地铁重叠隧道盾构下穿拱桥数值分析

武保华

(西南交通大学希望学院土木工程学院，四川 成都 610400)

0 引言

随着城市交通的发展，城市地铁因其占用土地和空间少、运输能量大、运行速度快、环境污染小、乘客安全舒适等优点被多个城市采用，城市轨道交通的区间路线在城市的主要城区施工，一般采用盾构施工的方式[1-4]。随着城市地铁建设的不断深入，地铁的区间路线在城市的老城区沿主要的交通走廊铺设，将不可避免地与已建建筑及桥梁的基础产生一定的位置关系矛盾，如国外日本东京的四孔近距离地铁隧道、新加坡高速公共交通系统中的四孔快速地铁隧道。受交通、管线、既有建(构)筑物等客观因素影响，为降低工程风险、减少工程投资并减小环境影响，地铁区间隧道需要在狭窄的空间穿过，不可避免会采用重叠隧道的方案进行穿越。在复杂城市环境下，对重叠隧道下穿既有建筑和桥梁的情况，如何保证隧道自身施工安全同时最大限度地减少对既有建筑和桥梁的影响是一个重要的研究课题。

近年来，相继有科研人员对重叠隧道地铁施工展开研究，肖潇等[5]对多线叠交盾构施工引起土体变形进行了数值模拟分析，黄俊等[6]对地铁重叠隧道上覆地层变形进行了数值模拟，张海波等[7]以上海轨道交通明珠线二期工程浦东南路近距离叠隧道盾构施工为研究对象，采用三维非线性有限元，对近距离叠交下后建隧道盾构施工引起老衬砌的应力和变形进行模拟。

拱桥为超静定结构，特别是连拱拱桥，微小沉降都会引起结构内力改变，使之失稳；而地铁下穿拱桥的盾构施工不可避免会导致拱桥桥台的不均匀沉降，危害桥梁的正常使用和承载能力，如何分析地铁重叠隧道盾构施工对周围的土体的扰动影响，确保连拱拱桥的正常使用和盾构的顺利推进，是盾构隧道下穿建筑物的设计与施工中的非常关键的问题，文宝军等[8]针对地铁盾构隧道下穿护城河拱桥的沉降进行了数值模拟并提出了相应的控制措施。

本文结合成都地铁重叠隧道盾构下穿某实腹式连拱拱桥实例，采用MIDAS/GTS有限元对4条重叠隧道盾构施工下穿实腹式连拱拱桥进行数值分析，提出施工措施，为设计和施工提供参考[9]。

1 工程概况

成都市某三跨砖拱桥，桥梁采用实体墩式扩大基础形式，建成于20世纪60年代，在2004年进行过桥面系改造。设计净跨径12.0 m，拱顶厚60 cm，拱脚厚度80 cm，设计荷载：汽-13级，验算荷载：拖-60 t，拱圈采用旧城墙砖，用100级砂浆砌筑；成都地铁5号、6号线区间隧道穿越该拱桥及河流，5号线隧道距离该桥墩基础最小净距4.37 m～6.11 m；6号线隧道距离该桥墩基础最小净距2.98 m～3.74 m。该桥与成都地铁5号、6号线位置关系图见图1。

拱桥及下穿重叠隧道的土体力学性质及土层厚度如表1所示。

表1 土层力学参数

2 盾构施工数值模拟分析

2.1 研究方法

根据所提供的区间设计方案等资料，采用施工场地地质勘探报告中地层分布建立计算模型，采用三维有限元数值分析方法，对盾构区间施工下穿连拱拱桥整个施工过程进行模拟，主要针对施工过程中对已有桥梁基础进行位移沉降分析，并验算在隧道盾构施工过程中拱圈应力情况，对拱桥结构进行评价，并根据拱桥的加固方案，进行数值分析与实测数据对比。

2.2 计算模型

数值模型坐标系：计算模型的水平X轴指向盾构掘进方向为正；水平Y轴方向指向连拱拱桥横断面方向为正；竖直Z轴指向重力反方向为正。

计算范围：Y轴方向：左右边界距连拱拱桥桥台后侧40 m；X轴方向：左右边界距连拱拱桥中轴线各64 m；Z轴方向：模型上表面取为天然地面，下表面取至距上表面50 m。模型尺寸(长×宽×高)：137 m×128 m×50 m。

模型网格：整个计算模型单元数为119 868个，节点数为62 675个。图2为整体分析三维数值模型网格图；图3为该连拱拱桥和重叠隧道三维数值模型关系网格图。

2.3 计算参数

本构模型：各岩土层采用弹塑性摩尔-库仑屈服准则，已有桥梁基础、台身以及拱上建筑、隧道衬砌结构等均采用线弹性材料本构模型。

边界条件：X轴方向前后边界施加X方向上连杆约束；Y轴方向前后边界施加Y方向上连杆约束；Z轴方向下表面边界施加Z方向上连杆约束。

计算参数：土层力学参数如表1所示，结构参数如表2所示。

表2 结构参数

2.4 控制点位置

为了分析重叠隧道盾构施工对拱桥的影响，沿着里程增大方向(即隧道掘进方向)将拱桥基础分为0号台、1号墩、2号墩和3号台，分析墩台基础4个脚点的位移变形情况，变形控制点如图4所示。

3 计算结果及分析

1)盾构施工6号线左线不同位置时的拱桥的基础控制点位移。

0号台控制点位移如图5所示，1号墩控制点位移如图6所示，2号墩控制点位移如图7所示，3号台控制点位移如图8所示。

从图5中可以看出：

a.0号台在盾构未到时，基础4个控制点位移是向上的，呈现的是隆起的趋势。

b.到达0号台时，盾构一侧的基础控制点3号、4号点位下降，随着盾构的向前推进，3号、4号点位下降，1号、2号点位由于翘曲原因呈现向上的位移。

c.盾构离开拱桥后，0号台的基础位移隆起最大为9.84 mm,位于0号台左侧，沉降最大为5.41 mm，位于0号台右侧。

从图6中可以看出：

a.1号墩在盾构未到时，基础4个控制点位移变化不大，由于0号台的基础变位，呈现的是沉降的趋势，沉降位移在1 mm之内。

b.到达1号墩时，盾构一侧的基础控制点3号、4号点位下降，随着盾构的向前推进，3号、4号点位下降，1号、2号点位由于翘曲原因呈现向上的位移。

c.盾构离开1号墩后，3/4号点位沉降明显，到达2号墩后沉降趋缓；由于翘曲因素1/2号点位隆起趋势渐缓。

d.盾构离开拱桥后，1号墩的基础位移隆起最大为3.41 mm，位于1号墩左侧，沉降最大为8.75 mm，位于1号墩右侧。

从图7中可以看出：

a.2号墩在盾构未到时，基础4个控制点位移变化不大，由于0号台和1号墩的基础变位，呈现的是沉降的趋势，沉降位移在1 mm之内。

b.到达2号墩时，盾构一侧的基础控制点3号、4号点位下降，随着盾构的向前推进，3号、4号点位下降，1号、2号点位由于翘曲原因呈现向上的位移。

c.盾构离开2号墩后，3/4号点位沉降明显，到达3号台后沉降趋缓；由于翘曲因素1/2号点位隆起趋势渐缓。

d.盾构离开拱桥后，2号墩的基础位移隆起最大为2.94 mm，位于2号墩左侧，沉降最大为7.98 mm，位于2号墩右侧。

从图8中可以看出：

a.3号台在盾构未到时，基础4个控制点位移由于0号台、1号墩和2号墩的基础变位，呈现的是隆起的趋势，隆起位移在7 mm之内。

b.到达3号台时，盾构一侧的基础控制点3号、4号点位下降，随着盾构的向前推进，3号、4号点位下降，1号、2号点位由于翘曲原因呈现向上的位移。

c.盾构离开3号台后，3/4号点位沉降明显，离开3号台一段距离后沉降趋缓；由于翘曲因素1/2号点位隆起趋势渐缓。

d.盾构离开拱桥后，3号台的基础位移隆起最大为8.18 mm，位于3号台左侧，沉降最大为2.24 mm，位于3号台右侧。

2)盾构施工6号线左线不同位置时拱桥基础位移评价。

综合以上所述，6号线左线盾构施工过程中拱桥基础位移评价如表3，表4所示。

表3 盾构不同位置时拱桥基础位移评价表 mm

表4 相邻桥梁墩台间差异沉降 mm

3)盾构施工6号线左线不同位置时拱桥拱圈应力评价。

盾构施工6号线左线不同位置时拱桥拱圈应力结果如表5所示。

表5 盾构施工不同位置的拱圈应力 MPa

4)盾构施工结果分析。

因该拱桥下穿4条地铁线路，分别为5号线左右线和6号线左右线，并且为上下重叠布置，其中，6号线左线隧道顶部离西北桥基础较近，经过数值模拟分析，6号线左线盾构施工过程中，0号台和1号墩的差异沉降及2号墩和3号台的 差异沉降不满足要求；第一孔L/4拱圈主应力和第三孔3L/4拱圈主应力由于拉应力过大，不满足拱圈容许应力值。

故当4条隧道盾构施工后，更不满足沉降和应力的要求，因此，需要对拱桥进行加固处理。

4 拱桥加固数值分析及实测结果比较

4.1 拱桥加固方案

1)靠近西北桥0号桥台和3号桥台外侧地面各打设两排φ159×8 mm@0.4 m管棚，约束桥梁的水平位移，管棚长14.5 m，底部伸入基础底2 m，管棚内插入3根直径20 mm钢筋，管内灌注水泥浆。

2)2号桥墩和3号桥墩基础埋设直径52 mm的袖阀管，以利于桥墩沉降时对中间基底进行注浆加固，注浆管长约6.2 m～6.8 m。注浆孔南北东西向间距2 m，注浆范围南北长度50 m(同基础长)。

3)对全桥桥拱进行钢筋混凝土支撑。为保证支撑效果，支撑底部设置400 mm厚钢筋混凝土支撑板，侧墙设置300 mm厚，拱板设置400 mm厚。主筋保护层：迎水侧为50 mm，其余为40 mm。钢筋的连接采用焊接，焊接长度单面焊不小于10d，双面焊不小于5d。

4.2 拱桥加固后数值分析及实测结果比较

盾构施工过程从5号线左线开始施工，盾构施工过桥后6 m，再施工5号线右线，然后施工6号线左线，最后施工6号线右线。

拱桥加固后，盾构过程中控制点的位移和差异沉降经数值模拟分析得到表6，表7所示结果；拱桥拱圈应力结果如表8所示。

表6 加固后盾构不同位置时拱桥基础位移评价表 mm

表7 加固后相邻桥梁墩台间差异沉降 mm

表8 盾构施工过程中拱圈应力 MPa

加固后的拱桥在盾构过程中对控制点进行实测，并与数值模拟进行对比。

以0-2号控制点为例，基础沉降变形与实测结果如图9所示。

5 结论与建议

通过该连拱拱桥在四条地铁隧道下穿盾构施工的数值模拟和实测结果分析对比，得到下面的结论：

1)城市地铁盾构施工对连拱拱桥影响较大，应首先进行数值模拟分析，得到拱桥基础的沉降规律，并确定最大变形位移，同时应分析拱桥的应力状态。

2)由于拱桥受到水平推力的影响，数值模拟时应着重考虑拱桥的边界条件，结合岩土+结构一体化建模方式有助于全面分析地铁盾构下穿拱桥的整体变化。

3)数值分析的结论应与实测资料进行对比分析，合理调整岩土的本构关系，为类似地层及下穿建筑物提供工程参考。