地铁隧道下穿施工对桥梁地上结构的影响研究

姚春雷

摘要：为了分析隧道施工对现有桥梁结构的影响，创建了数值计算模型ABAQUS，并研究了桥梁结构的位移和变形以及内力的反作用，该结构的沉降和变形可分为以下两个步骤：均匀沉降阶段和局部加速沉降阶段;地梁的沉降和变形情况大致是一样的，可以相互替换，地板梁的弯矩大于覆盖梁的弯矩，得出的所有结论对今后的地铁隧道施工有价值。

关键词：地铁隧道;地下通道施工;地基桥梁施工;影响

随着城市化的步伐不断加大，人口继续从农村转移到城市地区，城市人口的极速增加会给城市交通带来很大的负担。地铁需具有功能正常的地下系统，并且能保证安全且方便使用，为了可以更好地补偿地面运输工具上的这些缺陷，使得地铁成为了大都市炙手可热的一种新型交通工具，很多城市现已大力发展地铁建设。

1项目概述

某个地铁线，线路途经市内很多街区，贯穿新中轴线区域，地铁大致呈南北“Y字形”走向。这条地铁线线路较长，所以开发起来相对复杂，对于施工单位技术要求较高，这个地铁线路的隧道是采用矿山法建造的：左线长2.162公里，右线长2.163公里。隧道下面的一段隧道穿过立交桥，该天桥建于1980年代，是连续的三层梁桥，设计简单，左右桥的设计是分开的，并且彼此不依赖隧道和桥梁之间的位置。隧道轴线与桥梁轴线之间的夹角为62°。桥桩的基础是直径为1.0 m的整体钻孔桩，为摩擦型桩。 为了便于分析，对1号桥墩桩的基础从左到右进行编号。本文对一号桥墩桩基础进行了分析，其中隧道范围内地质为风化花岗岩，覆盖层厚度为12.2 m，距拱顶的距离最短的仅0.2 m。为了维持桥梁的稳定性，不影响正常的运行，该项目采取了以下技术措施：使用直径为42毫米，壁厚为3.5毫米的无缝钢管进行固结; 隧道开挖轮廓线后3.0 m内层的灌封区域，厚度为0.2 m，C25 +喷射混凝土格栅为初始支撑结构，两层厚度为0.3 m，混凝土强度为C35的钢筋混凝土结构，只有这样的混凝土结构才能顺利完成这条地铁线的建设。

2 3D模型的实现

根据上述尺寸，首先创建基本形状的两个三维几何模型。除其他事项外，两个模型中桩基础的几何组必须使用压力命令连接到每个底层单元。由于地铁隧道的穿透方向与桥梁基础的位置倾斜，因此隧道的实体单元的边界可能与地面的六面体单元的边界不完全匹配。为了确保调整以下边界条件的张力，必须根据地面六面体元素的边界物理地切割隧道的实体元素的多余部分。由于两个基本图的三维模型包含更多的几何组，因此还必须执行自动连接几何的命令，这不仅可以确保在已建立的3D几何模型中没有形成双曲面，而且还可以确保桩基与地面节点之间的耦合。在承台+桩基础的3D模型中，定义了两个几何组，因为地下隧道两侧的桩基础和其他部分的桩基础具有不同的横截面尺寸，故而分为两个几何组。对于两个3D模型的筏板部分，栅格元素的大小设置为2。高度风化的砂岩和隧道单元上方的土壤层的二维模型，网格单元的大小设置为3。隧道的基本元素部分的网格元素的大小必须与它所在的地面层的网格元素的大小相对应，以便确保隧道和地面网络节点之间的配合。地铁隧道衬砌部分的网格大小设置为2。堆叠网格元素的大小设置为4，盖子基础中盖子部分的网格元素的大小设置为2。一旦完成网络划分，就定义了两种基本类型的3D有限元模型。这两个基本图的三维模型显示了基础和地下隧道的整体等轴测图，等轴测图的一部分，下方的整体图以及三维模型的整体效果图[2]。

从上面提到的两个基础的三维模型的俯视图，我们可以清楚地看到筏板下部的网格线：在俯视图2（c）中，筏板+桩基础的模型是密实的桩基，筏板下部的网格线不如筏+帽+桩基模型规则。它也可以解释为什么基筏+桩属于该组，而基筏+平台+桩以及下部平台和桩基可以成为一个组合。在图中，我们可以清楚地看到地铁隧道两端的网格有一部分不规则，因为在安装三维几何模型时进行了连续切割操作以形成合理的网格边界的原因，因此我们从上面的三维模型的示意图中可以非常明确的分析出筏板+桩基础与隧道这三个部分紧密相连，相互促进成为一体，互相联系，缺一不可，三维模型的实现有利于更好的发展桥梁建设工作。

3结果分析

地梁与构造柱共成抗震限裂体系，减缓不均匀沉降的负作用。与基础梁有区别，基础梁主要起联系作用，增强水平面刚度，有时兼作底层填充墙的承托梁，不考虑抗震作用。地梁一般指梁板式筏形基础和柱下条基中的梁，该梁的最大弯矩在上部跨中及下部支座处，纵向钢筋的接头尽量避免在内力较大的地方，选择在内力较小的部位，宜采用机械连接和搭接，不应采用现场电弧焊接。左右两边隧道的构造同时影响地梁部分，会导致隧道左端更多的下垂和变形。当右隧道开挖至40 m时（也就是说，掌子面低于桩），计算得出的左地面梁的曲线近似为线性，这表示当手掌表面下降到桩端以下时，桥梁的空中结构的刚度就足够了，可以承受一定程度的重量，考虑到地层运动对桥梁的有害影响，土壤结构中普遍存在沉积物和变形等这些原因。随着右隧道逐渐越过1号墩位，接地梁本身的刚度不足以承受由地层位移引起的额外变形，计算曲线显示出具有大中小边的非线性定律。当右边的隧道越过1号桥的支柱，并且开挖面距离4号桩25 m时，地梁的变形逐渐稳定，这样就可以保证地梁的安全和稳定，不会那么容易受到外界环境变化对地梁的影响，只有这样操作，才能保障地梁的稳定。

在交叉路口施工期間，计算得出的隧道净跨中相应的变形相对较大，特别是在隧道上部最大变形为14.7 mm， 这表明必须在隧道网络范围内构建的相应的地面结构，尤其是对于拱顶而言，所受到的影响是特别大的。右桥位于右隧道中心线的右侧。 地梁的沉降曲线几乎呈线性变化，这表明右地梁的刚度足以承受结构引起的不利影响。应该注意的是，在地梁右半径的右侧的一小块区域产生了轻微的向上变形，最大值为0.8毫米。地板梁的左端强烈依赖于最大设计值为4.1 mm的右通道，因此，在对梁的下方进行施工的阶段，由于沉降幅度起伏不定，变化度比较大，所以地梁要着重注意，以免发生变形，影响整体施工效果，而对于拉梁仅仅是一种联系梁或者构造梁。例如专门承担上部填充墙的联系梁，例如承台之间的梁，例如一些重要独基之间的拉梁。它们的特征就是，梁底一般都可以不在持力层上，因为它们不需要承担地基反力。反而要防止地梁受地基反力而破坏，所以地梁下经常要垫炉渣，用来增强地梁的承重能力，减少地梁的变形几率，最大程度的避免因为地梁变形而导致的施工项目质量问题出现。

4结束语

通过研究隧道施工过程中土壤结构的沉降和变形规则，可以将沉降和变形过程分为两个阶段：均匀沉降阶段和局部加速沉降阶段。

参考文献：

[1]姜伟.地铁隧道下穿施工对桥梁地上结构的影响研究[J].山西建筑，2020，46（02）：112-114.

[2]李凤岐.兰州黄土地区地铁隧道下穿的高层建筑基础选型研究[D].兰州理工大学，2019.

[3]赵玉中.复杂环境下盾构隧道与建构筑物相互作用研究[D].安徽理工大学，2018.

（作者单位：中交一公局集团盾构公司）