地鐵區間近距離穿越施工對既有市政橋梁結構變形風險分析

王 根， 夏 陽

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著城市軌道交通的快速發展，地鐵區間隧道不可避免地會穿越既有市政橋梁結構等。在盾構隧道穿越橋梁樁基施工過程中，若引起樁基或承臺變形較大，將可能導致橋梁上部結構產生附加內力和變形，使得橋梁結構開裂、傾斜，為既有橋梁的安全和正常使用埋下隱患。本文結合合肥地鐵4號線呈坎路站-大強路站區間隧道穿越南北一號高架橋(龍川路段)及龍川路右轉匝道橋工程，通過三維計算模擬盾構隧道雙線施工過程中對穿越段橋梁結構的影響，分析預測橋梁結構發生變形的趨勢及變形值。為工程施工中針對重點影響區采取必要加固措施提供依據，也給類似區間隧道穿越市政橋梁工程提供參考。

1 工程概況

1.1 區間概況

呈坎路站-大強路站區間隧道位于合肥市包河區高鐵片區，是合肥地鐵4號線工程的重要組成部分。隧道采用盾構法施工，由大強路站向呈坎路站掘進，盾構管片外徑6.0 m，內徑5.4 m，襯砌0.3 m，彎螺栓連接成環。隧道穿越南北一號高架橋和龍川路右轉匝道橋，穿越段區間隧道埋深約為20 m，位于⑥2黏土層。

1.2 橋梁概況

南北一號高架橋工程于2011年12月竣工，橋梁主體結構設計基準期為100年，上部結構為預應力鋼筋混凝土變截面箱梁，基礎為C30鉆孔灌注樁，樁徑1.8 m，樁長46 m，樁端入⑧13中風化砂質泥巖層。龍川路右轉匝道橋連接包河大道和龍川路,于2014年竣工，匝道橋第一聯上部結構為普通鋼筋混凝土箱梁，第二聯上部結構為預應力混凝土箱梁。橋墩采用直徑1.6 m獨柱墩，重力式橋臺，基礎為C30鉆孔灌注樁，樁徑1.4 m，樁長38 m，樁端入⑧13中風化砂質泥巖層。

區間隧道側穿南北一號高架橋上跨龍川路一聯，跨徑為35 m+50 m+35 m，橋梁寬25.5 m，該聯包括197號、198號、199號、200號橋墩。隧道外皮距離200號橋墩樁基邊緣最近距離1.0 m；區間隧道側穿龍川路右轉匝道橋1～8號橋墩，距離龍川路右轉匝道橋1號橋墩樁基邊緣最近距離1.1 m，相對關系如圖1、圖2所示。

圖1 區間隧道與橋梁平面關系

圖2 區間隧道與主橋及匝道橋剖面關系

2 有限元模型

盾構隧道在穿越橋梁的施工過程中，掌子面頂推力、盾構掘進速度、注漿效果等施工控制因素都會對地層、上部橋梁結構產生影響，不同的施工控制因素產生的影響是不同的，在數值計算中通過等代層法分析施工控制因素的影響。采用MIDAS GTS NX軟件建立區間隧道穿越段的三維有限元模型，如圖3所示，通過對地層的簡化和假設，取計算模型長150 m，寬80 m，高60 m。模型底部邊界條件為x、y、z方向約束，兩側邊界條件為x或y方向的水平約束。

圖3 有限元模型

2.1 基本假定

數值模擬過程中，為了盡可能達到與實際相符的計算環境，需要對地層及結構進行部分簡化和處理，以適應計算理論和軟件，本次計算基本假定包括：

(1)初始應力只考慮圍巖的自重應力，忽略構造應力的影響；

(2)所有材料均為均質、連續、各向同性，土體水平成層分布；

(3)圍巖按修正摩爾-庫侖理想彈性材料考慮；

(4)機械荷載不考慮機械在運作過程中產生的震動荷載。

2.2 計算參數取值

依據區間隧道設計文件，橋梁基礎結構參數及地層力學性質參數見表1。

表1 穿越段地層力學性質參數

2.3 計算過程

根據工籌設計，本區間采用兩臺盾構機，均由大強路站下井始發，掘進至呈坎路站接收吊出。區間左線盾構機先行始發掘進，掘進長度≥100 m且間隔≥1個月后，右線盾構機再始發掘進，平均每天掘進速度為6～8 m。建模完成后，按照工籌設計隧道施工主要計算步驟為：

(1) 計算土體初始地應力場；

(2) 位移清零；

(3) 橋梁基礎施工；

(4) 隧道分步開挖計算，每6 m為一個施工步，每個階段包括開挖和支護兩個施工步序；

(5) 計算結果提取，數據整理，結果分析。

3 計算結果分析

本簡化模型計算中通過等代層法分析施工控制因素的影響，不考慮隧道掘進施工對橋樁的多次擾動，計算數值與實際沉降存在一定的偏差，但計算結果不影響分析預測橋梁結構發生變形的趨勢。因此針對開挖過程中地表沉降、橋墩沉降及橋墩間差異沉降和承臺水平變形分別進行了研究分析。

3.1 地表沉降

隧道開挖造成地層損失，地表產生明顯的沉降槽：左線開挖后地表沉降累計計算值最大為3.6 mm，雙線開挖后地表沉降累計計算值最大為4.9 mm。開挖后地表沉降云圖如圖4、圖5所示。

圖4 左線開挖后地表沉降云圖

圖5 雙線開挖后地表沉降云圖

3.2 橋墩沉降

3.2.1 南北一號高架橋

隧道穿越橋梁過程中，影響區橋墩發生較明顯的沉降變形：左線穿越過后，橋墩沉降值逐漸趨于穩定，200號橋墩穩定在-1.4 mm；雙線穿越過后，橋墩沉降值再次趨于穩定，200號橋墩穩定在-1.7 mm，199號橋墩穩定在-0.8 mm，如圖6所示。

圖6 200號、199號橋墩沉降隨隧道施工階段的變化曲線

3.2.2 龍川路右轉匝道橋

區間隧道穿越匝道橋1～8號橋墩，隧道穿越橋梁計算過程中，影響區橋墩沉降變形與南北一號高架橋橋墩類似。左線穿越過后，0～4號承臺沉降值逐漸趨于穩定，1號穩定在-3.0 mm，0號穩定在-1.1 mm，5～8號承臺橋墩無沉降；雙線穿越過后，1號穩定在-4.9 mm，0號穩定在-1.1 mm，4號穩定在-2.7 mm，3號穩定在-2.5 mm，2號穩定在-1.9 mm，8號穩定在-2.7 mm，7號穩定在-2.7 mm，6號穩定在-2.8 mm，5號穩定在-2.9 mm，如圖7、圖8所示。

圖7 施工中0～4號承臺沉降變化曲線

圖8 施工中5～8號承臺沉降變化曲線

3.2.3 橋墩差異沉降

根據各橋墩最終沉降匯總，計算相鄰橋墩差異沉降，結果見表2、表3。隧道施工完成后，南北一號高架橋200號、201號橋墩差異沉降大小為1.7 mm，最大差異沉降率為0.057‰；龍川路右轉匝道0號、1號橋墩差異沉降大小為3.7 mm，最大差異沉降率為0.211‰。

表2 區間隧道施工各承臺差異沉降計算(1)

表3 區間隧道施工各承臺差異沉降計算(2)

3.3 承臺水平變形

3.3.1 南北一號高架橋

隧道穿越橋梁樁基計算過程中，影響區樁頂發生較明顯水平位移，即表現為承臺水平變形：雙線隧道穿越過后，水平變形200號承臺穩定在-0.9 mm，199號承臺穩定在0.4 mm,如圖9所示。

圖9 承臺水平變形隨隧道施工階段的變化曲線

3.3.2 龍川路右轉匝道橋

區間隧道穿越匝道橋1～8號橋梁樁基，影響區承臺水平變形與南北一號高架橋承臺類似：當左線隧道側穿橋梁樁基時，影響區承臺發生水平變形，雙線隧道穿越施工后，其中由于左右線隧道均側穿1號橋梁樁基，故1號橋墩水平變形先增大后減小。各承臺水平變形穩定后最大值分別為：0號承臺為-1.2 mm，1號承臺為3.8 mm，2號承臺為2.9 mm，3號承臺為2.3 mm，4號承臺為3.4 mm，5號承臺為3.5 mm，6號承臺為3.4 mm，7號承臺為3.3 mm，8號承臺為3.3 mm,如圖10、圖11所示。

圖10 施工中0～4號承臺水平變化曲線

圖11 施工中5～8號承臺水平變化曲線

4 結束語

根據工程實例建立有限元模型，計算區間隧道施工過程中每個階段控制步各橋梁結構監測控制點的變形，分別分析了影響區的地表沉降、橋墩差異沉降及承臺水平變形。隧道穿越南北一號高架橋橋墩最大差異沉降為1.7 mm，承臺最大水平變形為0.9 mm；穿越龍川路右轉匝道橋橋墩最大差異沉降為3.7 mm，承臺最大水平變形為3.8 mm。即區間隧道在黏土層中穿越橋梁樁基施工，橋梁橋墩差異沉降及承臺水平變形值相對可控。

隧道穿越南北一號高架橋距離200號橋墩樁基最小凈距1.0 m，對應橋墩沉降為1.7 mm，距離龍川路右轉匝道橋1號橋墩樁基最小凈距1.1 m，對應橋墩沉降為3.7 mm。即區間隧道距離橋樁凈距越小風險越大，穿越施工時需考慮采取相應工程措施降低施工風險。