砂卵石地層盾構隧道下穿施工對既有鐵路框架橋的影響

張亞洲 林志宇 馬凝宇 賈方毅 閆曉

為研究盾構隧道下穿施工對框架橋結構以及周邊地層位移變形的影響，文章以洛陽市地鐵1號線啟明南路站—塔灣站區間盾構隧道穿越焦柳鐵路框構橋工程為依托，通過有限元軟件ANSYS對盾構隧道的開挖過程進行數值模擬，分別對隧道開挖過程中的地表沉降變化、鐵路框構橋變形以及樁基位移進行對比分析，系統研究隧道典型開挖步序下的鐵路框架涵結構、樁基及地表的變形特性。研究結果表明：①由隧道開挖引起的地表沉降分布形態一般不是完全對稱，在本項目中先開挖的左線中心線上方的地表沉降最為嚴重;②在隧道開挖過程中，框架涵位移變形呈現變形范圍增大，最大豎向沉降值有所減小;③隨著隧道的開挖，樁基的豎向及橫向最大變形值呈增長趨勢，縱向最大變形值在隧道開挖過程呈現波動的形態。

盾構隧道; 下穿施工; 沉降; 數值模擬; 位移變形

U452.2+6?? A

[定稿日期]2020-12-03

[作者簡介]張亞洲（1982～），男，本科，高級工程師，主要從事建筑施工方面的工作。

隨著近年來國內城市軌道交通項目建設的興起，盾構施工技術因其對周邊環境影響小、適應范圍廣以及施工成本低等[1]優點在我國地鐵隧道工程建設中得到了廣泛的應用。然而由于城市地下空間的大規模、高密度的開發，大量隧道下穿既有重要的建（構）筑物的現象開始涌現，如，武漢地鐵3號線側穿京廣漢口聯絡上行線鐵路橋、西安地鐵14號線下穿寶太疏解線高架橋等。隧道的近接施工必然會擾動地層破壞原始的力學平衡[2]從而導致既有結構本身的變形以及受力變化，在實際施工中往往需要嚴格的監測和控制既有結構的變形。因此，針對盾構隧道近接施工對既有結構的影響引起了越來越多的技術人員以及學者的重視。

周邊環境的沉降控制是盾構隧道下穿施工中至關重要的一部分，目前對于此已展開了大量研究。謝雄耀[3]等結合壁后注漿雷達檢測和自動化監測平臺提出了“微沉降”的施工控制技術，對盾構隧道下穿老舊建筑物的地表沉降進行了控制。劉建友[4]等采用現場調研和統計分析等方法，對高速鐵路軌道、扣件及路基的相互作用關系開展研究，提出盾構隧道穿越高速鐵路路基沉降控制標準的制定方法。文獻[5-7]通過數值模擬和現場試驗等方法，對既有隧道加固措施、地層適應性、隧道變形進行研究，提出了盾構隧道近距離下穿既有隧道變形控制措施。文獻[8-10]對盾構施工的全過程進行了模擬，分析了埋深、樁隧凈距等條件下盾構施工對鐵路橋梁結構變形及地表沉降的影響規律。

目前，在隧道近接施工的相關研究中，針對砂卵石地層下的隧道下穿既有鐵路框架橋梁研究較少，隧道施工過程中也對框架橋的變形提出了非常嚴格的要求。由此，文章以洛陽市地鐵1號線區間盾構隧道穿越焦柳鐵路框構橋工程為依托，采用數值模擬的方法，對盾構隧道的開挖過程進行數值模擬，分別對隧道開挖過程中的地表沉降變化、鐵路框構橋變形以及樁基位移進行對比分析。為今后類似的工程提供一定的參考。

1 工程概況

以洛陽市軌道交通1號線啟明南路站—塔灣站區間盾構隧道為工程背景。該區間隧道設計為兩分離盾構法隧道單洞，盾構隧道外徑6.2 m，內徑5.5 m，管片厚度0.35 m，環寬1.5 m，襯砌環由3塊標準塊、2塊鄰接塊、1塊封頂塊錯縫拼裝方式組成，采用鋼筋混凝土管片襯砌結構。該區間下穿焦柳鐵路段平面位置如圖1所示。

盾構區間主要位于中州東路下方，上方建筑物較少。其中焦柳鐵路框構橋處區間結構以下覆土約5.1 m，水位深約12 m。區間穿越的地層主要有黃土狀粉質黏土、細砂、卵石地層等。圖2為隧道下穿既有焦柳鐵路框構橋的地質剖面圖。

2 計算模型及參數

2.1 數值模型建立

根據區間隧道與鐵路相互關系建立數值計算模型，模型 3個方向尺寸選取的原則是把隧道開挖影響范圍都包含在模型范圍之內，模型邊界尺寸為100 m（橫向x）×50.7 m（豎向y）×60 m（縱向z），如圖3所示，其中隧道與鐵路橋位置關系如圖4所示。模型中隧道尺寸均以實際尺寸為標準，隧道埋深為6.2 m。

在建模過程中，考慮到隧道動態施工特點，隧道圍巖按均質彈塑性考慮，采用Drucker-Prager屈服準則，同時假定地層為均勻水平的。模型中地層、管片、注漿層、樁基等均采用SOLID45[11]單元予以模擬，計算時按自重應力場考慮。模型邊界條件如下：沿隧道軸線方向，對模型前后兩面邊界結點施加縱向水平約束;沿隧道橫向方向，對模型左右兩面邊界結點施加橫向水平約束;對模型底面結點，施加豎向方向的約束。在模擬隧道開挖過程中左線先施工，且以掘進6 m為1步，10步后左線貫通。然后右線開挖，同樣10步后右線貫通。

2.2 參數選取

實際工程中各種材料參數多樣，且土層性質各異、參數多變，為了簡化模型計算，根據區間土體的地質特點，將其分為五個均勻土層。在計算模型中，土體材料的模擬均采用彈塑性關系材料，參考實際工程中詳勘階段巖土參數建議值，管片襯砌結構采用C50鋼筋混凝土材料，彈性模量為34.5 GPa，考慮到襯砌接頭對結構整體剛度的影響，將結構整體剛度折減25 %[12]。具體取值見表1。

3 模型計算結果分析

為了探明盾構隧道在掘進過程中對既有鐵路橋結構及周邊環境的影響規律，本文以工程實際為基礎，分別對地表沉降、鐵路橋框架涵變形以及樁基變形三個方面進行分析。

3.1 隧道開挖對地表沉降影響

盾構隧道在開挖過程中難以避免的會引起地層損失，從而使隧道周邊圍巖應力重分布，在地表上則表現出差異沉降。為了能更為清楚的得到隧道開挖對地表沉降的影響，將每步監測斷面1、斷面2的地表沉降進行整理，結果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可見，在盾構隧道的掘進過程中，隨著開挖面的不斷前移，地表沉降曲線的豎向沉降最大值逐漸增加，地表沉降曲線由 “U”型分布形態逐漸轉變成“W”型分布形態，此時地表沉降最大值位于左線隧道中心線附近，其值為9.25 mm，右線隧道中心線附近地表沉降值為6.47 mm，這表明地表沉降分布形態是一個由隧道的開挖引起的疊加過程，疊加完成后地表沉降分布形態并非完全對稱，其中先開挖的左線中心線附近的地表沉降最為嚴重。雙線隧道最終開挖完成后，兩監測斷面的主要沉降區域位于-30～30 m，該區域為施工過程中主要監測區域。

3.2 隧道開挖對鐵路橋框架涵的影響

鐵路橋框架涵位于隧道開挖的正上方，在盾構隧道開挖過程中該框架涵屬于重點監測對象。因此，提取框架涵典型開挖步序下的各個方向最大位移值，如表2所示。隧道開挖完成后框架涵的位移云圖如圖7所示。

隨著盾構隧道的開挖，地層損失不斷疊加，土層和框架涵結構相互作用、協同變形。結合表2和圖7可知，在隧道開挖過程中，框架涵的橫向及縱向變形較小，豎向變形量最大。左線貫通后最大豎向沉降位于在框架涵對應于左線隧道中心線上方的底板處，其沉降量為9.87 mm。雙線貫通后最大豎向沉降位于框架涵底板中部偏左位置，其沉降量為7.35 mm，雙線貫通后的框架涵結構變形影響范圍更大?？紤]到框架涵結構整體剛度遠大于周邊土體的剛度，雙線隧道的開挖使框架涵結構整體受力，變形范圍增大，從而導致最大沉降量有所減小。

3.3 隧道開挖對鐵路橋樁基影響

新建地鐵盾構區間隧道的施工過程對鐵路樁基產生一定的附加變形，提取雙線隧道貫通后樁基各個方向的位移，其云圖如圖8所示。統計其典型步序下各個方向樁基的最大位移值，如表3所示。

由圖8可見，雙線貫通時樁基的最大豎向及橫向變形值均位于樁基底部，其值分別為4.28 mm及3.24 mm，其豎向最大位移量超過3 mm的限定值。最大縱向變形值位于樁身，其值為0.14 mm。

結合表3和圖8可知，隨著盾構隧道的開挖，樁基的豎向及橫向最大變形值均呈現增大趨勢，但增量逐漸減小，縱向最大變形值在隧道開挖過程呈現波動的形態。這表明，隨著盾構隧道的開挖，地層不斷受到開挖擾動的作用，越接近隧道周邊的土體產生的地層變形越大，由于鐵路樁基位于隧道兩側，樁基結構附近土體產生靠近隧道方向的位移分量，樁基群與地層協同變形也產生各個方向的位移變形，隨著隧道開挖繼續進行，隧道開挖影響的土體范圍不斷增大，導致該區域的樁基豎向、橫向變形不斷增加，但增量逐漸減小。

4 結論

依托洛陽市軌道交通1號線啟明南路站—塔灣站區間盾構隧道為工程背景，采用數值模擬的研究方法，對隧道典型開挖步序下的既有鐵路框架涵結構、樁基及地表的變形特性進行了系統研究，得出以下結論：

（1）由隧道開挖引起的地表沉降分布形態是一個疊加過程，疊加完成后地表沉降分布形態一般不是完全對稱。在本項目中先開挖的左線中心線上方的地表沉降最為嚴重。

（2）在隧道開挖過程中，框架涵位移變形表現出豎向變形量最大，隨著隧道開挖的進行，框架涵變形范圍增大，而最大豎向沉降值有所減小。

（3）隨著隧道的開挖，樁基的豎向及橫向最大變形值呈增長趨勢，但增量逐漸減小，縱向最大變形值在隧道開挖過程呈現波動的形態。表明樁基與地層受到開挖擾動從而協同變形產生位移變形，隨著隧道開挖繼續進行，受開挖影響的地層范圍不斷增大，導致該區域的樁基豎向、橫向變形不斷增加，但增量逐漸減小。

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