地铁隧道侧穿施工对近邻高铁桥影响的数值分析

高利琴， 杜明芳， 卢海陆， 李晓文， 易领兵， 李帅兵

(1.河南水利与环境职业学院， 郑州 450008； 2.河南工业大学 土木工程学院， 郑州 450001； 3.中国建筑第七工程局有限公司， 郑州 450008； 4.河南省建筑科学研究院有限公司， 郑州 450053)

基于目前重大的人口基数，为了快速疏散客流，缓解交通压力，大力发展高速铁路，现在已初步建成高速铁路网。而城市地铁线路往往滞后于高速铁路的发展，无法实现同步规划、同步建设、并同步投入使用，这就必然造成了地铁线路会穿越已开通运营的高速铁路线路的情况。中国高速铁路普遍采用高架桥的方式，导致地铁线路往往会在铁路桥梁桥桩基础附近穿越，在地铁施工过程中，可能会引起高铁桥桩基产生位移、沉降等变形，给高铁的运营带来安全隐患。

城市核心密集区域修建地铁日益凸显，各种工法施工下穿及侧穿房屋、河流、普速铁路、高铁等工程越来越多。文献[1]对盾构区间下穿普速铁路进行了研究；文献[2]研究了高层建筑施工对临近既有隧道的影响；文献[3]研究了基坑开挖对临近桩基的影响；文献[4]研究了新建堤坝对既有桥桩的影响；文献[5]研究了地铁车站施工对临近既有桥桩的影响；文献[6]通过监测手段研究了临近既有桥桩隧道的变形规律；文献[7-10]研究了盾构施工对既有桥桩的影响；文献[11-13]研究了基坑开挖施工对近邻既有桥桩的影响；文献[14]对暗挖区间侧穿高铁特大桥施工进行了数值仿真计算分析研究；文献[15]对盾构区间下穿普速铁路施工进行了数值仿真计算分析研究；文献[16]对暗挖区间下穿城市市政道桥施工进行了数值仿真计算分析研究；文献[17]对盾构区间下穿高铁桥施工进行了数值仿真计算分析研究。以上研究较多集中于明挖基坑施工、下穿普速铁路路基、暗挖侧穿桥桩等方面，而对地铁盾构区间左、右近距离侧穿高速铁路大桥研究几乎未涉及。考虑以上情况，如何降低盾构区间双线隧道侧穿施工对高速铁路的影响程度，规避风险，使盾构区间双线隧道在施工过程中更加安全高效是值得研究的问题。

以下穿郑西高铁大桥的地铁区间隧道工程为背景，对侧穿郑西高铁跨绕城高速大桥段区间隧道进行了设计，并用FLAC3D数值计算软件对隧道下穿郑西高铁跨绕城高速大桥进行有限元数值仿真计算分析，揭示了地铁盾构侧穿作业施工过程对高速铁路上跨绕城公路特大桥基础影响的规律；研究了同一承台处桩基变形趋势特征；分析了左右线盾构区间中间桥桩位移变形规律；总结了盾构区间顶部以上以及盾构区间洞内及底部以下2倍洞径范围内桥桩水平位移及竖向沉降特征；研究了土体应力平衡状态变化情况。研究成果对类似工程具有一定的参考价值。

1 工程概况

郑州地铁1号线化工路站到铁炉路站盾构区间工程，盾构管片厚度350 mm，盾构内径5 500 mm，外径6 000 mm。盾构下穿跨绕城高速大桥，该大桥为郑州到渑池段上跨绕郑州高高铁大桥：梁跨度32 m，预应力梁，轨道为有砟轨道。桥梁部分参数见表1。盾构下穿桥编号为58、59、60，58号和 59号桥桩之间为盾构左线穿越部位，59号和60号桥桩之间为盾构右线穿越部位，与大桥呈约96°～103°,位置关系如图1所示。相关参数见表1和表2。

图1 平面位置关系图

表1 高铁桥桥墩及基础基本情况

表2 盾构隧道外边缘与高铁桥桩基最小净距

2 盾构区间施工数值计算

运用大型有限差分法分析软件(FLAC3D)对上述工程施工重点工况进行数值仿真分析计算[1-3]。模拟计算步骤如下：

1)初始应力场模拟。

2)绕城高速特大桥结构构建施工。

3)差分计算数值模型位移归零。

4)区间左线盾构作业施工，盾构区间350 mm厚管片作业安装。

5)区间右线盾构作业施工，盾构区间350 mm厚管片作业安装。

绕城高速铁路大桥桥下基础桩受力荷载如下：箱梁、桥墩、承台、铁路轨道、附属电线立柱等恒载，以及动荷载(高速铁路运行过程中产生荷载)。根据相关前期基础资料确定桥下桩基础顶部最不利荷载取3×103kN,周边地表活荷载取20 000 Pa。具体数据见表3，有限元模型如图2、图3所示。

图2 三维地层-结构模型

图3 轨道交通结构模型

表3 材料参数

2.1 高铁桥桩分析

盾构区间作业施工过程中会造成桥桩的位移，运用上述大型有限差分法计算软件计算盾构区间左线线路通过后桥桩位移及左线和右线都通过后桥桩位移。桥桩位移如图4、图5所示。为便于分析数据，省去过程中位移变化结果，仅给出盾构区间通过后最终位移结果。

图4 左线隧道贯通后桥桩位移

图5 双线隧道贯通后桥桩位移

综合图4、图5分析可知：盾构区间左线线路施工完毕后，桥下桩基础最大位移值为3.2 mm，位置发生在与左线盾构区间同一深度处近邻盾构区间桥下桩基础，盾构区间左线和右线线路施工完毕后，桥下桩基础最大位移值为2.8 mm，位置发生在与左、右线盾构区间同一深度处近邻盾构区间桥下桩基础。

随桥下桩基础中心线距离盾构区间净距逐渐加大隧道侧穿高速桥施工对桩基础影响逐渐减弱。盾构区间左线线路穿越施工过程中对58号和59号桩基础产生较大的影响，对距离较远的60号桥桩基础影响微乎其微。考虑到58号和59号桥桩基础距离左线盾构区间距离较近，因此58号和59号桥桩基础变形大。盾构区间右线线路施工穿越完成后，对临近既有59号和60号桥桩基础影响较为明显，其位移变形显著增大，位移变化趋势与58号桥桩基础变化趋势一致。对于左线盾构区间与右线盾构区间之间的59号桥桩基础，随着远离或接近左、右线盾构区间,59号桥桩基础位移变化均减少，整体位移变化规律体现在竖向向下沉降变形。

盾构区间左线线路穿越完成后，同一桥下承台处桩基础变形趋势基本一致，原因为受同一承台约束桩机顶部(该出为刚性连接)；此外随着距离左线盾构区间中心线净距的增大，桥下桩基础位移减小，即净距较远处桥桩位移变形小于净距较小处桥桩位移变形。

综合以上结果可知，桥下桩基础变形规律如下：在盾构区间顶部以上主要体现在竖向位移沉降方面及向盾构区间方向水平变形方面；在盾构区间外径6 m区域内以及盾构区间管片外皮向下12 m(2倍洞径D：12 m=2×6 m)区域内随着周边土层背离盾构区间径向位移而导致桥下桩基础向盾构区间方向产生位移，但位移变化较小；盾构区间管片底以下2倍洞径到桥下桩基础区域，桥下桩基础位移变化大体体现在向盾构区间方向产生水平方向位移变化，但竖向沉降位移很小。

2.2 临近土层应力分析

盾构区间作业施工过程中会造成地层应力的变化，运用上述大型有限差分法计算软件计算盾构区间左线和右线都通过后地层应力(包括最大和最小主应力)情况。以及盾构区间未施工前地层初始应力(包括最大和最小主应力)情况。具体应力云图如图6～图9所示。

图6 地层初始最大主应力云图

图7 地层初始最小主应力云图

图8 左线隧道贯通后地层初始最大主应力云图

图9 双线隧道贯通后地层初始最小主应力云图

综合图6～图9分析可知：盾构区间左、右线线路施工打破了地层初始应力自平衡稳定状态，造成初始地层应力动态调整，再次趋向于新平衡状态进行调整，考虑到左、右线盾构区间施工引起临近地层初始应力重新分布区域范围有限，随着区间穿越施工完成后一段时间，临近影响范围内地层应力进行趋向于新平衡状态动态调整，进而达到平衡。

3 结论与建议

对侧穿大桥的区间隧道进行了数值计算，研究了区间隧道施工后桥桩的位移，并分析了地层应力平衡问题，得出如下结论：

1)随桥下桩基础中心线距离盾构区间净距逐渐加大隧道侧穿高速桥施工对桩基础影响逐渐减弱。盾构区间左线线路穿越施工过程中对58号和59号桩基础产生较大的影响，对距离较远的60号桥桩基础影响微乎其微。考虑到58号和59号桥桩基础距离左线盾构区间距离较近，因此58号和59号桥桩基础变形大。盾构区间右线线路施工穿越完成后，对临近既有59号和60号桥桩基础影响较为明显，其位移变形显著增大，位移变化趋势与58号桥桩基础变化趋势一致。对于左线盾构区间与右线盾构区间之间的59号桥桩基础，随着远离或接近左、右线盾构区间,59号桥桩基础位移变化均减少，整体位移变化规律体现在竖向向下沉降变形。

2)盾构区间左线线路穿越完成后，同一桥下承台处桩基础变形趋势基本一致；此外随着距离左线盾构区间中心线净距的增大，桥下桩基础位移减小，即净距较远处桥桩位移变形小于净距较小处桥桩位移变形。

3)在盾构区间顶部以上主要体现在竖向位移沉降方面及向盾构区间方向水平变形方面；在盾构区间外径6 m区域内以及盾构区间管片外皮向下12 m(2倍洞径D：12 m=2×6 m)区域内随着周边土层背离盾构区间径向位移而导致桥下桩基础向盾构区间方向产生位移，但位移变化较小；盾构区间管片底以下2倍洞径到桥下桩基础区域，桥下桩基础位移变化大体体现在向盾构区间方向产生水平方向位移变化，但竖向沉降位移很小。

4)盾构区间左、右线线路施工打破了地层初始应力自平衡稳定状态，造成初始地层应力动态调整，再次趋向于新平衡状态进行调整，考虑到左、右线盾构区间施工引起临近地层初始应力重新分布区域范围有限，随着区间穿越施工完成后一段时间，临近影响范围内地层应力进行趋向于新平衡状态动态调整，进而达到平衡。