地铁盾构隧道下穿施工对简支梁桥安全性影响分析

杨丽明,沈宇鹏,汤天笑,王云超

(1.北京市重大项目建设指挥部办公室,北京 100029； 2.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044)

盾构法隧道施工技术在城市施工建设中有着不可替代的作用，其高度智能、方便快捷、安全性高、地层适用性广等特点使此技术得到充分推广，逐渐成为城市施工建设工程中常用的施工方法[1]。虽然盾构法成就显著，但在开挖过程中，盾构隧道施工会对地层结构产生一定程度的破坏，如扰动，这种扰动会破坏盾构周围现有环境，如何将破坏程度降到最低具有重要的工程意义。由于土体挖除、管片和二衬的设置等原因，周围土体的初始状态必然会受到盾构施工的影响，使土体离开原位置，引起桥梁整体结构的沉降不均匀，改变桥梁的结构受力情况。同时过大的沉降会对盾构隧道施工的安全和桥梁的正常使用造成影响[2]，产生较大的安全隐患，而这种工况目前研究较少。

结合盾构机工作原理，Peck R B[3]、Mair R J[4]等 发现盾构施工过程中土体位移是一个三维问题；方勇等[5，6]研究了在地铁施工中，盾构机在推进过程中对周围桩基的影响，得出从盾构机前方一个隧道外径处到盾构机后方两个隧道外径处，是地表沉降的产生范围；毛远凤[7]等分析盾构隧道左右线施工步骤和方法，得出盾构隧道施工对路面沉降变形有显著的影响；李永利等[8]以成都地铁1号线为背景模拟出桥梁向隧道开挖一侧产生变形，水平变形较小，竖向变形较大；夏炜洋等[9]针对考虑耦合效应和只考虑水压力工况研究盾构施工对桥梁的影响；王炳军[10]利用数值仿真试验，从变形和内力方面研究了近邻桩基在盾构法施工所受影响；张志强等[11]从力学方面模拟了近接高架桩基在隧道动态施工中所受的影响；许世伟等[12]分析了邻近地铁盾构施工的市政桥梁在施工过程中所受的影响；朱逢斌等[13]分析了临近地铁盾构施工的桩基在施工过程中所受的影响。

综上所述，目前研究主要针对盾构对基础桩承载能力的影响方面，而对简支梁这种结构形式的研究较少。

北皇木厂桥位于通燕高速施工段中，地铁6号线下穿此桥，以此为背景，采用Midas/GTS软件对此下穿结构进行建模计算，研究桥梁基础的沉降变形在地铁盾构施工中所受的影响，为以后处理类似工程问题提供参考。

本文提出墩台均匀总沉降量、横向位移、相邻墩台的纵向、横向沉降差4个桥梁稳定性指标，对掉梁灾害提出预警值，并提出合理的盾构施工参数。

1 工程概况

1.1 地铁与桥梁的相互关系

北京地铁6号线二期工程西起草房站后折返线，东到东小营站，线路全长12.1 km。通燕高速公路位于地铁6号线物资学院站到北关站区间，交通量较大。地铁6号线穿越通燕高速位置为K1+036.06～K1+118.39。区间右线长度约2 362.4 m。区间线路平面位置见图1。本文着眼于盾构法隧道施工下穿简支梁桥时所引起的桥梁竖向和横向位移变化规律，并不重点研究挡土墙的变形变化特征。

图1 穿越工程平面示意

工程采用削土密封式盾构法施工，利用边掘进边注浆的方式来维护地表稳定，隧道左线完成后再施工右线，选用C50混凝土作为隧道顶部和两侧的衬砌混凝土，开挖掘进时隧道外径采用6 m，内径采用5.2 m。

盾构隧道以80°角下穿北皇木厂简支梁桥，右偏角60°，轨顶高程为0.01～0.15 m，地面高程约为25 m，盾构覆土厚度约为24 m，线间距12～15 m，地铁埋深为32.2 m，距桩基最近距离为3.55 m。桥梁全长123.1 m，桥面总宽25.2 m，包括东西桥洞和铺设在桥间的路基。桥梁上部结构为2×18 m钢筋混凝土T梁，为结构简支、桥面连续体系(图2)。

图2 地铁6号线盾构下穿通燕高速北皇木厂桥横断面示意(单位：cm)

1.2 工程地质条件

工点涉及地层为：隧道顶板的主要土层构成为粉土，稳定性在隧道各结构中最差；洞身侧壁主要土层构成为黏土和细中砂，稳定性相对于隧道顶板较好，且具有较好的力学性能，底板地层主要土层构成为细砂，稳定性良好；底板地层以下各层不易受到扰动，压缩性能好，承载能力强，可视为有良好力学性能的承载地基。地层参数如表1所示。

表1 地层参数及模型材料的物理力学参数

2 施工监测控制标准

在下穿工程施工前，应对简支桥梁进行检测，包括外观检测和雷达检测，检测范围包括桥梁墩台、伸缩缝、T梁及特殊构件等，以评定桥梁等级[14]及安全性和耐久性是否符合要求。检测完成后，得出结果，结合技术状况评定标准的要求，北皇木厂桥为2类，桥体仅有对桥梁使用无影响的轻微损伤[15]。

3 盾构下穿简支梁桥的安全性分析

3.1 模型简化

由于计算方面的需要，盾构掘进步长取9 m。盾构机在模拟过程中看成刚体。在模拟盾构隧道推进过程中，将盾壳属性赋给数值模型中的单元[16]。

盾构掘进过程采用三阶段法[17]逐段掘进进行模拟，整个模型分成13段进行施工，盾构推进时采用三阶段法向前推进，直至施工完成。

3.2 模型建立

采用Midas/GTS软件对此下穿结构进行建模计算。GTS分析速度快，计算分析处理功能强大，在岩土和隧道领域得到了广泛的应用。模型长取150 m，宽取80 m，高取40 m，衬砌厚度和内径总和D取6.2 m(D为洞径)，在定义模型左右边界和下边界与隧道外侧距离时，保证第一个距离大于3D，第二个距离大于4D。模型如图3所示。在此模型中，法向约束施加于除地面外的其他面，地面设置为自由面。固态注浆体、盾构钢壳、管片设置为线弹性材料[18]，模型材料的力学参数如表1所示；松动土层模拟开挖过程土层扰动，厚度0.5 m。

图3 下穿结构总体模型及各单元编号示意

如图4所示，左右两侧在推进过程中被平均分成13段，模拟过程采用三阶段法，依次施工左右线并循环，完成施工过程。

图4 左右两线隧道盾构推进过程模型

4 结果分析及施工监控建议

为分析模型中盾构机向前推进时简支梁桥沉降变形特性，在纵向上选取左线隧道左侧、右线隧道右侧西0～东0桥台均匀总沉降量、相邻墩台的沉降差和同一墩台南、北两侧沉降差变形来分析；在横向上选取桥墩、桥台水平位移曲线分析本工程模拟过程中左右线的沉降及位移。各单元编号如图3所示。

4.1 先后施工左右线过程中墩台的竖向位移

图5为地铁隧道盾构先左线后右线推进过程中桥墩的竖向位移图。由图5可知：(1)盾构机在左线推进过程中，最大竖向沉降出现在推进结束时；东2号-中间桥墩沉降量最大，为4.3 mm；而西0桥台、西1桥墩、西2桥墩、东1桥墩、东0桥台最大沉降量分别为0.6、1.6、3.1、3.6、1.8 mm；(2)右线施工各墩台竖向位移的最大值出现在最后施工步(第32施工步)，纵向东2号-中间桥墩沉降量依然最大，为6.7 mm；纵向西0桥台、西1桥墩、西2桥墩、东1桥墩、东0桥台最大沉降值分别为0.8、2.8、5.1、5.6、3.7 mm。

图5 施工过程中墩台沉降

从曲线中还可以看出：左右线施工过程中桥台、桥墩沉降量逐渐增大，盾构施工早期竖向位移的变化速率比较大，后期的竖向沉降变化速率逐渐减小；墩台竖向沉降量随离盾构距离的增大而增大；盾构机在左线推进时，桥墩下沉量较大，盾构机在右线推进时，桥墩下沉量较小。

图6为地铁盾构先左线后右线推进过程中同一桥墩横向沉降差值规律图，从图中可以看出：同一位置处桥墩南北向沉降差最大值出现在施工右线开始掘进时(第18施工步)；西2中间-南侧墩、西2中间-北侧墩南北侧沉降差值最大，为1.4 mm；而西1中间-南侧墩最大横向沉降差为0.7 mm；西1中间-北侧墩最大横向沉降差为0.7 mm；东2中间-南侧墩最大横向沉降差为0.3 mm；东2中间-北侧墩最大横向沉降差为0.7 mm；东1中间-南侧墩最大横向沉降差为0.6 mm；东1中间-北侧墩最大横向沉降差为1.0 mm。

图6 先后施工左右线过程中桥墩变形的横向沉降差

曲线还反映了一些规律：在开挖左线过程中，距离盾构最远的西1中间-北侧墩横向沉降差为0，并在右线开挖过程中，横向沉降差增大；东1中间-南、东1中间-北侧；西1中间-南、西1中间-北侧横向沉降差变化幅度比较大。说明盾构开挖时，开挖位置与墩台的距离对墩台的横向沉降差有较大影响。

图7为先左线后右线施工过程中相邻墩台横向沉降差规律。由图7可知：(1)各相邻墩台沉降差在左线施工时的最大值出现在最后施工步(第16施工步)，东1-东0桥台相邻沉降差值最大，为1.8 mm；而西0-西1桥台、西1-西2桥墩、西2-东2桥墩、东2-东1桥墩的最大沉降差分别为：1.0、1.5、1.4、0.7 mm。(2)盾构机在右线推进过程中，相邻墩台最大沉降差出现在推进结束时，西0-西1桥台、西1-西2桥墩、西2-东2桥墩沉降差值最大，为2 mm；而东2-东1桥墩、东1-东0桥台的最大沉降差分别为：1.1、1.9 mm。

图7 先后施工左右线过程中相邻墩台沉降差

曲线还反映了一些规律：盾构施工左右线过程中墩台相邻沉降差整体呈现增大趋势；相邻墩台沉降差值变化不大，因此，纵向上，墩台差异沉降不大。

4.2 先后施工左右线过程中墩台的横向位移

图8为先左线后右线施工过程中墩台水平位移规律。从图8可以看出：(1)盾构机在左线推进过程中，最大水平位移在推进结束时出现，西2、东2桥墩水平位移最大，为1.6 mm；而西0、西1、东1、东0墩台最大水平位移分别为：0.5、1、0.7、0.4 mm。(2)右线施工各墩台最大水平位移出现在最后施工步(第32施工步)，东2桥墩水平位移最大，为2.8 mm；而西0、西1、西2、东1、东0墩台最大水平位移分别为：0.9、1.6、2.5、1.3、0.5 mm。

图8 先后施工左右线过程中墩台水平位移

曲线还反映了一些规律：盾构施工过程中桥台、桥墩的水平位移逐渐增大；距离盾构越近，墩台水平位移越大。

综上所述：桥墩的竖向沉降变形较大，纵向和水平方向位移相对较小。当桥墩部位距离盾构通过位置近时，墩台变形速度较大，变形量大，当桥墩部位距离盾构通过位置远时，墩台变形速度和变形量相对较小。说明墩台和盾构开挖位置之间的距离直接关系到盾构开挖对墩台的影响。在开挖过程中，相邻桥墩的沉降差较小，沉降速度接近，不容易产生较大的不均匀沉降，说明盾构机掘进不会引起桥面产生大的沉降。

4.3 结论对比

文献[19]得出地铁盾构施工引起路基挡墙竖向变形的大小与挡墙距离盾构隧道的直线距离呈负相关，这与本文得出的桥梁墩台和盾构开挖位置之间的距离对桥梁墩台的影响类似；毛远凤等[7]分析出地铁盾构左右线施工过程中，后施工右线过程中产生的路面沉降比施工左线过程中产生的要小，这与本文中得出的墩台竖向沉降数据趋势相同；韩秋石[20]论证出盾构隧道下穿施工引起的既有桥梁桩基础附加变形以沉降为主，水平向位移相对较小，这与本文得出的桥墩在竖向、纵向和水平方向位移的结论类似。由此可得，本文结论是正确的，具有一定的指导意义。

4.4 墩台变形最值及监控建议

表2为盾构机在先左线后右线推进过程中桥梁墩台沉降最值。由表2可知：在地铁6号线下穿通燕高速公路北皇木厂桥工程模拟施工过程中，墩台均匀总沉降量最大为6.8 mm，发生在施工结束时；相邻墩台的最大沉降差产生在右线开挖结束时，为2 mm，满足规范要求。

表2 盾构推进过程中墩台沉降最值变化

同一位置处墩台横向沉降差产生于西2中间-南侧墩台和西2中间-北侧墩在右线第20步开挖掘进时，为1.4 mm；墩台的水平位移发生在东2桥墩在右线第32步开挖时，为2.8 mm，因此实际施工过程中，应加强右线施工过程中西2、东2桥墩的监测。

因此地铁盾构施工过程中，应加强监测控制，改善监测技术和监测方法，得到全面及时的监测信息，以便对施工参数做出调整。左右线施工过程中靠近盾构方向的桥墩由于受盾构施工的影响明显，沉降量大，速度快，是施工过程中应重点监控的地方，应对其监控力度进行加强；尤其是盾构机通过时应增加监测次数，控制土层及桥梁结构的沉降，发现问题，及时对施工参数做出调整。

5 结论

(1)在隧道左右线开挖过程中，墩台的竖向沉降大于横向位移。靠近盾构通过位置的桥墩部位，墩台沉降速度较大，沉降量大。

(2)在开挖过程中，相邻桥墩的沉降差较小，不容易产生较大的不均匀沉降。盾构机掘进不会对桥面产生大的沉降。

(3)现有规范无相邻墩台横向沉降差的判定，本文可为规范编订其容许变形值提供理论依据。

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