa。

表3 不同圍巖壓力釋放率下橋梁拱圈主應力統計 MPa

4.2 隧道施工對鐵路橋的影響

4.2.1 開挖工序

①施作右線隧道大管棚；②施作右線隧道超前小導管；③右線以2 m為一進尺臺階法循環開挖并施作初期支護；④右線隧道施作二次襯砌；⑤施作左線隧道大管棚；⑥施作左線隧道超前小導管；⑦左線以2 m為一進尺臺階法循環開挖并施作初期支護；⑧左線隧道施作二次襯砌(圖6、圖7、表4)。

圖6 橋面沉降隨右線掌子面推進沿橋梁縱向變化曲線

圖7 橋面沉降隨左線掌子面推進沿橋梁縱向變化曲線

表4 既有鐵路橋橋面橫向差異沉降統計

4.2.2 橋梁位移分析

本文認為當隧道開挖導致的橋面沉降達到0.5 mm時，隧道開挖對橋梁產生了影響。由圖6可以看出，采用設計方案施工時，隨著右線掌子面向既有鐵路橋推進，橋梁沉降逐漸增加，當右線掌子面距橋梁15 m時，橋面沉降達到了0.5 mm；掌子面越過橋梁之后的沉降增加比越過橋梁之前明顯減少，當掌子面越過橋梁25 m時，隨著掌子面繼續推進，橋梁沉降趨于穩定，可以近似認為此時沉降為最終沉降。右線隧道開挖完成后橋面最大沉降位置在3#拱圈，為1.17 mm。由圖7可以看出，左線隧道開挖后橋面最大沉降位置在2#拱圈，為1.97 mm，在左右線之間沉降曲線呈U型，橋面整體沉降不超過2 mm；對比不同圍巖壓力釋放率下橋面沉降，按設計方案施工時隧道圍巖壓力釋放率約為70 %。由表4可以看出，1#橋墩處的橋面差異沉降有0.56 mm，為橋墩處橋面最大差異沉降，1#、2#橋墩處橋面差異沉降僅相差14.3 %，2#與3#、2#與4#橋墩處橋面差異沉降相差分別超過56 %和81 %，說明隧道開挖對1#、2#橋墩產生的影響大于3#、4#橋墩，且隨著橋墩與隧道距離的增加，這種影響呈快速下降的趨勢。

4.2.3 橋梁拱圈應力分析

由表5可以看出，隧道開挖完成后，拱圈均未出現拉應力，混凝土拱圈應力均小于石砌拱圈；最大壓應力位于4#拱圈，為3.44 MPa，小于控制標準的6.10 MPa的控制標準。混凝土拱圈的最大主應力小于石砌拱圈的最大主應力。對比不同圍巖壓力釋放率情況下的應力大小，按設計方案施工時隧道圍巖釋放率約為70 %，這與由位移得出的圍巖壓力釋放率相同。

表5 既有鐵路橋拱圈主應力統計 MPa

5 結論及建議

(1)隧道開挖時圍巖壓力釋放率越大，鐵路橋產生的沉降越大，每級壓力釋放率下的最大沉降位置處于兩隧道洞室之間。橋梁拱圈基本以受壓為主，由于材料性質和拱圈尺寸不同，混凝土拱圈的最大主應力均小于石砌拱圈，當圍巖壓力釋放率為100 %時，2#拱圈才承受拉應力。綜合考慮位移控制標準及應力控制標準，當施工控制圍巖壓力釋放率小于80 %時，可保證既有鐵路橋運營安全。

(2)隨著掌子面向既有鐵路橋推進，橋體沉降隨著與隧道開挖面的距離減小而增大，相鄰兩橋墩上存在沉降差。右線隧道開挖完成后橋面最大沉降位置在3#拱圈，左線隧道開挖后橋面最大沉降位置在2#拱圈。參照不同圍巖壓力釋放率下的橋面沉降，按照設計施工時隧道圍巖釋放率約為70 %。綜合考慮位移控制標準以及應力控制標準，當按照設計施工時，能夠基本保證既有鐵路橋運營安全。

(3)實際施工中，圍巖壓力釋放率不能直接測量得到，應通過橋梁沉降反應；建議左右線掌子面錯開施工，掌子面錯開距離大于3倍洞徑；為減少施工期間對既有鐵路橋的影響，在下穿既有鐵路橋時，應禁止爆破；采用分步短進尺開挖、及時施作初期支護以控制應力釋放和地層位移，使圍巖壓力釋放率低于80 %。