浅埋暗挖法地铁隧道近距离下穿桥梁的数值模拟分析与设计

刘猛

摘 要：针对浅埋暗挖法施工的地铁隧道近距离下穿简支桥梁施工工况进行数值模拟分析，根据分析结果结合浅埋暗挖法理论，将结果用于细化和优化工法设计并指导施工。

关键词：地铁隧道 浅埋暗挖 下穿桥梁 数值模拟

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（c）-0068-03

由于轨道交通线路走向基本处于城区范围，沿线通常建筑林立、交通繁忙、市政管线繁多，对地铁区间隧道的设计和施工将带来很大困难。本文通过对大连地铁2号线某浅埋暗挖法[1]区间临近下穿扩大基础简支梁桥—湾家桥的模拟分析、设计及成功施工的介绍，望对后期软弱岩层内类工法的项目实施提供有益的借鉴性参考。

1 工程概况

1.1 隧道与湾家桥关系

本区间为浅埋暗挖法施工的单洞单线隧道，左右线隧道水平净距6.5 m，隧道埋深8～10 m。隧道斜穿湾家桥区段影响长度约68 m。湾家桥桥面宽20.5 m，为3×18.0 m简支板桥，桥梁墩台为圬工结构，扩大基础坐落于强风化石英岩夹板岩地层。区间隧道自东向西依次下穿湾家桥4个桥墩，其中1号桥墩为最不利桥墩，桥墩底距隧道拱顶3.5～4.9 m不等。区间隧道与桥梁关系如图1、图2所示。

1.2 穿桥段地质、水文概况

（1）地质概况。

区间穿桥段地面至拱顶主要为素填土、卵石、中风化石英岩、中风化石英岩夹板岩。边墙主要为强风化板岩、强风化石英岩夹板岩地层。各地层性质描述如下，区间所处地层情况详见图1。

①1素填土：黄褐色，主要成分为碎石、粘性土。

②3卵石：呈亚圆形，粒径20～200 mm不等，含量占60～70%左右，粘性土和砂砾石充填粒间孔隙，局部漂石，稍密-中密状态。卵石层为强透水层，渗透系数K=100 m/d。

③2强风化石英岩夹板岩：岩芯多呈碎块状，碎片状，碎块用手可折断遇水易软化。强风化石英岩夹板岩具中等透水性，渗透系数K=10.0 m/d。

④3中风化石英岩夹板岩：岩芯呈块状、短柱状，岩体破碎，岩体基本质量等级V级。中风化石英岩夹板岩具中等透水性，渗透系数K=4.0 m/d。

（2）地下水概况。

湾家桥下方马栏河于场区自北向南穿过，丰水期河水上涨。场区地下水类型主要是土层孔隙水及基岩裂隙水，土层孔隙水主要赋存于素填土及卵石中，为主要含水层，透水性较好，水量丰富；基岩裂隙发育，裂隙水主要赋存于强风化和中风化岩中，水量一般。

2 工况数值模拟分析

2.1 计算模型

选取最不利的1号墩台进行计算模拟。土体采用平面应变CPE8R单元模拟，衬砌采用二次梁单元B22模拟。模型共40787个节点，127个B22单元，13422个CPE8R单元。桥梁荷载等效为墩底范围内的均布荷载，取为60kPa。土体两侧竖直边界约束水平位移，底部约束水平和竖向位移。有限元计算网格、荷载及边界条件（见图3）。土体均采用Mohr Coulomb模型模拟，岩体、衬砌和桥梁承台采用线弹性模型模拟。计算时，先平衡土体的自重应力，得到初始应力场，然后模拟隧道的开挖和支护过程。

2.2 计算结果

经模拟计算，得到区间隧道施工对地层及桥梁墩台的影响结果（见图4、图5）。

从图中可以看出，土体和承台的沉降及衬砌变形较小，都在限值范围之内。具体数值为：

（1）地表沉降约13 mm。（2）承台基础沉降约10.6 mm。（3）初支变形约11.2 mm。

考虑湾家桥的实际使用情况，并依据根据《公路桥涵地基与基础设计规范》[4]，在设置合理的开挖技术措施后，桥梁基础整体倾斜应小于0.2%，考虑桥梁在施工过程及工后沉降过程中可能已产生了一定的整体倾斜，区间隧道施工过程中建筑物的倾斜按0.1%控制。在施工过程中，河道地表沉降按10 mm控制。

根据以上分析，在考虑各项施工措施后由隧道开挖引起的桥梁变形数值均在容许范围之内。同时根据计算结构对墩台变形较大的沉降趋势进行针对性加强，以最大限度减小区间下穿期间对桥梁的影响。

3 风险点及不利因素与其设计应对措施

3.1 风险点及不利因素

（1）区间下穿桥梁区段拱部地层局部有卵石分布，地下水丰富，开挖易形成涌水、塌方。

（2）区间隧道拱顶至桥梁墩台底部距离过近，尤其以1号墩台仅3.5 m；桥梁墩台为圬工结构，对地基变形敏感。

（3）下穿桥梁区段位于300 m小半径曲线范围，开挖施工轴线调整频繁对施工控制不利。

（4）桥面交通量大，尤其夜间多有渣土运输等重载车辆通行。

3.2 主要设计应对措施

（1）首先对拱顶3 m范围卵石层进行洞内深孔注浆预注浆加固，形成有效拱顶棚护加固体同时有效止水。

（2）两条隧道开挖应拉开距离，掌子面前后间距不小于20 m。对前方地层进行地质超前探孔，沿拱顶150°均布3～5个超前探孔，孔深4 m，打设角度斜向上30°。

（3）隧道开挖采用超前注浆小导管进行超前支护，初期支护采用300 mm厚C25喷射混凝土，格栅钢架间距0.5 m，小导管长2.5 m，环纵间距0.3 m×1.0 m）。

（4）施工本段区域时采用人工开挖或机械开挖。做好与相关单位协调工作，并在隧道施工阶段对湾家桥实行交通流向控制。

（5）施工采用超短台阶开挖（台阶步距3 m），初支快速封闭成环，上台阶开挖需留设核心土。

（6）施工前应对湾家桥进行评估，并由相关单位明确其允许变形值及沉降值等指标。

4 隧道下穿桥基施工

施工前组织了相关专家会同桥梁权属部门对桥梁进行评估，桥梁现状结构情况较好，桥梁变形限值如下：绝对沉降值<10 mm，横向差异值<5 mm，同跨相邻墩台间纵向差异沉降<15 mm。施工方在隧道施工前根据评估结论以及设计方案进行了细致的专项施组、应急预案的编制并制定了专项量测方案。

4.1 监测专项方案

（1）洞内及洞外巡视：观察地层及其稳定情况，观察已施工地段支护结构的情况，观察已施工地段地表和桥梁结构状况。

（2）地表沉降监测：隧道上部地面布设水准观测点，定期量测地表变化情况。

（3）湾家桥上部结构及墩台基础的沉降及倾斜监测。

（4）初支拱顶沉降监测、初支侧墙净空收敛监测。

根据前述变评审限值作为预警值，同时施工安全判别标准，其指导性安全判别标准如下：（F=实测值/控制值）：F<0.7：安全；0.7≤F<0.85：黄色预警；0.85≤F<1：橙色预警；F≥1：红色预警。根据预警级别制定针对性应对措施。

4.2 应急预案

在进行工程施工时，制定并严格落实各项防塌限沉措施，同时施工掌子面储备好各种抢险物资。在发生施工掌子面突发性塌方时立即启动抢险预案，采取下列措施：

（1）立即使用抢险物资对塌方处进行封闭回填和加固处理。同时把有关信息上报各参建单位联合采取必要的抢险措施，加强对湾家桥的检查和量测工作。

（2）组织专家讨论分析造成掌子面突发性塌方的原因和相应的控制措施。

（3）根据确定的控制措施重新制定或调整施工工艺和施工组织，进行施工交底，严格落实各项措施再进行开挖施工。

（4）、桥下准备好临时支顶圆木、型钢及千斤顶等材料，确保桥梁上部结构无结构性破坏。

4.3 施工过程监测情况

经对施工、监测等各项措施的保证，两条隧道先后安全穿越桥梁，桥梁施工过程对1号墩台监测变形终值（见图6）。

根据隧道施工期间的监测情况，通过地层处理以及加强支护措施后，桥梁墩台变形绝对值最大为5.6 mm<10 mm，墩台倾斜值为0.089%<0.1%，最大差异沉降3.2 mm<5 mm。可见，均未超过分析结果以及专家评估数值，验证了设计、施工方案的安全性。

5 结论与建议

通过本区间隧道下穿桥梁的安全实施，首先验证了模型分析对结构施工变形趋势及数值的合理预测，在此基础上加强制定的针对性施工措施以及施工过程中严格按照设计方案以及落实信息化施工的原则，最终该工程顺利、安全实施完成。通过此施工实例，得到如下结论：

（1）对复杂岩层内隧道施工采用合理的模型分析，可以就各施工工况对地层、结构的影响进行针对性分析，可具体得到施工影响结果并据此采取针对性技术措施。

（2）基础位于相对整体性较好的岩层时，对下方超过2.5 m埋深的结构荷载基本成均布形式。

（3）浅埋暗挖法下穿基础时采用较强的超前支护及初期支护措施，并严格按照超短台阶进行开挖同时留设核心土，并确保初支结构的及时封闭，可对上部结构影响可减小到最低。

参考文献

[1] 王梦恕.北京地铁浅埋暗挖法施工[J]. 岩石力学与工程学报，1989，8：52-62.

[2] 陈龙，黄宏伟.岩石隧道工程风险浅析[J].岩石力学与工程学报，2005，24（1）：110-115.

[3] 张庆民，彭峰.地下工程注浆技术[M]. 北京：地质出版社，2008.

[4] JTGD63-2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].