新建跨河橋梁對鄰近既有地鐵隧道的影響分析

劉成 曹泉水 鄭磊

新建跨河橋梁具有鄰近既有地鐵隧道、橋梁走向與隧道走向基本同向、橋梁和隧道平面位置基本重疊、隧道上置抗浮蓋板、橋梁縱向跨越抗浮蓋板。結合貴陽市擬建金鐘河橋鄰近跨越軌道交通2號線項目，通過有限元軟件建模分析擬建橋梁在不同施工階段對既有地鐵隧道、地表土層、抗浮蓋板的變形影響，并分析其對隧道結構強度的影響，結果證明擬建橋梁對地鐵隧道等產生變形效應，也影響隧道結構強度，但都在安全可控范圍內，設計符合控制要求。最后，結合工程實際給出保持樁基與隧道最小間距、加強專項施工方案設計、加強施工過程監控等具體施工建議。

橋梁; 鄰近地鐵; 隧道; 變形; 結構強度

U452.2+6 A

［定稿日期］2021-12-27

［基金項目］西南交通大學希望學院青年科研項目（項目編號：2018016），住房和城鄉建設部科學技術計劃項目（項目編號：2018-R2-005）

［作者簡介］劉成（1988—），男，碩士，講師，工程師，研究方向為橋隧設計及施工管理。

在既有地鐵一定范圍內新建橋梁，橋梁基礎開挖、上部結構施工、后期橋梁運營等因素勢必會對隧道周圍土體產生擾動，豎向荷載增加導致隧道圍巖應力分布產生變化，引起隧道結構應力重分布，從而產生隧道整體豎向和水平向位移等位移效應。如果應力分布嚴重不均、位移較大，會有隧道開裂、漏水、軌道線路不平順等附加問題出現，對隧道結構的正常使用和使用壽命都造成不可逆轉的危害，嚴重者會對地鐵的日常運行造成影響，因此在鄰近既有地鐵隧道范圍內新建橋梁，應重點分析新建橋梁對既有地鐵隧道的影響。

國內地鐵隧道下穿既有橋梁的項目較多［1-3］，新建地鐵對既有橋梁的影響研究和應急技術保障方案的研究也有一定的基礎，對于新建跨河橋梁鄰近既有地鐵隧道、橋梁走向與隧道走向基本同向、橋梁和隧道平面位置基本重疊、隧道上置抗浮蓋板、橋梁縱向跨越抗浮蓋板的項目較少，這方面的研究也較少［4-12］，本文將結合此類項目進行分析研究。

1 項目概況

貴陽市云巖區三馬片區工礦棚戶區及城市棚戶區改造項目4號道路金鐘河橋位于馬王街與金鐘河交匯處上游，金鐘河橋設計方案為單跨簡支鋼箱梁橋，橋梁樁基設在金鴨村站—馬王廟站區間隧道兩側。隧道為馬蹄形斷面，左右線間距為12 m，隧道二襯外輪廓寬為6.2 m，樁基距離隧道二襯外輪廓最近距離為3.6 m。區間隧道采用礦山法施工，復合式襯砌斷面，河道范圍區間埋深為1.55～2.5 m；河道范圍隧道上方設置抗浮蓋板。

新建橋梁與既有地鐵相互位置關系如圖1～圖5所示。

樁基直徑2.5 m，樁長20 m，樁頂與蓋梁固結，蓋梁尺寸2.5 m×4 m，每片蓋梁頂部承受支座反力為5 000 kN×6。樁基為嵌巖樁，樁底伸入軌道隧道底標高3 m以下并且滿足嵌巖深度為5 m。嵌巖僅考慮樁基最下端5 m，其他段落須采用護壁結構，將樁基和周邊巖石隔離開，確保樁基對周邊巖石無摩擦力，保障隧道周邊的巖石受力形式不變。為了減少對軌道交通2號線的擾動，樁基采用人工挖孔樁，優先采用水磨鉆施工。

蓋梁采用滿堂支架施工，臨時支撐傳遞給地基的豎向均布荷載控制值為130 kN/m2（含施工期間的上部荷載）。鋼箱梁縱向按14 m一節進行節段劃分，單根梁共分5個節段進行吊裝施工。全橋鋼箱梁采用滿堂支架施工，臨時支撐傳遞給地基的豎向均布荷載控制值為45 kN/m2（含施工期間的上部荷載）。

2 結構建模分析

2.1 結構模型建立

根據橋梁施工、地質及既有軌道交通隧道結構等情況，建立三維有限元模型進行數值計算分析，三維模型計算范圍為X×Y×Z=170 m×140 m×（47～67） m（長×寬×高）。

三維模型單元總數102 796個，節點總數57 655個，計算模型采用固定位移邊界，上邊界取至地面，為自由面；4個側面地層邊界限制水平位移；下部邊界限制豎向位移。每根蓋梁共有6個鋼箱梁支座，在模型蓋梁節點上施加6個5 000 kN集中荷載。

采用“地層-結構”模型進行三維建模分析，將模型中的巖土體視為彈塑性體，采用摩爾-庫倫模型（Mohr-Coulomb Model），采用實體單元模擬；區間隧道二襯、橋梁樁基與蓋梁采用各向同性彈性模型（Elastic Isotropic Model），區間隧道二襯采用殼單元模擬，橋梁樁基與蓋梁采用梁單元模擬。

樁土界面摩擦力采用樁界面單元模擬，樁界面是植入式梁單元的界面附屬單元，不需要節點和相鄰土體連接，用于確認梁單元和地基之間的摩擦行為及相對位移。生成梁單元和相鄰地基單元后，選擇梁單元生成樁界面單元。

地基單元和樁端界面的一節點之間的相對行為采用樁端界面單元模擬，生成樁單元后，選擇樁端，樁端界面的剛度按樁端承載能力和彈簧剛度定義。

各地層參數按照地勘報告給出的數據選取，根據實際情況和模型計算需要，模型參數見表1。

2.2 施工過程模擬

不同施工階段，荷載分布不同，按過程劃分為5類：

（1）建立三維“地層-結構”模型，既有隧道結構采用板單元模擬，輸入相應地層的土體參數，施加邊界約束，并在地表施加地面超載，計算土體的初始地應力場，并將土體位移場和速度場清零，作為初始狀態，記作S0。

（2）樁基成孔及灌注施工階段，記作S1。

（3）蓋梁施作階段，施加蓋梁臨時支撐傳遞到地面的荷載（架設臨時支撐及模板，澆筑蓋梁），記作S2。

（4）鋼箱梁施作階段，施加鋼箱梁臨時支撐傳遞到地面的荷載（架設臨時支撐及吊裝焊接鋼箱梁），記作S3。

（5）使用階段，完成擬建項目的施工（拆除鋼箱梁臨時支撐，鋼箱梁以蓋梁為支座），記作S4。

3 不同階段對地鐵隧道的影響分析

不同階段的荷載分布和約束條件不同，新建跨河橋梁對隧道會產生豎向和水平向位移效應、對地表土層產生位移效應、對隧道結構產生內力重分布，下面就不同階段工況對地鐵產生的影響進行分析。

3.1 對隧道變形影響分析

不同階段隧道最大豎向、水平位移如圖6所示。

（1）S1階段：隧道整體成上浮趨勢，最大上浮量0.33 mm，位于K2+278.600樁孔處左線隧道右側邊墻；隧道整體水平偏移為0.04 mm，位于K2+209.400樁孔處左線隧道右側邊墻。

（2）S2階段：隧道整體成下沉趨勢，累計最大下沉量1.04 mm，位于K2+278.600樁基處左線隧道拱頂；隧道整體累計水平偏移0.24 mm，位于K2+209.400樁基處右線隧道邊墻。

（3）S3階段：由于鋼箱梁荷載較大，隧道整體成下沉趨勢，累計最大下沉量3.4 mm，位于河道抗浮蓋板跨中以下的左線隧道拱頂；隧道整體累計水平偏移值0.44 mm，位于K2+209.400樁基處右線隧道邊墻。

（4）S4階段：隧道整體成下沉趨勢，累計最大下沉量2.79 mm，位于K2+209.400樁基處左線隧道左側；隧道整體累計水平偏移值0.42 mm，位于K2+209.400樁基處左線隧道邊墻處。施工完成后，既有軌道交通隧道結構整體表現為下沉狀態。

結果表明，在箱梁施工工程中施工荷載和后勤運行過程中使用荷載對區間隧道變形影響較大，應加強這2個階段的監控和專項方案設計。

3.2 對地表土層沉降量影響分析

不同階段地表土層沉降量如圖7～圖10所示。

（1）S1階段：樁孔完成時，地表最大沉降量1.16 mm，地表變形主要發生在左橋臺橋樁附近，樁孔施工對地表變形影響不大。樁孔施工完成后，鄰近樁孔側地層下沉較小，既有軌道交通隧道結構下沉很小。

（2）S2階段：地表累計最大沉降量9.07 mm，地表累計最大隆起量1.06 mm，地表變形主要發生在左橋臺橋樁附近，可見蓋梁施工對地表變形影響較大。

（3）S3階段：河道地表累計最大沉降量6.85 mm，抗浮蓋板累計最大沉降量5.21 mm，地表變形主要發生在右橋臺橋樁附近，可見鋼箱梁施工荷載造成河道地表及抗浮蓋板豎向位移進一步增大，對其變形影響較大。

（4）S4階段：地表累計最大沉降量7.27 mm，地表變形主要發生在K2+209.400橋梁樁基處，抗浮蓋板累計最大沉降量4.04 mm，可見鋼箱梁臨時支架拆除，地面荷載減少，隧道和抗浮蓋板豎向位移沉降量均出現一定程度的回彈；由于樁基荷載增加，樁土之間作用力增大，樁基處地表沉降量增加。

3.3 對隧道結構強度影響分析

不同階段隧道結構斷面內力分布如圖11～圖16所示。

通過內力云圖得出不同施工節段隧道結構每延米的控制內力，根據控制內力進行隧道計算配筋，再與實際配筋進行比較，對比分析結果如表2所示。

結果表明，在蓋梁施工節段隧道彎矩和軸力最大，應加強施工過程中隧道變形監測。所有階段的實際配筋均大于計算配筋，結構強度滿足要求。

3.4 綜合影響分析

新建跨河橋梁對既有地鐵隧道的整體影響最大值如表3所示。

（1）根據有限元定量分析，隧道變形、土體變形、抗浮蓋板變形的分布都隨著施工階段變化而產生變化，但整體變形量均在安全范圍之內，因此應注意按照規定保持樁基與隧道之間的凈距要求。

（2）隨著施工階段的推進，荷載逐漸增大后減小，隧道變形也呈現先增大后減小的趨勢，在鋼梁施工階段變形最大。隧道變形主要是豎向變形，水平變形較小，且都在安全范圍之內。

（3）土體在蓋梁施工、鋼箱梁架設、使用階段累計沉降量較大，由于荷載形式發生改變，沉降量有所差異，但差異不大，應注意加強過程監控。

（4）抗浮蓋板在鋼箱梁架設和使用階段較大，應注意加強過程監控。

（5）隧道結構在各個施工階段的控制內力不同，最大值發生在蓋梁施工階段，但各階段隧道結構均滿足強度要求。

4 施工建議

由于項目的特殊性，新建跨河橋梁對地鐵隧道的變形和強度都有一定的影響，應圍繞既有結構和新建結構的安全，并考慮后期運營維護的便捷和可持續性，提出施工建議：

（1）橋梁地質勘測時應復測確定鉆孔位置，避免鉆孔進入區間隧道錨桿及隧道結構范圍內。

（2）平整場地時軌道交通2號線金馬區間保護范圍不得采用振動機械壓實；區間保護區范圍嚴禁堆載和重型施工機械停放，機械施工后應停放在區間保護區范圍以外。

（3）橋梁樁基成孔采用人工挖孔施工，施工前應復測放樣樁孔位置；挖孔遇到隧道支護結構錨桿時，需小心切斷，禁止拉拽錨桿。

（4）橋梁樁基成孔后，隧道底標高以上須采用護壁結構，減少樁基對周邊圍巖的摩擦力，樁基混凝土應及時澆筑，盡量減少樁孔暴露時間。

（5）鋼箱梁施工時，在滿堂腳手架下方，另外設置鋼筋混凝土板基礎，對抗浮蓋板進行有效保護。

（6）針對樁基、蓋梁及鋼箱梁的設計與施工編制詳細的專項設計方案及施工方案；蓋梁施工時必須采取可靠措施，防止河岸因臨時支撐及蓋梁澆筑時的荷載產生滑坡；吊裝鋼箱梁必須采取可靠措施保證吊裝過中不掉落。

（7）建議橋梁施工上部結構時因臨時支撐增加的荷載必須滿足不大于區間隧道上方加載限制值的要求。

（8）建議施工期間采取合理的施工組織，建立監測預警系統，信息化施工，嚴格控制施工操作。

（9）建議針對軌道交通結構的保護編制相應的應急預案和配備必要的搶險物資，應急預案應對已完成區間具有可實施性，不得影響其結構安全。

（10）擬建金鐘河橋項目的實施以及對軌道交通的保護應與軌道交通部門加強溝通，確保軌道交通結構的安全。

5 結論

（1）新建跨河橋梁鄰近既有地鐵隧道在不同施工階段對隧道結構、周圍土層、抗浮蓋板均產生不同的變形效應，水平向變形可忽略，豎向變形主要集中在上部結構施工階段和使用階段。

（2）建橋過程中隧道結構內力有增大趨勢，在上部結構施工過程中達到最大，使用階段趨于平穩。

（3）應強化專項設計，做好樁基設計，保證樁基與隧道最小工作凈距，減小相互影響。

（4）應加強施工專項方案設計，采取人工挖孔、孔位復測、信息化施工、施工荷載限載、部門協調等方式，確保既有隧道結構和新建橋梁結構安全。

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