盾构隧道下穿铁路刚架桥安全影响分析

王思伟, 林立科

(湖南中大设计院有限公司， 湖南 长沙 410075)

近年来，随着城市公共交通的快速发展，城市轨道交通工程建设和发展非常迅速。但城市轨道交通工程沿既有城市道路以隧道形式穿越居多，建设过程中会穿越各种各样的结构物。晏成对天津地铁3号线盾构隧道下穿铁路框架桥工程进行了评估和预测；王国富对济南轨道交通R1线盾构隧道下穿京沪铁路框架桥涵进行了数值模拟和评估；李军对长沙地铁1号线盾构隧道下穿京广铁路工程的施工控制进行了深入研究,提出了旋喷桩加固、线路架空加固(横挑纵抬)等针对性的施工控制方案。目前中国地铁盾构隧道下穿运营铁路的研究主要集中在下穿铁路路基和框架桥方面的技术措施和施工控制，对地铁盾构隧道下穿运行速度较高的城际铁路刚架桥的设计与施工控制研究较少。该文结合长沙轨道交通6号线，对新建轨道交通隧道近距离下穿城际铁路刚架桥的影响和安全性进行分析，评估设计的可行性，并提出相关处理对策。

1 工程概况

1.1 盾构区间基本情况

长沙轨道交通6号线朝阳村站-东郡站区间线路沿人民东路东西向布设，区间长度1.9 km。朝阳村站-东郡站区间隧道由西向东需依次下穿京广铁路客运线框架桥、货运线框架桥以及长株潭城际铁路刚架桥。

1.2 长株潭城际铁路刚架桥基本情况

长株潭城际铁路刚架桥位于京广铁路客运线、货运线中间，采用(12.8+17.5+12.8) m刚架桥上跨人民路。东侧长株潭城际铁路走行线刚架桥为双线桥，桥宽26 m；西侧长株潭城际铁路正线刚架桥为双线桥，桥宽13 m；两桥净距约为4.4 m。

正线及走行线刚架桥均采用钢筋混凝土薄壁桥墩，直径100 cm钻孔灌注摩擦桩基础，桩底持力层为中风化泥质粉砂岩。刚架桥采用的技术标准如下：

(1) 铁路等级：城际铁路。

(2) 正线数目：双线。

(3) 正线线间距：5.0 m。

(4) 速度目标值：200 km/h。

(5) 设计荷载：上部结构采用ZC活载，下部结构采用ZK活载。

(6) 轨道：有砟轨道，P60轨。

(7) 不均匀沉降：5 mm。

长株潭城际铁路正线最高运行速度为160 km/h，每月晚间运行速度为200 km/h的综合检测车8趟。

1.3 隧道与长株潭城际铁路刚架桥相互关系

隧道距离刚架桥桩基水平距离为2.35～7.52 m，隧道底距离长株潭城际铁路刚架桥桩底垂直距离为1.97～5.14 m(图1)，隧道采用盾构法施工。

图1 盾构隧道与刚架桥立面关系图(单位:m)

1.4 工程地质

根据工程地质勘察报告，从上到下依次为人工填土、粉质黏土、圆砾土、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。盾构隧道穿越地层为中风化泥质粉砂岩，中风化泥质粉砂岩层状构造较厚、呈泥质胶结状态、节理和裂隙较发育，抗压强度标准值为3.0 MPa。

地下水主要有上层滞水、孔隙水和裂隙水。人工填土层富水性整体较差；孔隙水主要分布在细圆砾、卵石土等土层中，呈中等富水性，为弱承压水；泥质砂岩裂隙水存量小，迳流条件差。

2 隧道施工对刚架桥的影响分析

盾构隧道施工时，地层受到扰动后产生地层损失，使隧道周围土体受到扰动或挤压产生再固结，是构成地表变形和地面沉降的根本原因。施工过程中盾构机前方和顶部土体会产生微量的隆起，盾构机部分通过后土体开始下沉，盾尾脱离后土体加快下沉，会形成一定宽度的沉降槽。隧道施工对长株潭城际铁路刚架桥的主要影响如下：

(1) 因刚架桥桩基距离隧道较近，盾构施工扰动周边土体产生沉降，会使桩基产生负摩阻力而影响刚架桥的桩基承载力。

(2) 隧道施工还会使桥梁桩基产生水平位移，桩基在竖向负摩阻力和水平位移的作用下会引起刚架桥结构变位。

(3) 隧道距离各桥墩桩基位置各不相同，各桥墩的沉降也不一样，相当于给刚架桥产生了附加不均匀沉降。

(4) 刚架桥为超静定结构，附加不均匀沉降会产生附加内力，使刚架桥的结构内力和变形相对于原设计状况有所改变。

(5) 刚架桥墩台基础的不均匀沉降导致桥梁结构变形，结构变形引起轨道变形而影响轨道的平顺性。

3 数值模拟计算

完全真实地模拟土体材料的工程特性是很困难的，需要适当简化分析模型，在三维分析时进行了以下假定和简化：

(1) 将土体近似假设为各个方向性质相同、质地均匀的弹塑体，土层近似为水平层状连续分布的均质材料。

(2) 不考虑地下水对初始地应力的影响和土体构造应力，在土体自重作用下达到平衡后再进行隧道的盾构掘进施工。

3.1 模型建立

为分析和评估盾构隧道施工产生不均匀沉降对刚架桥的结构影响和轨道平顺性影响，采用Midas/GTS(NX版)建立三维有限元分析模型，整个模型计算范围为135 m×120 m×46 m(长×宽×高)，模型包括66 742个单元和14 624个节点。

模型边界条件采用位移边界，模型上表面为自由边界，其他外表面法线方向的位移均约束。地层及路基采用摩尔库仑(Mohr-Coulonb)弹塑性模型；隧道管片、刚架桥采用弹性(Elastic)模型，其中盾构隧道管片、桥面板采用板单元，刚架桥基础采用桩单元。岩土及结构主要力学参数如表1、2所示。

表1 岩土力学计算参数

表2 主要结构物力学参数

3.2 荷载

土体及结构物按自重计取，列车荷载根据TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》取值，考虑动力放大系数后按静力荷载加载。

3.3 盾构施工过程模拟

为分析隧道掘进施工对长株潭城际铁路刚架桥的影响，按照盾构刀盘推进的位置按先左线后右线分别划分为典型的10个工况，具体位置示意图见图2。

图2 开挖步距示意图

盾构掘进施工模拟过程分3步：① 初始地应力作用下土体达到平衡状态；② 左线隧道施工，下穿刚架桥；③ 右线隧道施工，下穿刚架桥。

3.4 数值分析结果

经3个步骤模拟隧道按先左线后右线的盾构掘进顺序下穿刚架桥后，地表沉降云图如图3、4所示。

图3 左线隧道通过刚架桥后地层竖向位移云图(单位：m)

图4 右线隧道通过刚架桥后地层竖向位移云图(单位：m)

由图3、4可知：隧道施工掘进过程中，地层损失使穿越上方地层产生了竖向变形，其中隧道正上方的土体沉降最大，最大沉降约为8.2 mm，从隧道正上方拱部向两侧地表逐渐扩散，沉降值逐渐减小；隧道底部土体产生了一定程度隆起，向上隆起最大值为3.6 mm。

（1）奉新县农业基础与发展状况好，目前正处于繁荣发展的阶段。结合奉新工业园区在区域内的辐射影响力，适合发展林竹木加工、旅游产品制造、特色食品加工等绿色生态轻工业产业，即以第一产业为基础、利用大都市核心区的扩散效应，学习核心区发展的技术与理念，发展县内第二产业中的轻工业，从而升级现有工业园区使之更符合整个区域规划。

因地层沉降引起的刚架桥不均匀沉降云图见图5。

图5 盾构通过后刚架桥的位移云图(单位：m)

由图5可知：盾构穿越刚架桥后引起各墩台产生沉降，各墩台的沉降呈现明显的不均匀性，距离隧道越远的墩台沉降越小，距离越近的墩台沉降越大，桥墩最大沉降为-1.05 mm，桥台最小沉降为-0.28 mm。

隧道区间左线及右线盾构掘进通过后长株潭城际铁路刚架桥桩基水平位移云图如图6、7所示。

图6 左线隧道通过后桩基水平位移云图(单位：m)

由图6、7可知：左线掘进通过后刚架桥桩基最大水平位移为1.8 mm，右线掘进通过后刚架桥桩基最大水平位移为2.3 mm，桩身在盾构隧道区域附近位移最大，向上下两端逐渐减小。

由于上部道床及轨道的竖向刚度较大，近似通过路基及刚架桥的变形来分析轨道沿隧道纵向沉降规律。盾构穿越刚架桥施工过程中，铁路道床受到了不利影响，当盾构完全通过后，铁路道床最大沉降量为-2.05 mm(图8)。

图7 右线隧道通过后桩基水平位移云图(单位：m)

图8 盾构通过后铁路道床竖向位移曲线

由图8可知变形总体呈现为盾构隧道施工上方沉降较大，到两侧递减，基本符合Peck公式的沉降规律。

由图8可知：在左右隧道及中间区域道床变形最大，向两侧逐渐减小，在隧道中心线40 m以外道床变形基本为0。因此可以确定，盾构隧道施工对刚架桥的影响区为隧道中心两侧各40 m。

4 刚架桥结构检算

采用Midas/Civil分析计算软件，建立“荷载-结构”模型。采用梁单元杆系结构，桩基础采用等效刚度梁单元模拟。边界条件为：梁端采用竖向约束，桩基按等代梁单元采用固结约束；桥墩与上部结构连接采用刚性连接。结构断面参数按刚架桥实际尺寸选取。计算模型如图9所示。

图9 刚架桥计算模型

荷载组合按现行TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》取最不利的工况组合，盾构通过后的桩基最大沉降-1.05 mm采用强制位移施加到计算模型，原设计不均匀沉降为-5 mm，其他设计荷载均按原设计取值。桥梁结构设计按照TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》进行复核计算。

4.1 梁体截面计算结果

经计算，在隧道掘进施工前后刚架桥梁体结构设计各项指标如表3所示。

表3 梁体截面检算结果

由表3可知：刚架桥梁体上缘钢筋应力增加1%～3%，钢筋最大应力为152 MPa(墩顶)，下缘钢筋应力增加1%～4%，钢筋最大应力为137 MPa(跨中)。刚架桥梁体混凝土应力增加1%～4%，最大应力为7.8 MPa，均满足规范要求。

根据TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》中裂缝宽度经验计算公式计算，刚架桥梁体上缘裂缝增加1%～3%，最大裂缝宽度为0.15 mm，下缘裂缝增加1%～5%，最大裂缝宽度为0.14 mm，均满足规范要求。

4.2 刚架桥墩身截面验算结果

隧道掘进前后刚架桥桥墩结构设计各项指标如表4所示。

表4 刚架桥墩身截面计算结果

刚架桥墩身最大内力发生在墩底部位，计算结果表明：盾构施工对刚架桥墩身的竖向力、弯矩、混凝土及钢筋应力均有一定的影响，但结构承载力满足设计规范要求。

4.3 刚架桥桩基验算结果

刚架桥桩基验算结果见表5。

表5 桩基计算结果

表5表明：盾构施工对刚架桥的桩基结构有一定影响，桩基竖向轴力、桩身混凝土应力、钢筋应力均有所增加。原设计桥台桩基承载力容许值[P]=3 870 kN、桥墩桩基承载力容许值[P]=5 704 kN，混凝土容许应力[σb]=16.9 MPa，钢筋容许应力[σs]=230 MPa，计算结果均未超过容许值，各项指标均满足设计规范要求。

5 安全性分析及对策

该刚架桥于2016年12月正式建成通车，根据竣工验收各项资料显示，刚架桥的使用状况良好。盾构隧道施工对刚架桥结构内力和各项设计指标有一定的影响，但是变化量相对较小，刚架桥抗力有一定的储备，考虑隧道施工引起的不均匀沉降后，刚架桥各设计指标仍满足规范要求。

5.1 沉降控制指标

区间隧道下穿长株潭城际铁路刚架桥时，地面沉降控制要求较严格，轨道沉降按200 km/h静态临时补修管理值控制标准：轨面沉降值不超过8 mm，轨道高低值不超过8 mm，相邻两股钢轨水平高差不得超过8 mm，相邻两股钢轨三角坑不得超过6 mm，刚架桥相邻桥墩沉降差不超过5 mm。

5.2 施工控制措施

该区间盾构隧道与长株潭城际铁路刚架桥桩基水平距离为2.35～7.52 m，盾构隧道顶部为人工填土、粉质黏土、细圆砾土、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩。虽然三维数值模拟分析和刚架桥结构检算结果表明影响可控，但考虑到施工工艺等未知影响因素，仍需要采取相应的保护方案及施工控制措施。

(1) 根据相关研究，减小盾构隧道对既有结构物的影响常用的有效办法是增设隔离桩，但该隧道与桥梁桩基最小净距仅2.35 m，不满足设置隔离桩的条件，建议对刚架桥桩侧进行静力压浆，改善岩层顶面土层的特性，尽可能减小沉降对刚架桥的不利影响。

(2) 利用盾构掘进铁路刚架桥下方前50 m作为试验段，通过对试验段的掘进参数及地面沉降情况进行统计分析，预测盾构机通过铁路时可能出现的沉降值，以最优的盾构掘进参数通过刚架桥段。

(3) 盾构穿越铁路前，建立系统、完善的监测网，施工中进行变形监测并及时反馈信息，并进行跟踪注浆或补充注浆，以减少地层损失。

(4) 在盾构机掘进通过长株潭城际铁路刚架桥前，建议参照“桥涵顶进施工慢行”限速60 km/h。

6 结论

(1) 通过三维数值模拟分析了隧道施工对刚架桥的影响，建立“荷载-结构模型”对刚架桥进行了结构验算。计算结果表明：盾构施工对刚架桥的结构安全性和轨道平顺性有一定的影响，但仍处于规范允许范围，盾构下穿刚架桥的设计方案总体可行。

(2) 考虑到盾构穿越岩层仍存在岩石软硬不均等不确定因素，盾构下穿时应加强洞内注浆并根据监测数据实时跟踪注浆，有效减少盾构掘进过程中的地层损失，抑制盾构掘进过程中长株潭城际铁路刚架桥桩基的变形。