地铁区间近距离穿越施工对既有市政桥梁结构变形风险分析

王 根， 夏 阳

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

随着城市轨道交通的快速发展，地铁区间隧道不可避免地会穿越既有市政桥梁结构等。在盾构隧道穿越桥梁桩基施工过程中，若引起桩基或承台变形较大，将可能导致桥梁上部结构产生附加内力和变形，使得桥梁结构开裂、倾斜，为既有桥梁的安全和正常使用埋下隐患。本文结合合肥地铁4号线呈坎路站-大强路站区间隧道穿越南北一号高架桥(龙川路段)及龙川路右转匝道桥工程，通过三维计算模拟盾构隧道双线施工过程中对穿越段桥梁结构的影响，分析预测桥梁结构发生变形的趋势及变形值。为工程施工中针对重点影响区采取必要加固措施提供依据，也给类似区间隧道穿越市政桥梁工程提供参考。

1 工程概况

1.1 区间概况

呈坎路站-大强路站区间隧道位于合肥市包河区高铁片区，是合肥地铁4号线工程的重要组成部分。隧道采用盾构法施工，由大强路站向呈坎路站掘进，盾构管片外径6.0 m，内径5.4 m，衬砌0.3 m，弯螺栓连接成环。隧道穿越南北一号高架桥和龙川路右转匝道桥，穿越段区间隧道埋深约为20 m，位于⑥2黏土层。

1.2 桥梁概况

南北一号高架桥工程于2011年12月竣工，桥梁主体结构设计基准期为100年，上部结构为预应力钢筋混凝土变截面箱梁，基础为C30钻孔灌注桩，桩径1.8 m，桩长46 m，桩端入⑧13中风化砂质泥岩层。龙川路右转匝道桥连接包河大道和龙川路,于2014年竣工，匝道桥第一联上部结构为普通钢筋混凝土箱梁，第二联上部结构为预应力混凝土箱梁。桥墩采用直径1.6 m独柱墩，重力式桥台，基础为C30钻孔灌注桩，桩径1.4 m，桩长38 m，桩端入⑧13中风化砂质泥岩层。

区间隧道侧穿南北一号高架桥上跨龙川路一联，跨径为35 m+50 m+35 m，桥梁宽25.5 m，该联包括197号、198号、199号、200号桥墩。隧道外皮距离200号桥墩桩基边缘最近距离1.0 m；区间隧道侧穿龙川路右转匝道桥1～8号桥墩，距离龙川路右转匝道桥1号桥墩桩基边缘最近距离1.1 m，相对关系如图1、图2所示。

图1 区间隧道与桥梁平面关系

图2 区间隧道与主桥及匝道桥剖面关系

2 有限元模型

盾构隧道在穿越桥梁的施工过程中，掌子面顶推力、盾构掘进速度、注浆效果等施工控制因素都会对地层、上部桥梁结构产生影响，不同的施工控制因素产生的影响是不同的，在数值计算中通过等代层法分析施工控制因素的影响。采用MIDAS GTS NX软件建立区间隧道穿越段的三维有限元模型，如图3所示，通过对地层的简化和假设，取计算模型长150 m，宽80 m，高60 m。模型底部边界条件为x、y、z方向约束，两侧边界条件为x或y方向的水平约束。

图3 有限元模型

2.1 基本假定

数值模拟过程中，为了尽可能达到与实际相符的计算环境，需要对地层及结构进行部分简化和处理，以适应计算理论和软件，本次计算基本假定包括：

(1)初始应力只考虑围岩的自重应力，忽略构造应力的影响；

(2)所有材料均为均质、连续、各向同性，土体水平成层分布；

(3)围岩按修正摩尔-库仑理想弹性材料考虑；

(4)机械荷载不考虑机械在运作过程中产生的震动荷载。

2.2 计算参数取值

依据区间隧道设计文件，桥梁基础结构参数及地层力学性质参数见表1。

表1 穿越段地层力学性质参数

2.3 计算过程

根据工筹设计，本区间采用两台盾构机，均由大强路站下井始发，掘进至呈坎路站接收吊出。区间左线盾构机先行始发掘进，掘进长度≥100 m且间隔≥1个月后，右线盾构机再始发掘进，平均每天掘进速度为6～8 m。建模完成后，按照工筹设计隧道施工主要计算步骤为：

(1) 计算土体初始地应力场；

(2) 位移清零；

(3) 桥梁基础施工；

(4) 隧道分步开挖计算，每6 m为一个施工步，每个阶段包括开挖和支护两个施工步序；

(5) 计算结果提取，数据整理，结果分析。

3 计算结果分析

本简化模型计算中通过等代层法分析施工控制因素的影响，不考虑隧道掘进施工对桥桩的多次扰动，计算数值与实际沉降存在一定的偏差，但计算结果不影响分析预测桥梁结构发生变形的趋势。因此针对开挖过程中地表沉降、桥墩沉降及桥墩间差异沉降和承台水平变形分别进行了研究分析。

3.1 地表沉降

隧道开挖造成地层损失，地表产生明显的沉降槽：左线开挖后地表沉降累计计算值最大为3.6 mm，双线开挖后地表沉降累计计算值最大为4.9 mm。开挖后地表沉降云图如图4、图5所示。

图4 左线开挖后地表沉降云图

图5 双线开挖后地表沉降云图

3.2 桥墩沉降

3.2.1 南北一号高架桥

隧道穿越桥梁过程中，影响区桥墩发生较明显的沉降变形：左线穿越过后，桥墩沉降值逐渐趋于稳定，200号桥墩稳定在-1.4 mm；双线穿越过后，桥墩沉降值再次趋于稳定，200号桥墩稳定在-1.7 mm，199号桥墩稳定在-0.8 mm，如图6所示。

图6 200号、199号桥墩沉降随隧道施工阶段的变化曲线

3.2.2 龙川路右转匝道桥

区间隧道穿越匝道桥1～8号桥墩，隧道穿越桥梁计算过程中，影响区桥墩沉降变形与南北一号高架桥桥墩类似。左线穿越过后，0～4号承台沉降值逐渐趋于稳定，1号稳定在-3.0 mm，0号稳定在-1.1 mm，5～8号承台桥墩无沉降；双线穿越过后，1号稳定在-4.9 mm，0号稳定在-1.1 mm，4号稳定在-2.7 mm，3号稳定在-2.5 mm，2号稳定在-1.9 mm，8号稳定在-2.7 mm，7号稳定在-2.7 mm，6号稳定在-2.8 mm，5号稳定在-2.9 mm，如图7、图8所示。

图7 施工中0～4号承台沉降变化曲线

图8 施工中5～8号承台沉降变化曲线

3.2.3 桥墩差异沉降

根据各桥墩最终沉降汇总，计算相邻桥墩差异沉降，结果见表2、表3。隧道施工完成后，南北一号高架桥200号、201号桥墩差异沉降大小为1.7 mm，最大差异沉降率为0.057‰；龙川路右转匝道0号、1号桥墩差异沉降大小为3.7 mm，最大差异沉降率为0.211‰。

表2 区间隧道施工各承台差异沉降计算(1)

表3 区间隧道施工各承台差异沉降计算(2)

3.3 承台水平变形

3.3.1 南北一号高架桥

隧道穿越桥梁桩基计算过程中，影响区桩顶发生较明显水平位移，即表现为承台水平变形：双线隧道穿越过后，水平变形200号承台稳定在-0.9 mm，199号承台稳定在0.4 mm,如图9所示。

图9 承台水平变形随隧道施工阶段的变化曲线

3.3.2 龙川路右转匝道桥

区间隧道穿越匝道桥1～8号桥梁桩基，影响区承台水平变形与南北一号高架桥承台类似：当左线隧道侧穿桥梁桩基时，影响区承台发生水平变形，双线隧道穿越施工后，其中由于左右线隧道均侧穿1号桥梁桩基，故1号桥墩水平变形先增大后减小。各承台水平变形稳定后最大值分别为：0号承台为-1.2 mm，1号承台为3.8 mm，2号承台为2.9 mm，3号承台为2.3 mm，4号承台为3.4 mm，5号承台为3.5 mm，6号承台为3.4 mm，7号承台为3.3 mm，8号承台为3.3 mm,如图10、图11所示。

图10 施工中0～4号承台水平变化曲线

图11 施工中5～8号承台水平变化曲线

4 结束语

根据工程实例建立有限元模型，计算区间隧道施工过程中每个阶段控制步各桥梁结构监测控制点的变形，分别分析了影响区的地表沉降、桥墩差异沉降及承台水平变形。隧道穿越南北一号高架桥桥墩最大差异沉降为1.7 mm，承台最大水平变形为0.9 mm；穿越龙川路右转匝道桥桥墩最大差异沉降为3.7 mm，承台最大水平变形为3.8 mm。即区间隧道在黏土层中穿越桥梁桩基施工，桥梁桥墩差异沉降及承台水平变形值相对可控。

隧道穿越南北一号高架桥距离200号桥墩桩基最小净距1.0 m，对应桥墩沉降为1.7 mm，距离龙川路右转匝道桥1号桥墩桩基最小净距1.1 m，对应桥墩沉降为3.7 mm。即区间隧道距离桥桩净距越小风险越大，穿越施工时需考虑采取相应工程措施降低施工风险。