盾构隧道下穿市政桥梁的施工影响数值分析

傅雅莉

(广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州∥工程师)

地铁建设过程中对城市已有建构筑物的影响，尤其是隧道掘进过程中对周边重要建构筑物的影响，为各方所关注和重视。如何预先判断此种影响，将是决定工程成败的关键因素之一。本文以南昌市轨道交通1号线下穿彭家桥(拱桥)为例，采用数值分析方法对盾构隧道下穿拱桥产生的影响进行预判，从而为施工措施的采用提供科学依据。

1 工程概况

1.1 彭家桥概况

南昌市轨道交通1号线彭家桥站—师大南路站盾构区间在里程XK18+097.923～XK18+036.373段下穿玉带河南侧。玉带河由南向北，河宽50 m左右，河床标高14.85 m，水深约1.5 m。

彭家桥位于南昌市北京西路，跨越玉带河，处于市中心地段，是南昌市主要干道之一。其上部构造由2跨12 m钢筋混凝土板拱及红岩石材料砌筑而成的实腹式拱桥组成，石拱桥与钢筋混凝土板拱设有分隔带;下部构造板拱桥为钢筋混凝土墩台，石拱桥为浆砌块石墩台(见图1)。该桥分两期建成，前期石拱桥建于20世纪50年代末期，后期钢筋混凝土板拱桥建成于21世纪初期，是石拱桥两侧的拓宽部分，为独立桥台。

图1 彭家桥实景

拟建南昌市轨道交通1号线师大南路站—彭家桥站区间盾构隧道沿北京西路下穿彭家桥，线路与道路方向基本平行。桥墩基础底面标高为12.2 m，与盾构隧道结构顶部最小间距为4.7 m。盾构隧道与彭家桥平面相对关系示意图见图2，纵横面位置关系见图3及图4。

从拟建隧道与既有彭家桥空间位置关系可知，盾构隧道结构与桥梁基础之间最小间距为4.7 m，属于近接施工，盾构隧道施工对既有桥梁的影响不可忽略。

图2 彭家桥与盾构隧道平面图

1.2 地质条件

盾构在XK18+108.0处开始下穿彭家桥，穿越长度约55.44 m。该处地层从上到下分别为杂填土、粉质黏土、细砂、粗砂、圆砾、卵石、强风化粉砂质泥岩、中风化粉砂质泥岩。

鉴于盾构隧道下穿区域的地质情况，其具有以下工程地质特性:

(1)隧道所处圆砾、砾砂地层均属透水性强的松散砂砾石层，盾构掘进过程中地下水易将细粒组份带出，引起开挖面失稳和地面下沉。

图3 彭家桥与盾构隧道纵面图

图4 彭家桥与盾构隧道横面图

(2)桥梁基础及盾构隧道均处于透水性强地层，其力学性质有明显的触变性和流动性，加之玉带河水头较高，在水动力的作用下可能产生管涌、流砂现象。

综上，下穿玉带河及彭家桥区域围岩稳定性较差，容易坍塌、变形;地层透水性强，在盾构施工中易引起涌水、突水现象，影响施工安全;地层扰动威胁上部既有桥梁运营及结构安全。

2 数值分析

2.1 数值模型

以南昌市轨道交通1号线师大南路站—彭家桥站区间盾构隧道下穿彭家桥为背景，依据现场实际条件，从最不利角度考虑，采用FLAC 3D软件对盾构隧道掘进进行模拟。

根据弹塑性力学圣维南原理，模型范围取3～5倍洞径，故模型尺寸为:横向70 m，竖向顶部取至地表，共35 m，纵向(隧道掘进方向)长60 m。模型中，土层采用实体单元模拟，选用Mohr-Coulomb本构模型;桥梁结构、墩台基础及管片等采用实体单元模拟，选用各向同性弹性本构模型。

模型的边界条件为:横向两边x方向水平约束，纵向y方向水平约束，底部z方向竖向约束，上表面自由。三维模型如图5～7所示。

2.2 计算参数

围岩力学、支护结构等参数均根据现有设计文件、岩土勘察报告及《岩土工程勘察规范》选取。彭家桥老桥为20世纪50年代修建的石拱桥，未能找到设计资料，也未进行相关材料力学参数试验，故参考相关规范及文献资料，石拱桥简化成各向同性的均质材料，材料物理力学参数根据同类工程进行参考取值;新桥为混凝土拱桥，也等效为各向同性材料，参数按相应等级钢筋混凝土取值;老桥和新桥的填料相同。具体计算参数如表1～3所示。

图5 三维计算模型图

图6 盾构隧道与桥梁结构模型图

图7 三维模型网格划分

2.3 计算相关假定

2.3.1 计算荷载

计算中主要考虑恒载和可变荷载。其中，恒载主要为重力荷载;可变荷载则主要考虑既有桥梁上的汽车荷载。

表1 地层参数

表2 地铁区间隧道支护结构计算参数

表3 彭家桥计算参数

由于未收集到彭家桥设计、施工、竣工图纸等相关技术资料，故该桥原设计荷载等级无法确定。根据该桥所处地理位置和道路属性，确定彭家桥石拱桥以CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范》和JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》规定的城市桥梁荷载城－A级进行计算，新桥(混凝土拱桥)以满人群荷载进行计算;盾构下穿期间进行交通管制，故不考虑冲击荷载。该桥荷载标准值如表4所示。

表4 桥梁荷载计算

2.3.2 计算工况

盾构隧道与彭家桥基础底部间距小于1倍洞径，盾构施工对桥梁结构有一定影响。为全面评价盾构隧道施工对彭家桥结构的影响，根据目前掌握的资料和拟采取的方案，彭家桥在盾构隧道下穿施工时，主要考虑以下两种工况:

工况一:彭家桥保持现有运营状态;

工况二:彭家桥石拱桥机动车道封闭，改后期扩建的非机动车道为机动车道。

2.3.3 盾构施工过程动态模拟

计算中对同步注浆加固作适当简化，尽可能真实模拟实际施工过程。具体为采用提高土体力学参数的方法模拟盾尾同步注浆加固效果。

对盾构施工步序进行了精细化模拟。施工工序模拟过程为:首先掌子面施加顶进压力，盾壳支撑上覆土压力，待盾尾脱离后激活管片单元，并在盾尾上部土层表面施加同步注浆压力，下部施加0.5倍的上部注浆压力，上、下行隧道前后错开开挖。

2.4 计算结果及分析

2.4.1 地层变形分析

盾构隧道施工对地层的扰动主要以沉降为主，本文对地层的竖向位移(沉降)进行分析。图8～9分别为工况一、工况二在不同施工阶段的竖向位移云图。

由图8、9可以得到:

(1)盾构隧道施工过程中，地层受扰动影响较大，引起地表不均匀沉降也较大。盾构隧道穿越地层主要为砾沙、圆砾等沙性地层，围岩稳定性差，自稳能力差，易引起地层变形。

(2)沉降量最大区域主要集中在隧道拱顶上方一定区域，工况一和工况二的最大竖向位移分别达58.4 mm和62.5 mm。另外，受桥梁上部荷载作用，桥梁墩台附近区域竖向位移也较大。

(3)工况一与工况二的不同之处仅在于桥梁荷载作用的位置不一样。从两种工况的对比分析可知，桥梁承受荷载对地层位移的影响有限，地层变形主要受盾构隧道施工的影响。

图8 左线施工完成时的竖向位移云图

2.4.2 既有桥梁结构变形分析

既有桥梁主桥为20世纪50年代修建的石拱桥，扩建新桥为混凝土板拱桥。盾构隧道下穿施工引起地层扰动，进而引起桥梁基础结构发生位移。

2.4.2.1 整体变形分析

由桥梁竖向位移云图(图10～11)可以看出，盾构隧道下穿施工对上部既有桥梁的影响不可忽视;桥梁最大竖向位移主要发生在盾构隧道上方一定范围内，工况一和工况二的最大位移值分别约57.4 mm和50.7 mm;桥梁结构在纵向及横向出现不均匀沉降。

2.4.2.2 纵向变形分析

为分析盾构施工引起上部既有桥梁的纵向变形，沿道路轴向(基本与隧道轴向平行)布设5条测线，(见图12)，在横断面上从左至右依次记为C1、C2、C3、C4、C5。其中，C1 和 C5 分别为两边非机动车道的中线，C2～C4依次为隧道左线轴线、主车道中心线和隧道右线轴线。选取左线隧道开挖至桥梁结构中部桥墩正下方位置(Y=30.0 m)进行分析。

图9 右线施工完成时的竖向位移云图

图10 工况一桥梁竖向位移云图

图11 工况二桥梁竖向位移云图

图12 纵向变形测线布置示意图

图13 沿轴向桥梁沉降曲线

图13为沿轴向桥梁沉降曲线，可以得出，盾构隧道施工会引起既有桥梁结构沉降变形:在隧道轴向方向上，盾构隧道施工开挖面前方(1.0～2.0)D(D为盾构隧道外径)范围内桥梁结构变形相对较小;开挖面后方2.0D范围内为主要影响区，桥梁结构发生较大沉降变形;开挖面后方2.0D范围外桥梁结构变形趋于缓和。施工期间，既有桥梁的运营交通荷载对桥梁沉降变形也有一定的影响，全桥运营时(工况一)石拱桥与新桥的沉降差值要大于封闭石拱桥运营时(工况二)石拱桥与新桥的沉降差。

2.4.2.3 横向变形分析

桥梁横向沉降变形主要指垂直于道路轴向的方向上桥梁结构的变形，它影响桥梁上部结构和基础结构的受力及安全。

选取桥梁结构的跨中位置和中部桥墩中线位置进行分析。共有6条测线，分别记为h1、h2、h3、h4、h5、h6。其中，h1～h3分别为混凝土拱桥(隧道靠近侧)、石拱桥和混凝土拱桥跨中位置，h4～h6为中部桥墩中线位置。以隧道左线掘进至桥梁中部位置(Y=30.0 m)为例，将提取结果绘制成图，如图14～15所示。可以看出，盾构隧道施工对上部桥梁结构产生影响，工况二相比工况一的横向变形量要小些。

图14 桥梁横向沉降变形图(工况一)

图15 桥梁横向沉降变形图(工况二)

2.4.3 墩台基础沉降分析

选取石拱桥和混凝土拱桥的桥台和中部桥墩基础底部的特征点进行分析。其中，混凝土拱桥每个部位只选择1个点(中心位置)，而石拱桥选取3个点(两侧各1个，中部1个)。计算得到基础不均匀沉降值及相邻基础沉降差，如表5所示。

从表5可以看出，基础不均匀沉降最大值发生在两侧桥台位置，其值在工况一和工况二时均超过5 mm;相邻基础沉降差的最大值约为32 mm，主要发生在桥墩和桥台之间。

表5 基础沉降计算表 mm

3 结语

由数值分析知，彭家桥桥台基础不均匀沉降最大值为14 mm，发生在两侧桥台位置;相邻基础沉降差最大值为32 mm;最大地表竖向位移约57.4 mm。尽管目前尚无明确的石拱桥变形控制值，但鉴于石拱桥抗压不抗拉，石拱桥的变形控制远比地表沉降控制严格。另外，盾构穿越彭家桥时，即使封闭中间主桥，沉降也很大，施工风险还是很大的。因此，必须对桥梁采取加固措施，并且在施工期间封闭石拱桥，做好监测措施和应急预案，以确保施工和路面交通安全。

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