地鐵隧道下穿施工對橋梁地上結構的影響研究

姚春雷

摘要：為了分析隧道施工對現有橋梁結構的影響，創建了數值計算模型ABAQUS，并研究了橋梁結構的位移和變形以及內力的反作用，該結構的沉降和變形可分為以下兩個步驟：均勻沉降階段和局部加速沉降階段;地梁的沉降和變形情況大致是一樣的，可以相互替換，地板梁的彎矩大于覆蓋梁的彎矩，得出的所有結論對今后的地鐵隧道施工有價值。

關鍵詞：地鐵隧道;地下通道施工;地基橋梁施工;影響

隨著城市化的步伐不斷加大，人口繼續從農村轉移到城市地區，城市人口的極速增加會給城市交通帶來很大的負擔。地鐵需具有功能正常的地下系統，并且能保證安全且方便使用，為了可以更好地補償地面運輸工具上的這些缺陷，使得地鐵成為了大都市炙手可熱的一種新型交通工具，很多城市現已大力發展地鐵建設。

1項目概述

某個地鐵線，線路途經市內很多街區，貫穿新中軸線區域，地鐵大致呈南北“Y字形”走向。這條地鐵線線路較長，所以開發起來相對復雜，對于施工單位技術要求較高，這個地鐵線路的隧道是采用礦山法建造的：左線長2.162公里，右線長2.163公里。隧道下面的一段隧道穿過立交橋，該天橋建于1980年代，是連續的三層梁橋，設計簡單，左右橋的設計是分開的，并且彼此不依賴隧道和橋梁之間的位置。隧道軸線與橋梁軸線之間的夾角為62°。橋樁的基礎是直徑為1.0 m的整體鉆孔樁，為摩擦型樁。 為了便于分析，對1號橋墩樁的基礎從左到右進行編號。本文對一號橋墩樁基礎進行了分析，其中隧道范圍內地質為風化花崗巖，覆蓋層厚度為12.2 m，距拱頂的距離最短的僅0.2 m。為了維持橋梁的穩定性，不影響正常的運行，該項目采取了以下技術措施：使用直徑為42毫米，壁厚為3.5毫米的無縫鋼管進行固結; 隧道開挖輪廓線后3.0 m內層的灌封區域，厚度為0.2 m，C25 +噴射混凝土格柵為初始支撐結構，兩層厚度為0.3 m，混凝土強度為C35的鋼筋混凝土結構，只有這樣的混凝土結構才能順利完成這條地鐵線的建設。

2 3D模型的實現

根據上述尺寸，首先創建基本形狀的兩個三維幾何模型。除其他事項外，兩個模型中樁基礎的幾何組必須使用壓力命令連接到每個底層單元。由于地鐵隧道的穿透方向與橋梁基礎的位置傾斜，因此隧道的實體單元的邊界可能與地面的六面體單元的邊界不完全匹配。為了確保調整以下邊界條件的張力，必須根據地面六面體元素的邊界物理地切割隧道的實體元素的多余部分。由于兩個基本圖的三維模型包含更多的幾何組，因此還必須執行自動連接幾何的命令，這不僅可以確保在已建立的3D幾何模型中沒有形成雙曲面，而且還可以確保樁基與地面節點之間的耦合。在承臺+樁基礎的3D模型中，定義了兩個幾何組，因為地下隧道兩側的樁基礎和其他部分的樁基礎具有不同的橫截面尺寸，故而分為兩個幾何組。對于兩個3D模型的筏板部分，柵格元素的大小設置為2。高度風化的砂巖和隧道單元上方的土壤層的二維模型，網格單元的大小設置為3。隧道的基本元素部分的網格元素的大小必須與它所在的地面層的網格元素的大小相對應，以便確保隧道和地面網絡節點之間的配合。地鐵隧道襯砌部分的網格大小設置為2。堆疊網格元素的大小設置為4，蓋子基礎中蓋子部分的網格元素的大小設置為2。一旦完成網絡劃分，就定義了兩種基本類型的3D有限元模型。這兩個基本圖的三維模型顯示了基礎和地下隧道的整體等軸測圖，等軸測圖的一部分，下方的整體圖以及三維模型的整體效果圖[2]。

從上面提到的兩個基礎的三維模型的俯視圖，我們可以清楚地看到筏板下部的網格線：在俯視圖2（c）中，筏板+樁基礎的模型是密實的樁基，筏板下部的網格線不如筏+帽+樁基模型規則。它也可以解釋為什么基筏+樁屬于該組，而基筏+平臺+樁以及下部平臺和樁基可以成為一個組合。在圖中，我們可以清楚地看到地鐵隧道兩端的網格有一部分不規則，因為在安裝三維幾何模型時進行了連續切割操作以形成合理的網格邊界的原因，因此我們從上面的三維模型的示意圖中可以非常明確的分析出筏板+樁基礎與隧道這三個部分緊密相連，相互促進成為一體，互相聯系，缺一不可，三維模型的實現有利于更好的發展橋梁建設工作。

3結果分析

地梁與構造柱共成抗震限裂體系，減緩不均勻沉降的負作用。與基礎梁有區別，基礎梁主要起聯系作用，增強水平面剛度，有時兼作底層填充墻的承托梁，不考慮抗震作用。地梁一般指梁板式筏形基礎和柱下條基中的梁，該梁的最大彎矩在上部跨中及下部支座處，縱向鋼筋的接頭盡量避免在內力較大的地方，選擇在內力較小的部位，宜采用機械連接和搭接，不應采用現場電弧焊接。左右兩邊隧道的構造同時影響地梁部分，會導致隧道左端更多的下垂和變形。當右隧道開挖至40 m時（也就是說，掌子面低于樁），計算得出的左地面梁的曲線近似為線性，這表示當手掌表面下降到樁端以下時，橋梁的空中結構的剛度就足夠了，可以承受一定程度的重量，考慮到地層運動對橋梁的有害影響，土壤結構中普遍存在沉積物和變形等這些原因。隨著右隧道逐漸越過1號墩位，接地梁本身的剛度不足以承受由地層位移引起的額外變形，計算曲線顯示出具有大中小邊的非線性定律。當右邊的隧道越過1號橋的支柱，并且開挖面距離4號樁25 m時，地梁的變形逐漸穩定，這樣就可以保證地梁的安全和穩定，不會那么容易受到外界環境變化對地梁的影響，只有這樣操作，才能保障地梁的穩定。

在交叉路口施工期間，計算得出的隧道凈跨中相應的變形相對較大，特別是在隧道上部最大變形為14.7 mm， 這表明必須在隧道網絡范圍內構建的相應的地面結構，尤其是對于拱頂而言，所受到的影響是特別大的。右橋位于右隧道中心線的右側。 地梁的沉降曲線幾乎呈線性變化，這表明右地梁的剛度足以承受結構引起的不利影響。應該注意的是，在地梁右半徑的右側的一小塊區域產生了輕微的向上變形，最大值為0.8毫米。地板梁的左端強烈依賴于最大設計值為4.1 mm的右通道，因此，在對梁的下方進行施工的階段，由于沉降幅度起伏不定，變化度比較大，所以地梁要著重注意，以免發生變形，影響整體施工效果，而對于拉梁僅僅是一種聯系梁或者構造梁。例如專門承擔上部填充墻的聯系梁，例如承臺之間的梁，例如一些重要獨基之間的拉梁。它們的特征就是，梁底一般都可以不在持力層上，因為它們不需要承擔地基反力。反而要防止地梁受地基反力而破壞，所以地梁下經常要墊爐渣，用來增強地梁的承重能力，減少地梁的變形幾率，最大程度的避免因為地梁變形而導致的施工項目質量問題出現。

4結束語

通過研究隧道施工過程中土壤結構的沉降和變形規則，可以將沉降和變形過程分為兩個階段：均勻沉降階段和局部加速沉降階段。

參考文獻：

[1]姜偉.地鐵隧道下穿施工對橋梁地上結構的影響研究[J].山西建筑，2020，46（02）：112-114.

[2]李鳳岐.蘭州黃土地區地鐵隧道下穿的高層建筑基礎選型研究[D].蘭州理工大學，2019.

[3]趙玉中.復雜環境下盾構隧道與建構筑物相互作用研究[D].安徽理工大學，2018.

（作者單位：中交一公局集團盾構公司）