砂卵石地层盾构隧道下穿施工对既有铁路框架桥的影响

张亚洲 林志宇 马凝宇 贾方毅 闫晓

为研究盾构隧道下穿施工对框架桥结构以及周边地层位移变形的影响，文章以洛阳市地铁1号线启明南路站—塔湾站区间盾构隧道穿越焦柳铁路框构桥工程为依托，通过有限元软件ANSYS对盾构隧道的开挖过程进行数值模拟，分别对隧道开挖过程中的地表沉降变化、铁路框构桥变形以及桩基位移进行对比分析，系统研究隧道典型开挖步序下的铁路框架涵结构、桩基及地表的变形特性。研究结果表明：①由隧道开挖引起的地表沉降分布形态一般不是完全对称，在本项目中先开挖的左线中心线上方的地表沉降最为严重;②在隧道开挖过程中，框架涵位移变形呈现变形范围增大，最大竖向沉降值有所减小;③随着隧道的开挖，桩基的竖向及横向最大变形值呈增长趋势，纵向最大变形值在隧道开挖过程呈现波动的形态。

盾构隧道; 下穿施工; 沉降; 数值模拟; 位移变形

U452.2+6   A

[定稿日期]2020-12-03

[作者简介]张亚洲（1982～），男，本科，高级工程师，主要从事建筑施工方面的工作。

随着近年来国内城市轨道交通项目建设的兴起，盾构施工技术因其对周边环境影响小、适应范围广以及施工成本低等[1]优点在我国地铁隧道工程建设中得到了广泛的应用。然而由于城市地下空间的大规模、高密度的开发，大量隧道下穿既有重要的建（构）筑物的现象开始涌现，如，武汉地铁3号线侧穿京广汉口联络上行线铁路桥、西安地铁14号线下穿宝太疏解线高架桥等。隧道的近接施工必然会扰动地层破坏原始的力学平衡[2]从而导致既有结构本身的变形以及受力变化，在实际施工中往往需要严格的监测和控制既有结构的变形。因此，针对盾构隧道近接施工对既有结构的影响引起了越来越多的技术人员以及学者的重视。

周边环境的沉降控制是盾构隧道下穿施工中至关重要的一部分，目前对于此已展开了大量研究。谢雄耀[3]等结合壁后注浆雷达检测和自动化监测平台提出了“微沉降”的施工控制技术，对盾构隧道下穿老旧建筑物的地表沉降进行了控制。刘建友[4]等采用现场调研和统计分析等方法，对高速铁路轨道、扣件及路基的相互作用关系开展研究，提出盾构隧道穿越高速铁路路基沉降控制标准的制定方法。文献[5-7]通过数值模拟和现场试验等方法，对既有隧道加固措施、地层适应性、隧道变形进行研究，提出了盾构隧道近距离下穿既有隧道变形控制措施。文献[8-10]对盾构施工的全过程进行了模拟，分析了埋深、桩隧净距等条件下盾构施工对铁路桥梁结构变形及地表沉降的影响规律。

目前，在隧道近接施工的相关研究中，针对砂卵石地层下的隧道下穿既有铁路框架桥梁研究较少，隧道施工过程中也对框架桥的变形提出了非常严格的要求。由此，文章以洛阳市地铁1号线区间盾构隧道穿越焦柳铁路框构桥工程为依托，采用数值模拟的方法，对盾构隧道的开挖过程进行数值模拟，分别对隧道开挖过程中的地表沉降变化、铁路框构桥变形以及桩基位移进行对比分析。为今后类似的工程提供一定的参考。

1 工程概况

以洛阳市轨道交通1号线启明南路站—塔湾站区间盾构隧道为工程背景。该区间隧道设计为两分离盾构法隧道单洞，盾构隧道外径6.2 m，内径5.5 m，管片厚度0.35 m，环宽1.5 m，衬砌环由3块标准块、2块邻接块、1块封顶块错缝拼装方式组成，采用钢筋混凝土管片衬砌结构。该区间下穿焦柳铁路段平面位置如图1所示。

盾构区间主要位于中州东路下方，上方建筑物较少。其中焦柳铁路框构桥处区间结构以下覆土约5.1 m，水位深约12 m。区间穿越的地层主要有黄土状粉质黏土、细砂、卵石地层等。图2为隧道下穿既有焦柳铁路框构桥的地质剖面图。

2 计算模型及参数

2.1 数值模型建立

根据区间隧道与铁路相互关系建立数值计算模型，模型 3个方向尺寸选取的原则是把隧道开挖影响范围都包含在模型范围之内，模型边界尺寸为100 m（横向x）×50.7 m（竖向y）×60 m（纵向z），如图3所示，其中隧道与铁路桥位置关系如图4所示。模型中隧道尺寸均以实际尺寸为标准，隧道埋深为6.2 m。

在建模过程中，考虑到隧道动态施工特点，隧道围岩按均质弹塑性考虑，采用Drucker-Prager屈服准则，同时假定地层为均匀水平的。模型中地层、管片、注浆层、桩基等均采用SOLID45[11]单元予以模拟，计算时按自重应力场考虑。模型边界条件如下：沿隧道轴线方向，对模型前后两面边界结点施加纵向水平约束;沿隧道橫向方向，对模型左右两面边界结点施加横向水平约束;对模型底面结点，施加竖向方向的约束。在模拟隧道开挖过程中左线先施工，且以掘进6 m为1步，10步后左线贯通。然后右线开挖，同样10步后右线贯通。

2.2 参数选取

实际工程中各种材料参数多样，且土层性质各异、参数多变，为了简化模型计算，根据区间土体的地质特点，将其分为五个均匀土层。在计算模型中，土体材料的模拟均采用弹塑性关系材料，参考实际工程中详勘阶段岩土参数建议值，管片衬砌结构采用C50钢筋混凝土材料，弹性模量为34.5 GPa，考虑到衬砌接头对结构整体刚度的影响，将结构整体刚度折减25 %[12]。具体取值见表1。

3 模型计算结果分析

为了探明盾构隧道在掘进过程中对既有铁路桥结构及周边环境的影响规律，本文以工程实际为基础，分别对地表沉降、铁路桥框架涵变形以及桩基变形三个方面进行分析。

3.1 隧道开挖对地表沉降影响

盾构隧道在开挖过程中难以避免的会引起地层损失，从而使隧道周边围岩应力重分布，在地表上则表现出差异沉降。为了能更为清楚的得到隧道开挖对地表沉降的影响，将每步监测断面1、断面2的地表沉降进行整理，结果如图5、图6所示。

由图5、图6可见，在盾构隧道的掘进过程中，随着开挖面的不断前移，地表沉降曲线的竖向沉降最大值逐渐增加，地表沉降曲线由 “U”型分布形态逐渐转变成“W”型分布形态，此时地表沉降最大值位于左线隧道中心线附近，其值为9.25 mm，右线隧道中心线附近地表沉降值为6.47 mm，这表明地表沉降分布形态是一个由隧道的开挖引起的叠加过程，叠加完成后地表沉降分布形态并非完全对称，其中先开挖的左线中心线附近的地表沉降最为严重。双线隧道最终开挖完成后，两监测断面的主要沉降区域位于-30～30 m，该区域为施工过程中主要监测区域。

3.2 隧道开挖对铁路桥框架涵的影响

铁路桥框架涵位于隧道开挖的正上方，在盾构隧道开挖过程中该框架涵属于重点监测对象。因此，提取框架涵典型开挖步序下的各个方向最大位移值，如表2所示。隧道开挖完成后框架涵的位移云图如图7所示。

随着盾构隧道的开挖，地层损失不断叠加，土层和框架涵结构相互作用、协同变形。结合表2和图7可知，在隧道开挖过程中，框架涵的横向及纵向变形较小，竖向变形量最大。左线贯通后最大竖向沉降位于在框架涵对应于左线隧道中心线上方的底板处，其沉降量为9.87 mm。双线贯通后最大竖向沉降位于框架涵底板中部偏左位置，其沉降量为7.35 mm，双线贯通后的框架涵结构变形影响范围更大。考虑到框架涵结构整体刚度远大于周边土体的刚度，双线隧道的开挖使框架涵结构整体受力，变形范围增大，从而导致最大沉降量有所减小。

3.3 隧道开挖对铁路桥桩基影响

新建地铁盾构区间隧道的施工过程对铁路桩基产生一定的附加变形，提取双线隧道贯通后桩基各个方向的位移，其云图如图8所示。统计其典型步序下各个方向桩基的最大位移值，如表3所示。

由图8可见，双线贯通时桩基的最大竖向及横向变形值均位于桩基底部，其值分别为4.28 mm及3.24 mm，其竖向最大位移量超过3 mm的限定值。最大纵向变形值位于桩身，其值为0.14 mm。

结合表3和图8可知，随着盾构隧道的开挖，桩基的竖向及横向最大变形值均呈现增大趋势，但增量逐渐减小，纵向最大变形值在隧道开挖过程呈现波动的形态。这表明，随着盾构隧道的开挖，地层不断受到开挖扰动的作用，越接近隧道周边的土体产生的地层变形越大，由于铁路桩基位于隧道两側，桩基结构附近土体产生靠近隧道方向的位移分量，桩基群与地层协同变形也产生各个方向的位移变形，随着隧道开挖继续进行，隧道开挖影响的土体范围不断增大，导致该区域的桩基竖向、横向变形不断增加，但增量逐渐减小。

4 结论

依托洛阳市轨道交通1号线启明南路站—塔湾站区间盾构隧道为工程背景，采用数值模拟的研究方法，对隧道典型开挖步序下的既有铁路框架涵结构、桩基及地表的变形特性进行了系统研究，得出以下结论：

（1）由隧道开挖引起的地表沉降分布形态是一个叠加过程，叠加完成后地表沉降分布形态一般不是完全对称。在本项目中先开挖的左线中心线上方的地表沉降最为严重。

（2）在隧道开挖过程中，框架涵位移变形表现出竖向变形量最大，随着隧道开挖的进行，框架涵变形范围增大，而最大竖向沉降值有所减小。

（3）随着隧道的开挖，桩基的竖向及横向最大变形值呈增长趋势，但增量逐渐减小，纵向最大变形值在隧道开挖过程呈现波动的形态。表明桩基与地层受到开挖扰动从而协同变形产生位移变形，随着隧道开挖继续进行，受开挖影响的地层范围不断增大，导致该区域的桩基竖向、横向变形不断增加，但增量逐渐减小。

参考文献

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