天津市软土地层地铁盾构区间下穿施工对京沪高铁南仓特大桥影响的数值分析

毕景佩, 易领兵, 杜明芳, 刘胜欢, 李帅兵, 朱亮亮

(1.郑州地铁集团有限公司，郑州 450000；2.中交铁道设计研究总院有限公司，北京 100120； 3.河南工业大学土木建筑学院，郑州 450001；4.苏交科集团股份有限公司，南京 210017)

地铁区间建设在城市核心区域不可避免地要下穿桥桩、房屋、河流、铁路等，周边环境愈来愈复杂化。文献[1]通过收集盾构与桥桩不同间距工况下桥桩的变形数据研究了盾构隧道与桥桩距离对桥梁的影响。文献[2-3]研究西安市黄土地区这种复杂特殊地区浅埋盾构施工和交叉中隔墙法(CRD)法和台阶法施工对临近桩基的影响。文献[4-5]研究了在不降水工况下盾构隧道下穿河流施工对桥桩的影响。文献[6]以天津某位于基坑中部的地铁工程为例，研究了基坑施工对地铁车站主体结构的影响。文献[7-8]研究了佛山地区地铁区间盾构施工对地表和邻近高速桥的影响。文献[9]研究了郑州地区地铁盾构区间在黄河冲积平原地层中施工对临近郑西高铁特大桥的影响。文献[10]对盾构地铁区间穿越城市大型立交桥进行了设计优化研究。文献[11-13]对地铁盾构隧道近距离穿越城市桥梁和支环路进行了研究。文献[14]研究了浅埋地铁区间施工对临近桥桩的影响。文献[15]研究了地铁暗挖隧道下穿高铁对高铁桥的影响。文献[16]研究了地铁暗挖穿越群桩施工过程中对桥桩的影响。

对下穿京沪高铁南仓特大桥段区间盾构隧道进行设计，并用迈达斯岩土和隧道分析系统(Midas/geotechnical and tunnel analysis system，Midas/GTS)有限元软件对大断面盾构区间下穿施工进行有限元分析。研究了大断面盾构区间下穿京沪高铁南仓特大桥施工过程中桥面、桥墩、承台及桥桩位移变化规律特征；总结了大断面盾构区间侧穿桥桩施工过程中桥桩附加应力变化规律。

1 工程概况

天津地铁7号线外院附中站—榆关道站区间(右DK34+812.118—右DK35+884.255;左DK34+812.118—左DK35+884.255)，右线区间全长1 072.137 m，左线区间全长1 082.238 m。线路整体呈南北走向。区间最小半径R=400 m，最大纵坡为25‰。

区间隧道左线自京沪高铁南仓特大桥58～59号桥墩间下穿，右线自56～57号桥墩间下穿, 隧道与桥桩水平最小净距为7.850 m，隧道覆土厚度为10 m。

56号桥墩为32 m简支箱梁引桥桥墩，下部为承台+桩基础，承台尺寸7.5 m×10.4 m×2 m(厚)，承台埋深约1 m，,承台下部为12根φ1 000 mm桩基础，桩长46 m。

57号桥墩为80 m连续梁主桥的边墩，下部为承台+桩基础，承台尺寸为9.1 m×12.5 m×3 m(厚)，承台埋深约2.5 m，承台下部为12根φ1 200 mm桩基础，桩长53 m。

58、59号桥墩为80 m连续梁主桥的主墩，桥墩采用圆端形实体墩，下部为承台+桩基础，承台尺寸为14.6 m×14.6 m×3.5 m(厚),承台下部为16根φ1 500 mm桩基础，桩长71 m，其中58号桥墩承台埋深7.5 m, 59号桥墩承台埋深3 m。

本场地地下水位埋深24.5 m，盾构区间主体结构底板埋深19.767 m，盾构区间主体结构未进入地下水。

京沪线铁路与盾构区间的平剖面位置关系如图1和图2所示。

2 盾构隧道施工数值分析

针对天津地铁7号线盾构区间侧穿京沪高铁南仓特大桥施工，根据设计及地质资料，采用Midas/GTS有限元分析软件，建立三维数值模型进行不同工况下盾构施工对京沪高铁南仓特大桥的影响分析。在考虑到本工程盾构施工步序较复杂且在节约篇幅的基础上选取盾构施工步序中有代表性的以下8个工况：

(1)初始地应力分析。

(2)桥梁施工完成后的地应力分析。

(3)右线隧道接近南京沪高铁特大桥。

(4)右线隧道穿过南京沪高铁特大桥。

(5)右线全部开挖完成。

(6)左线隧道接近南京沪高铁特大桥。

(7)左线隧道穿过南京沪高铁特大桥。

(8)左线隧道全部开挖完成。

土体、桥桩及盾构材料参数如表1所示，模型如图3所示。

3 盾构施工数值计算结果分析

3.1 土层位移分析

土层位移计算结果如图4和图5所示。

当右线盾构隧道贯通时，地层最大竖向沉降约为15.296 6 mm，发生位置位于盾构隧道正上方；最大竖向隆起约为10.708 7 mm，发生位置位于盾构隧道底部。当双线盾构隧道贯通时，地层最大竖向沉降约为15.257 6 mm，发生位置位于右线盾构隧道正上方，最大竖向隆起约为10.815 3 mm，发生位置位于左线盾构隧道底部。

图1 京沪高铁天津南仓特大桥与盾构隧道平面位置关系图Fig.1 Plane position relation map of Tianjin Nancang Bridge and shield tunnel on Beijing-Shanghai high-speed railway

图2 京沪高铁天津南仓特大桥与盾构隧道剖面位置关系图Fig.2 Profile location relation map of Tianjin Nancang super-large bridge and shield tunnel on Beijing-Shanghai high-speed railway

表1 材料参数

图3 三维整体模型Fig.3 3D integral model

图4 右线贯通后土层竖向位移云图Fig.4 Vertical displacement map of soil layer after right line penetration

图5 双线隧道开挖完成后土层竖向位移云图Fig.5 Vertical displacement map of soil layer after completion of double track tunnel excavation

3.2 桥面变形分析

为节约篇幅，仅列出阶段3、阶段4、阶段6及阶段7工况位移图，如图6～图9所示。

图6 阶段3桥面竖向位移Fig.6 Stage 3 vertical displacement of bridge surface

图7 阶段4桥面竖向位移Fig.7 Stage 4 vertical displacement of bridge surface

图8 阶段6桥面竖向位移Fig.8 Stage 6 vertical displacement of bridge surface

图9 阶段7桥面竖向位移Fig.9 Stage 7 vertical displacement of bridge surface

右线靠近时，桥面的沉降为0.773 3 mm，在右线隧道通过京沪高铁天津南仓特大桥时，桥面的最大沉降达到0.129 5 mm。继续施工左线隧道，在左线盾构靠近京沪高铁天津南仓特大桥时，桥面的沉降为0.218 9 mm，左线通过时，桥面的最大沉降达到0.240 2 mm。

右线盾构靠近大桥桥面沉降达到0.773 3 mm，而后3个阶段值降低，分析原因可能是盾构刚开始施工扰动周边土体，土体原有稳定状态被破坏，而后随着施工继续，土体达到新的稳定状态，造成以上结果。左线盾构通过后桥面沉降较右线通过后减小0.240 2 mm，左线盾构隧道的施工引起桥面沉降减小比例为46.09%。分析原因可能是隧道底部土体的隆起引起管片的变形，导致周围部分区域土体及桥台稍微向上隆起，从而桥面沉降减小。

3.3 桥墩沉降分析

最不利工况位移如图10～图13所示。

图10 阶段3桥墩竖向位移Fig.10 Stage 3 vertical displacement of bridge pier

图11 阶段4桥墩竖向位移Fig.11 Stage 4 vertical displacement of bridge pier

图12 阶段6桥墩竖向位移Fig.12 Stage 6 vertical displacement of bridge pier

图13 阶段7桥墩竖向位移Fig.13 Stage 7 vertical displacement of bridge pier

地铁区间隧道施工过程中，在右线盾构靠近京沪高铁天津南仓特大桥时，桥墩的沉降为0.953 7 mm，右线通过时，桥墩的最大沉降达到0.837 4 mm。继续施工左线隧道，在左线盾构靠近京沪高铁天津南仓特大桥时，桥墩的沉降为0.458 0 mm，在左线隧道通过京沪高铁天津南仓特大桥时，桥墩的最大沉降达到0.462 6 mm。施工右线时桥墩沉降较左线大，且最大沉降发生位置均在右线最近桥墩处，分析原因右线距桥墩最近距离为7.8 m，而左线距桥墩最近距离为17.5 m。右线较左线距桥墩距离减少9.7 m。

3.4 承台沉降变形分析

为节约篇幅，仅列出阶段3、阶段4、阶段6及阶段7工况位移，如图14～图17所示。

图14 阶段3桥承台竖向位移Fig.14 Stage 3 vertical displacement of bridge abutment

图15 阶段4桥承台竖向位移Fig.15 Stage 4 vertical displacement of bridge abutment

图16 阶段6桥承台竖向位移Fig.16 Stage 6 vertical displacement of bridge abutment

图17 阶段7桥承台竖向位移Fig.17 Stage 7 the vertical displacement of bridge abutment

地铁区间隧道施工过程中，京沪高铁天津南仓特大桥承台的沉降逐渐增加，在右线盾构靠近京沪高铁天津南仓特大桥时，承台的沉降为1.064 8 mm，在右线隧道通过京沪高铁天津南仓特大桥时，承台的最大沉降达到1.840 7 mm。继续施工左线隧道，左线靠近时，承台的沉降为1.637 4 mm，左线通过时，承台的最大沉降达到1.642 7 mm。分析以上数据可以看出，距离右线最近承台沉降数值最大，分析原因右线距桥墩最近距离7.8 m，而左线距桥墩最近距离为17.5 m。右线较左线距桥墩距离减少9.7 m。

3.5 桥桩沉降分析

为节约篇幅，仅列出阶段3、阶段4、阶段6及阶段7工况位移，如图18～图21所示。

图18 阶段3桥桩竖向位移Fig.18 Stage 3 vertical displacement of bridge pile

图19 阶段4桥桩竖向位移Fig.19 Stage 4 vertical displacement of bridge pile

图20 阶段6桥桩竖向位移Fig.20 Stage 6 vertical displacement of bridge pile

图21 阶段7桥桩竖向位移Fig.21 Stage 7 vertical displacement of bridge pile

右线靠近时，桥桩的沉降为1.091 6 mm，右线通过时，桥桩的最大沉降达到1.584 3 mm。继续施工左线隧道，在左线盾构靠近京沪高铁天津南仓特大桥时，桥桩的沉降为1.297 3 mm，左线通过时，桥桩的最大沉降达到1.303 8 mm。分析以上数据可以看出，距离右线最近桥桩沉降数值最大，分析原因右线距桥墩最近距离7.8 m，而左线距桥墩最近距离为17.5 m。右线较左线距桥墩距离减少9.7 m。

3.6 桥桩水平位移分析

为节约篇幅，仅列出阶段3、阶段4、阶段6及阶段7工况位移，如图22～图25所示。

图22 阶段3桥桩水平位移Fig.22 Stage 3 pile horizontal displacement

图23 阶段4桥桩水平位移Fig.23 Stage 4 horizontal displacement of bridge pile

图24 阶段6桥桩水平位移Fig.24 Stage 6 horizontal displacement of bridge pile

图25 阶段7桥桩水平位移Fig.25 Stage 7 horizontal displacement of bridge pile

右线靠近时，桥桩的水平位移为0.091 5 mm，在右线隧道通过京沪高铁天津南仓特大桥时，桥桩的水平位移达到0.467 1 mm。继续施工左线隧道，在左线盾构靠近京沪高铁天津南仓特大桥时，桥桩的水平位移为0.403 0 mm，在左线隧道通过京沪高铁天津南仓特大桥时，桥桩的水平位移达到0.367 1 mm。分析以上数据可以看出，距离右线最近桥桩水平位移数值最大，分析原因右线距桥墩最近距离为7.8 m，而左线距桥墩最近距离为17.5 m。右线较左线距桥墩距离减少9.7 m。

3.7 桥桩应力分析

为节约篇幅，仅列出阶段3、阶段4、阶段6及阶段7工况弯矩，如图26～图29所示。

图26 阶段3桥桩附加弯矩Fig.26 Stage 3 horizontal displacement of bridge pile

图27 阶段4桥桩附加弯矩Fig.27 Stage 4 horizontal displacement of bridge pile

图28 阶段6桥桩附加弯矩Fig.28 Stage 6 horizontal displacement of bridge pile

图29 阶段7桥桩附加弯矩Fig.29 Stage 7 horizontal displacement of bridge pile

由以上桥桩的弯矩图可以看出，地铁盾构区间隧道施工过程中，京沪高铁天津南仓特大桥桥桩的附加弯矩逐渐增加，在右线盾构靠近京沪高铁天津南仓特大桥时，桥桩的弯矩为32.987 8 kN·m，在右线隧道通过京沪高铁天津南仓特大桥时，桥桩的最大弯矩达到38.709 5 kN·m。继续施工左线隧道，在左线盾构靠近京沪高铁天津南仓特大桥时，桥桩的弯矩为39.061 0 kN·m，在左线隧道通过京沪高铁天津南仓特大桥时，桥桩的最大弯矩达到38.908 7 kN·m。分析以上数据可以看出，距离右线最近桥桩水平位移数值最大，分析原因右线距桥墩最近距离为7.8 m，而左线距桥墩最近距离为17.5 m。右线较左线距桥墩距离减少9.7 m。

附加弯矩最大值为39.061 0 kN·m，经计算附加弯矩计算配筋面积为201.43 mm2远小于按最小配筋率计算配筋面积3 769.91 mm2，即桥桩附加弯矩对桩身影响不大，不会对其产生破坏影响。

4 结论

研究盾构隧道施工后京沪高铁天津南仓特大桥桥面、桥墩、承台及桥桩的位移和桥桩受力情况，得出以下结论：

(1)盾构隧道施工过程中京沪高铁天津南仓特大桥桥桩附加弯矩较小，不会对桥桩造成破坏。

(2)桥面沉降最大值为0.773 3 mm，承台沉降最大值为1.840 7 mm，桥墩沉降最大值为0.953 7 mm，桥桩沉降最大值为1.584 3 mm，桥桩水平位移最大值为0.467 1 mm，参考《高速铁路设计规范》[17](TB 10621—2014)上述数值均满足控制标准，不会对大桥产生破坏影响。

存在问题：盾构隧道施工过程中注浆加固无法真实模拟，造成模拟结果误差。

进一步研究建议：结合施工过程中监测数据，提取参数进一步分析，与理论分析数据拟合，找出误差，根据理论判断大桥变形趋势。