贵阳地铁2号线下穿铁路桥三维数值模拟分析

史锴然，戚幸鑫，卢 锋，李 思

(西南交通大学，四川成都610031)

轨道交通发展至今日，我国许多城市已建立起基本的轨道交通网络。随着日益增长的轨道交通里程，城市中不可避免地会出现越来越“拥挤”的现象。为了节约土地资源，就需要充分利用城市土地，这样便会使得近距离施工问题大量涌现，其中城市地铁与桥梁基础的相互影响的问题也日益突出[1]。合理地分析地铁近接施工对既有桥梁的影响，保证既有桥梁的正常运营和地铁隧道施工的顺利进行，对我国城市轨道交通建设具有积极的意义[2]。

针对地铁隧道与既有桥梁的相互影响，已经有许多学者从各个方面进行了研究。郑熹光[1]等总结出几种桩的形式和桩与隧道的位置关系，并通过三维数值分析方法模拟隧道施工后桩的应力和位移的变化规律。龚爱军[3]、李松[4]、张竹清[5]等重点研究了桩基水平位移及沉降的发展规律。熊刚[6]等总结了隧道近接施工对既有桩基影响的四种研究方法及其发展过程，指出了每种研究方法的适用条件。宋卫东[7]等分析了隧道开挖对桥台和地面环境的影响。还有许多学者[8-15]提出了针对桥梁基础沉降的系统的安全风险评估及控制方法。

本文结合贵阳地铁2#线隧道下穿既有川黔铁路桥工程，计算不同围岩压力释放率下隧道施工对既有铁路桥的影响，所涉及的桥梁材料特殊性、双洞隧道斜穿既有铁路桥的情况，与前人所做的大部分研究工作存在一定的差异，故存在研究价值与意义。本文通过采用有限差分软件FLAC 3D，建立高仿真三维模型，考虑隧道施工对桥梁上部结构的影响，加入了对桥梁拱圈应力的影响分析；按照设计方案模拟地铁隧道施工对川黔铁路桥的位移和应力影响，并提出建议。

1 工程概况

下穿隧道为双洞单线结构，隧道埋深15.8～63.6 m，采用矿山法施工。如图1所示，既有铁路桥为拱桥结构，桥梁全长104.5 m。其中1#拱圈与5#拱圈为混凝土拱圈，其他拱圈为石砌拱圈。隧道与铁路桥之间的夹角为54°。

图1 桥梁立面(单位：m)

区间隧道区域地貌类型为溶蚀残丘、洼地与槽谷相间地貌。场区总体地势西北高东南低，地形坡度一般为1～2 °。隧道上覆素填土，层厚9.8 m，下部基岩为泥岩、砂岩，以砂岩为主，岩层产状N28 °～35 °E/SE,倾角45～55 °，与隧道走向呈垂直状态，围岩等级为Ⅴ级。地下水位埋深2.3～8.5 m。

2 控制标准

2.1 位移标准

由于川黔铁路桥修建年代较早，且条石拱圈曾采用喷射混凝土维修加固过，对于位移控制标准，综合参考TB 10621-2014《高速铁路设计规范》、TB 10623-2014《城际铁路设计规范》、铁运[2006]146号《铁路线路修理规则》的控制标准，本文对川黔铁路桥沉降的控制标准为：

(1)墩台的工后均匀总沉降不应大于15 mm，相邻墩台最终沉降差不应大于5 mm；

(2)线路轨道10 m弦测量的高低偏差应小于4 mm。

2.2 应力标准

对于应力控制标准，按照(铁运函[2004]120号)《铁路桥梁检定规范》第7.3.15条规定，选择控制标准如下：

(1)混凝土拱圈最大压应力不能超过12.30 MPa，最大拉应力不能超过0.55 MPa；

(2)砌体拱圈最大压应力不能超过6.10 MPa，最大拉应力不能超过0 MPa。

3 三维计算

3.1 数值计算模型

根据实际情况，应用FLAC 3D有限差分软件建立隧道下穿铁路桥模型(图2、图3)。为充分模拟隧道的三维空间效应，计算模型所取范围是：沿横向取50 m，沿纵向取180 m，深度取隧道仰拱下方50 m；约束情况为前后、左右方向受水平约束，垂直方向底面受竖向约束，顶面为自由面；计算中地层及初期支护采用弹塑性实体单元模拟，管棚及超前小导管采用弹性实体单元模拟，二次衬砌采用弹性实体单元模拟。

图2 三维数值计算模型

图3 隧道与铁路桥交叉段俯视

3.2 数值计算参数

围岩及衬砌材料的物理力学指标参照《贵阳市轨道交通2号线一期(详细勘察阶段)三桥站～二桥站区间岩土工程勘察报告》选取，混凝土材料物理参数根据TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》选取，所确定的计算参数如表1所示。

表1 模型物理力学参数

地面双向六车道公路总宽约为32 m，根据JTG B01-2003《公路工程技术标准》，计算取22.5 kN/m作为车辆荷载。列车荷载参照TB 10002.1-2005《铁路桥涵设计基本规范》，静力荷载取92 kN/m，标准活载取“中-活载”。

4 结果分析

4.1 不同围岩压力释放率下隧道开挖对铁路桥影响

分别考虑围岩压力释放率为10 %、20 %、30 %、40 %、50 %、60 %、70 %、80 %、90 %及100 %这10种工况。围岩压力释放率为衬砌结构承担围岩压力比例，例如围岩压力释放率为10 %时，即围岩承担90 %围岩压力，衬砌承担10 %围岩压力。采用全断面开挖方式对隧道开挖过程进行模拟(图4、图5)。

图4 不同围岩压力释放率下桥面沉降沿桥梁纵向变化曲线

图5 不同围岩压力释放率下桥面最大沉降曲线

4.1.1 桥梁位移分析

结合图4、图5和表2可以看出，从桥面绝对沉降来看，随着围岩压力释放率的增大，桥面沉降也逐渐增大。沿桥梁纵向方向上隧道开挖洞室边缘5 m左右范围内，存在明显的沉降变化，且每级压力释放率下的最大沉降位置处于两隧道洞室之间。围岩压力释放率从80 %到100 %时，桥面沉降的增加明显高于其他区间，增加了4.89 mm，围岩压力释放率为100 %的最大桥面沉降为80 %时的约3倍；围岩压力释放率在10 %到70 %之间时，桥面最大沉降变化趋于平缓。当围岩压力释放率小于等于80 %时，桥面最大沉降小于15 mm，相邻墩台的沉降差均小于2 mm，轨道差异沉降的变化量基本与桥墩差异沉降保持一致，线路10 m弦的高低偏差均小于4 mm，符合位移控制标准。

表2 不同围岩压力释放率下既有铁路桥沉降统计 mm

4.1.2 桥梁拱圈应力分析

由表3可以看出，在隧道开挖时不同围岩压力释放率下，桥梁拱圈基本以受压为主。在同等压力释放率下，由于材料性质和拱圈尺寸不同，混凝土拱圈的最大主应力均小于石砌拱圈。在压力释放率为80 %～100 %的区间内，1#拱圈和2#拱圈由于距离开挖隧道近，受开挖影响大，其最大主应力的增量比3#、4#、5#拱圈大，其中2#拱圈的最大主应力增量达到了2.4 MPa。当应力释放率为100 %时，2#拱圈将承受0.13 MPa的拉应力。当围岩压力释放率小于等于80 %时，对应每一级释放率，最大主应力均在4#拱圈，超过2#、3#石砌拱圈54 %以上，与1#、5#混凝土拱圈相差超过2 MPa。

表3 不同围岩压力释放率下桥梁拱圈主应力统计 MPa

4.2 隧道施工对铁路桥的影响

4.2.1 开挖工序

①施作右线隧道大管棚；②施作右线隧道超前小导管；③右线以2 m为一进尺台阶法循环开挖并施作初期支护；④右线隧道施作二次衬砌；⑤施作左线隧道大管棚；⑥施作左线隧道超前小导管；⑦左线以2 m为一进尺台阶法循环开挖并施作初期支护；⑧左线隧道施作二次衬砌(图6、图7、表4)。

图6 桥面沉降随右线掌子面推进沿桥梁纵向变化曲线

图7 桥面沉降随左线掌子面推进沿桥梁纵向变化曲线

表4 既有铁路桥桥面横向差异沉降统计

4.2.2 桥梁位移分析

本文认为当隧道开挖导致的桥面沉降达到0.5 mm时，隧道开挖对桥梁产生了影响。由图6可以看出，采用设计方案施工时，随着右线掌子面向既有铁路桥推进，桥梁沉降逐渐增加，当右线掌子面距桥梁15 m时，桥面沉降达到了0.5 mm；掌子面越过桥梁之后的沉降增加比越过桥梁之前明显减少，当掌子面越过桥梁25 m时，随着掌子面继续推进，桥梁沉降趋于稳定，可以近似认为此时沉降为最终沉降。右线隧道开挖完成后桥面最大沉降位置在3#拱圈，为1.17 mm。由图7可以看出，左线隧道开挖后桥面最大沉降位置在2#拱圈，为1.97 mm，在左右线之间沉降曲线呈U型，桥面整体沉降不超过2 mm；对比不同围岩压力释放率下桥面沉降，按设计方案施工时隧道围岩压力释放率约为70 %。由表4可以看出，1#桥墩处的桥面差异沉降有0.56 mm，为桥墩处桥面最大差异沉降，1#、2#桥墩处桥面差异沉降仅相差14.3 %，2#与3#、2#与4#桥墩处桥面差异沉降相差分别超过56 %和81 %，说明隧道开挖对1#、2#桥墩产生的影响大于3#、4#桥墩，且随着桥墩与隧道距离的增加，这种影响呈快速下降的趋势。

4.2.3 桥梁拱圈应力分析

由表5可以看出，隧道开挖完成后，拱圈均未出现拉应力，混凝土拱圈应力均小于石砌拱圈；最大压应力位于4#拱圈，为3.44 MPa，小于控制标准的6.10 MPa的控制标准。混凝土拱圈的最大主应力小于石砌拱圈的最大主应力。对比不同围岩压力释放率情况下的应力大小，按设计方案施工时隧道围岩释放率约为70 %，这与由位移得出的围岩压力释放率相同。

表5 既有铁路桥拱圈主应力统计 MPa

5 结论及建议

(1)隧道开挖时围岩压力释放率越大，铁路桥产生的沉降越大，每级压力释放率下的最大沉降位置处于两隧道洞室之间。桥梁拱圈基本以受压为主，由于材料性质和拱圈尺寸不同，混凝土拱圈的最大主应力均小于石砌拱圈，当围岩压力释放率为100 %时，2#拱圈才承受拉应力。综合考虑位移控制标准及应力控制标准，当施工控制围岩压力释放率小于80 %时，可保证既有铁路桥运营安全。

(2)随着掌子面向既有铁路桥推进，桥体沉降随着与隧道开挖面的距离减小而增大，相邻两桥墩上存在沉降差。右线隧道开挖完成后桥面最大沉降位置在3#拱圈，左线隧道开挖后桥面最大沉降位置在2#拱圈。参照不同围岩压力释放率下的桥面沉降，按照设计施工时隧道围岩释放率约为70 %。综合考虑位移控制标准以及应力控制标准，当按照设计施工时，能够基本保证既有铁路桥运营安全。

(3)实际施工中，围岩压力释放率不能直接测量得到，应通过桥梁沉降反应；建议左右线掌子面错开施工，掌子面错开距离大于3倍洞径；为减少施工期间对既有铁路桥的影响，在下穿既有铁路桥时，应禁止爆破；采用分步短进尺开挖、及时施作初期支护以控制应力释放和地层位移，使围岩压力释放率低于80 %。