盾构隧道穿越人行天桥对桥梁安全的影响分析

2020-05-27赵庚群

工程技术研究 2020年5期

赵庚群

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

随着城市建设的加快，地铁的建设也越来越多，新建地铁不可避免地穿越既有桥梁结构桩基、承台等情况不断出现，因此如何采取有效的施工措施来保证隧道开挖的顺利进行和穿越桥台、墩柱的安全是工程中十分关心的问题。文章以新机场线盾构区间隧道穿越某人行天桥墩台结构及桥梁基础的安全影响评估为例，运用数值计算方法，模拟新建区间隧道穿越施工等工序引起人行天桥的变形，以期得到一些有益的规律及结论。

1 工程概况

1.1 新机场线一期工程概况

新机场线一期工程南起新机场北航站楼综合交通中心（远期延伸至南航站楼综合交通中心），北至草桥，线路全长39.05km，共设3座车站，分别为新机场北航站楼站、磁各庄站、草桥站，全部为地下站。全线设一段一场，分别为磁各庄车辆段和新机场北停车场。线路南起北航站楼站，出机场范围后与新机场高速共走廊高架敷设，在京九铁路过京沪京山铁路节点东侧下穿京沪高铁、上跨京山铁路。后沿规划东环路敷设，至规划海鑫北路南侧入地。下穿南六环、海北路，至兴亦路与广平大街交口南侧设磁各庄站与规划M21（R5，原S6）线换乘。后沿广平大街敷设至南五环，穿过五环两侧绿地转向广阳大街，沿广阳大街向北敷设，穿越海子公园后转向京开高速，沿京开高速东侧绿化带向北敷设至线路终点玉泉营桥东南侧设草桥站与M10、M19（R3）换乘。

1.2 人行天桥概况

某人行天桥位于京开高速，跨越京开高速主辅路。天桥设计为东西走向，天桥东侧、西侧均为梯道。

某人行天桥主桥桥面长75m，桥面净宽3.0m。西北梯道跨径组合为（12.4+13.3）m，梯道净宽3.00m，东北坡道跨径组合为（8.3+9.2）m，东南梯道跨径组合为（12.4+13.3）m，梯道净宽3.00m，西南坡道跨径组合为（8.3+9.2）m。上部结构为4跨预应力空心板梁，跨径组合为（15+21+21+15）m；下部结构为混凝土薄壁墩，基础为D120钻孔灌注桩；桥台为钢筋混凝土结构，基础为D120钻孔灌注桩。桥面采用钢筋混凝土铺装，双侧设钢护栏，主桥与梯道间设置TST伸缩缝。

1.3 新建地铁与人行天桥位置关系

新发地站（不含）～草桥站区间线路总长2408.196双线米，为新机场线磁各庄站～草桥站区间（总长约1.2km）的一部分；区间结构底板埋深13.5～29.4m。本段区间以京开某人行天桥以南京开高速东侧的19号线新发地站北端为起点，线路向北沿京开高速东侧绿地敷设，穿越京开某人行天桥桥区，侧穿了110kV、220kV高压塔，下穿马家楼东路、角门路、镇国寺北街后到达玉泉营桥东南角的草桥站南端，如图1、图2所示。

图1 盾构区间与京开某人行天桥平面位置关系图（单位：mm）

1.4 工程地质及水文地质条件

本次勘察揭露地层最大深度为60m，该深度范围内的地层按其沉积年代及工程性质可分为以下几种：（1）人工填土层，杂填土①1层；（2）新近沉积层，砂质粉土黏质粉土②层、粉质黏土②1层、黏土②2层、粉细砂②3层、圆砾、砾砂②5层；（3）第四纪冲洪积层，砂质粉土黏质粉土③层、粉质黏土③1层、黏土③2层、粉细砂③3层、粉质黏土④层、黏土④1层、砂质粉土黏质粉土④2层、粉细砂④3层、卵石圆砾④5层；（4）古近纪基岩，强风化泥岩[14]层。

地下水类型为层间潜水～承压水（四），主要含水层为卵石圆砾⑦层及其以下砂土、卵石地层，主要接受侧向径流补给，以侧向径流、向下越流以及人工开采为主要排泄方式，受相对隔水层粉质黏土⑧层及其夹层影响，局部具有承压性，承压水头0.2～3.2m。

2 模型建立

根据京开某人行天桥几何尺寸大小，结合隧道开挖施工对临近桥梁结构影响范围预估确定计算域。该计算模型前后方向长度为140m、左右方向长度为90m，上下深度为60m。对计算区域内土体、京开某人行天桥墩台结构及桥梁基础、盾构隧道等进行了三维精细建模，桥台、承台、土体、注浆加固区均采用实体单元，桥梁上部结构、桥梁桩基采用梁单元、盾构管片采用实体单元。

图2 盾构区间与京开某人行天桥横断面位置关系图（单位：mm）

根据计算模型大小，综合考虑计算时间和计算精确度，共计剖分单元378677个。建立的“土体—桥梁—隧道”计算模型如图3所示。

图3 计算模型

2.1 计算阶段划分

（1）建立初始自重应力场。在实际工程中，由于天然土层在土体自重和周围建筑物荷载作用下，已经固结沉降完毕，在此基础上进行隧道施工，需要将已经固结沉降完成的原状土作为后续施工步的初始状态。因此，在利用有限元模拟隧道施工过程时，若要达到天然土层的初始状态，必须平衡初始地应力，使得在土体模型中只存在初始应力场而不出现初始位移。模型中第一阶段为隧道施工的初始阶段，计算出土体及结构在自重作用下的位移场和应力场，通过软件的位移清零功能消除已经完成的沉降位移，并构造初始应力场。

（2）既有桥梁结构及桥梁基础的模拟。在初始地应力平衡的基础上，参照桥梁施工过程，先后施做京开某人行天桥桩基及上部结构，计算完成后通过软件的位移清零功能消除已经完成的沉降位移，以保证桥梁位移为后续隧道施工时的附加位移。

（3）隧道施工过程模拟。隧道工程主要包括新机场线左右线，参照设计的施工顺序及施工方法，具体的模拟步序如下：①初始地应力平衡；②京开某人行天桥桩基及上部结构模拟；③新机场线线右线盾构施工；④新机场线线左线盾构施工。

2.2 计算结果

模型宽度取为90m，京开某人行天桥横向中心大致位于模型宽度的中点处，本次施工阶段模拟分为穿越前、穿越过程中、穿越后三个大的阶段。为简化计算，穿越前取15m（一次盾构施工完成），穿越过程中取60m（取6m1个计算长度），穿越后取15m（一次盾构施工完成）。分析横向和纵向不均匀沉降的考察点位如图4所示。

图4 桥台监测点布置图

（1）新机场线右线盾构施工对京开某人行天桥变形影响分析。新机场线右线盾构施工完成后桥梁位移云图如图5所示。

（2）新机场线左线盾构施工对京开某人行天桥变形影响分析。新机场线左线盾构施工开挖完成后桥梁整体变形如图6所示。

统计整个开挖过程中京开某人行天桥桥台测点变形统计。人行天桥桥台、墩柱最大横向变形及竖向变形：①新机场线右线盾构施工完成，6号墩柱累计最大横向变形（0.98mm），累计最大竖向变形（3.18mm），3号桥台、6号墩柱墩台竖向最大差异变形（-2.38mm）；②新机场线左线盾构施工完成，3号桥台累计最大横向变形（3.06mm），累计最大竖向变形（-10.73mm），6、7号墩柱墩台竖向最大差异变形（-8.75mm）。