人行天桥施工和运营对既有隧道的影响研究

尚继科，方建平，马 亮，李国权

（1、衢州市交通设计有限公司 浙江衢州 324000；2、中铁二院华东勘察设计有限责任公司 杭州 310004；3、成都华丰工程勘察设计有限公司杭州分公司 杭州 310000）

0 引言

随着人们对交通舒适性与便捷性要求的不断提高，轨道交通的覆盖范围越来越广，逐渐成为当地经济发展主要的支撑性建设。截止2020 年12 月31 日，我国大陆城市中轨道交通线路达近200 条，运营总里程达到7 715 km，覆盖了大中型城市共44个。2021年是我国“十四五规划”的开局之年，我国城市轨道交通的建设进入新的发展阶段。

地下城市轨道交通网随地下空间的开发和利用而逐渐形成，当在地面上建造建筑物时，不可避免地会引起地层应力的重分布，并对临近既有地下建筑造成不利影响［1-4］。新建项目的施工往往会使已受力稳定的地下结构和周围土体产生附加应力与位移，可引起地下轨道交通结构的过度沉降或变形，改变原区间隧道的受力状态，从而对城市轨道交通的安全运营造成威胁［5-7］。

针对以上问题，BENTON 等人［8］从桩和群桩两个方面，分别就桩基施工与承受荷载时对隧道变形的影响进行了研究。POTTS 等人［9］研究了在加载阶段，相对位置关系不同时群桩对隧道变形产生的影响，并由分析结果确定了合理的桩隧净距。闫静雅等人［10］通过数值分析模型对隧道刚度、桩长以及桩隧净距等对已建隧道变形和弯矩的影响进行了单因素敏感性分析，并总结出了相关因素的影响规律。路平等人［11］对立交桥桩基施工和运营对既有隧道的影响进行了研究，得到了桩基施工和承载运营对既有地铁隧道位移及内力的影响机制和影响规律。胡乾［12］利用Midas∕GTS 建立了拟建机动车4S 店项目对临近隧道结构影响的有限元分析模型，得到了拟建项目引起隧道结构的水平和竖向位移，对隧道结构的安全性进行了评估。

本文以合肥市某道路改造中新建人行天桥项目为工程实例，采用Midas∕GTS NX有限元分析软件对近距离钻孔灌注桩施工、人行天桥上部结构施工、人行天桥运营等对既有地下隧道的影响进行分析，以期为处理桥隧相交的工程问题提供参考。

1 工程概况

新建人行天桥的主桥为平行四边形钢桁架结构，简支于平台之上，该钢桁架结构长62.87 m，宽46.41 m。在主桥的4 个角点上设置引桥，引桥采用钢箱梁结构与地面固定连接。主桥与引桥的宽度均为4.1 m。

新建人行天桥与既有隧道结构的位置关系的立面如图1 所示。主桥与A 隧道的水平距离较近，为了避免桥墩施工对隧道结构造成不利影响，桥梁采用能够垂直跨越A 隧道的大跨度承台结构。承台下分两排设置共6 根钻孔灌注桩，两排桩的外边缘与隧道结构外边缘的垂直距离分别为2.1 m 和3.7 m，尽量避免桩基施工对隧道产生不利影响。主桥桥墩为直径80 cm 的钢管混凝土结构，引桥与主桥固定连接并通过圆形墩支撑与地面之上，承台采用明挖法施工，开挖深度为4.0 m。

图1 人行天桥与地铁结构立面Fig.1 Elevation of Pedestrian Bridge and the Tunnel（m）

拟建工程地处合肥断陷盆地，为巨厚的中、新生代陆源碎屑岩堆积区，场地地表均被第四系全新统南淝河组、上更新统下蜀组沉积物所覆盖，其下伏地层为中新生界红色碎屑岩系。场区内地下水类型主要有孔隙潜水、空隙承压水及基岩裂隙水，水位埋深一般在0.3～8.5 m。

2 数值分析

2.1 数值模型与网格划分

采用岩土与隧道专用有限元分析软件Midas∕GTS NX 建立新建人行天桥与既有隧道结构的三维数值分析模型，为简化计算，现作如下基本假设：

⑴ 计算模型中，地层按自上而下的顺序简化为等厚的成层土，土层的厚度根据场地内各土层埋深的变异性与起伏性综合确定。

⑵距离较远的隧道结构受人行天桥桩基的影响较小，因此仅对距人行天桥桩基水平净距50 m范围内的隧道结构进行分析，数值模型建立200 m隧道结构。

土体本构模型采用摩尔库伦模型；隧道、主梁和楼梯均用板单元模拟；钻孔灌注桩采用梁单元模拟。

为模拟桩体与土体之间的相互作用，在桩-土交界面上设置接触单元。数值分析按实际的施工顺序模拟，数值模型和网格划分如图2所示。

图2 数值模型与网格划分Fig.2 Numerical Modeling and Meshing

2.2 土体材料参数

为加快模型收敛，将材性相近的土层合并。模型中的土体可划分为5个土层，其参数如表1所示。

表1 土层参数Tab.1 The Soil Parameters

2.3 施工过程模拟

将整个受力过程分为3 个阶段，阶段1 为基坑开挖与桩基施工，阶段2为上部结构施工，阶段3为人行天桥运营。钻孔灌注桩施工的模拟可分为钻孔开挖与混凝土注入成桩2 个阶段，其中钻孔开挖通过桩单元模拟土体的卸载；混凝土成桩中通过桩-土接触单元模拟混凝土与土体的相互摩擦作用；上部结构施工和人行天桥运营阶段的分析均根据设计方案通过在主梁和楼梯顶面施加均布荷载来模拟。

2.4 数值分析结果

通过数值分析得到人行天桥施工的3个阶段对隧道结构及其周边土体结构的影响。

2.4.1 土体位移

不同施工阶段土体竖向位移和水平位移的分析结果如图3 和4 所示。不同施工阶段土体的最大位移如表2所示。

表2 土体最大位移Tab.2 Maximum Displacement of Soil（mm）

图3 土体竖向位移云图Fig.3 Vertical Displacement Cloud Diagram of Soil

由分析结果可得，阶段1 对土体的竖向和水平位移均有明显影响，阶段2 对土体位移的影响较阶段1小，阶段3对土体位移的影响最小，对土体的水平位移几乎没有影响。

图4 土体水平位移云图Fig.4 Horizontal Displacement Cloud Diagram of Soil

2.4.2 隧道位移

不同施工阶段的隧道位移如图5 和6 所示。隧道竖向位移分析结果表明，四边形钢桁架人行天桥的桥墩位置处，隧道位移竖直向下，位移最大。桥墩以外的位置隧道位移竖直向上，发生反拱现象。

图5 隧道竖向位移云图Fig.5 Vertical Displacement Cloud Diagram of Tunnel

数值模型中，除桥墩位置处隧道的水平位移为负外，隧道的其他位置水平位移为正。在桥墩位置处隧道结构受较大拉应力作用，因此需重点分析此处的水平应力。

不同施工阶段隧道的最大位移如表3所示。隧道结构在阶段一的竖向与水平位移均较明显；阶段2 对隧道竖向位移的影响与阶段1 相当，对水平位移的影响较阶段1 更明显；在阶段3，隧道的位移几乎没有增大。

表3 隧道最大竖向位移Tab.3 Maximum Vertical Displacement of Tunnel（mm）

《城市轨道交通结构安全保护技术规范：CJJ∕T 202—2013》中对城市轨道交通结构安全的控制指标值做出了具体要求，其中隧道水平和竖向位移的预警控制值均为10 mm。数值计算结果显示：隧道位移满足《城市轨道交通结构安全保护技术规范：CJJ∕T 202—2013》要求。

图6 隧道水平位移云图Fig.6 Horizontal Displacement Cloud Diagram of Tunnel

2.4.3 隧道内力

不同施工阶段隧道的弯矩如图7所示。隧道的弯矩分析结果表明，隧道距离桩较近的位置弯矩较大，远离桩的位置弯矩较小。拱腰位置所受弯矩较大，且弯矩最大值仅在隧道较小的范围内出现。

图7 隧道弯矩Fig.7 The Bending Moment of Tunnel

不同施工阶段隧道的最大弯矩如表4 所示，隧道结构在阶段1 的弯矩变化较大；阶段2 对隧道弯矩的影响更明显；在阶段3，隧道的弯矩变化很小。

表4 隧道最大弯矩Tab.4 The Maximum Bending Moment of Tunnel （kN·m）

3 结论

本文以合肥市某道路改造中新建人行天桥项目为工程实例，通过Midas∕GTS NX 有限元分析软件分析了不同施工阶段新建人行天桥对地下既有隧道和周围土体的位移影响。计算结果表明：

⑴基坑开挖与桩基施工、上部结构施工两阶段对隧道结构和土体的位移影响明显；在运营阶段，隧道结构和土体的位移几乎没有变化。

⑵基坑开挖与桩基施工、上部结构施工两个阶段对隧道的弯矩影响明显；在运营阶段，隧道的弯矩变化很小。

⑶隧道结构在人行天桥各施工阶段的水平和竖向位移均在安全控制值的范围内，满足地铁安全运营的要求。