地铁盾构隧道下穿铁路大桥数值模拟研究

王红涛

(天津晟源工程勘察设计有限公司，天津 300000)

随着地铁不断发展，地铁线网规划时，受周边建(构)筑物、地下管线等环境因素的制约，越来越多的地铁隧道下穿高速公路、桥梁、铁路等既有工程。地铁盾构区间隧道在施工整个过程中会对隧道周围土体产生较大的扰动，进而影响既有桥桩、路基等建(构)筑物结构的自身稳定性，从而导致既有结构的破坏,受到国内外学者广泛关注。

国内学者[1-8]依据不同城市地铁项目为背景，对区间隧道下穿既有桥梁、桩基、框架桥以及高速公路基等建(构)筑物进行了研究分析，为北京、成都、武汉、上海等大城市地铁隧道下穿风险源工程设计、施工提供了合理的理论依据及可靠的工程实践指导。洛阳地铁建设经验匮乏，结合洛阳当地水文地质对地铁隧道下穿风险源的研究迫在眉睫。

本文以洛阳地铁1号线杨湾站站后出入段线工程为背景，通过三维有限元数值模拟研究分析了盾构隧道对东北联络线特大铁路桥的影响，为类似工程的设计、施工提供参考。

1 工程概况及水文地质

1.1 工程概况

1.1.1 盾构区间隧道工程概况

洛阳市地铁1号线工程杨湾站站后出入段线区间采用盾构法施工。区间盾构段结构采用预制管片拼装而成。预制管片衬砌参数：内径φ5 500 mm、外径φ6 200 mm，管片厚度350 mm、环宽1.5 m、楔形量40 mm。衬砌环由1块封顶块K、2块邻接块(B1、B2)、3块标准块(A1、A2、A3)组成，采用错缝拼装的拼装方式。

本区间左、右线线间距为10.0～30.6 m，线路最大纵坡为33.458‰。本区间盾构机由杨湾站大里程端始发，明挖区间盾构井处接收。

1.1.2 东北联络线特大桥工程概况

该东北联络线特大桥位于洛阳枢纽内，枢纽东西接入陇海铁路，东至白马寺站，西至洛阳站，南北接焦柳铁路，北至孟津，南至关林。东北联络线特大桥结构形式为钢筋混凝土预制装配结构，跨度约32.6 m，采用φ1 000 mm钻孔桩基础，桩长约为26 m，墩台基础高度为2 m，桥下净空约为14～16 m，地铁1号线于东北联络线特大桥A067#～A069#桥墩之间下穿，其中地面标高为126.87 m。

东北联络线为Ⅰ级单线电气化铁路；基础为碎石-4000道床，轨枕为混凝土Ⅲ型桥枕，列车设计最高时速为120 km/h；轨道形式为有砟轨道，轨道结构高度为766 mm。下穿处东北联络线处位于曲线段，曲线半径1 200 m，纵坡为8‰。

1.1.3 区间隧道与东北联络线特大桥的位置关系

杨湾站站后出入段线左线区间与桩基的最小水平净距为8.1 m，右线区间与桩基的最小水平净距为8.6 m。其中联络线桥处区间覆土约6.1 m，盾构区间与铁路轨面竖向净距约25.7 m(图1、图2)。

图1 区间隧道与铁路平面位置关系

图2 区间隧道与铁路平面位置关系

1.2 场地地层特性及水文地质

1.2.1 工程地质

工程场地地层情况：自上而下依次由人工填土层、第四系全新统冲积层、第四系上更新冲积层构成。第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)：褐黄色，岩性主要黄土状粉质黏土及黄土状粉土，下部为细砂、卵石，广泛分布在本区，厚度10～15 m；第四系上更新统冲洪积(Q3al+pl)：主要为粉质黏土、粉土、卵石或卵石土夹砂、粉质粘土、粉土薄层。区间穿越的地层主要有黄土状粉质黏土、细砂、卵石地层等。

1.2.2 水文地质

本场地实测地下水位埋深为12.00～15.50 m，标高114.93～115.03 m，水量丰富，根据地下水介质特征和埋藏赋存条件，场地地下水类型主要为潜水。含水层为卵石层。补给来源主要为大气降水、渠水、灌溉水及河水，水量丰沛，地下水主要排泄方式为人工开采地下水，其次为地下径流。根据洛阳市地下水多年观测，地下水动态类型为气象水-文型，地下水位年变化幅度3.0 m左右，历史最高水位为118.00 m，该地区抗浮设防水位可按118.00 m考虑。

1.2.3 岩土工程参数建议值

岩土工程参数建议值见表1。

表1 洛阳地铁联络线工程岩土参数建议值

2 变形控制标准及主要工程技术措施

2.1 变形控制标准

根据TB 10002-2017《铁路桥涵设计规范》中第5.4.6规定墩台基础的沉降应按恒经计算，其工后沉降量不应超过表2限值。

表2 有砟轨道静定结构墩台基础工后沉降限值

2.2 主要工程技术措施

盾构穿越过程中，采取的主要措施：

(1)在穿越范围内，采用多孔特殊管片，取代普通段落的二次注浆，施作二次深孔加强注浆加固，以提高管片强度和稳定性，减少后期沉降。

(2)下穿单位内左、右线各采用高强度配筋衬砌管片。

(3)通过对盾构施工工艺的优化，在施工参数设定、盾构姿态控制的条件下，进一步减小地层沉降、桥梁变形。

(4)结合国内轨道交通区间隧道下穿国铁的成功经验，为确保下穿期间铁路的运营安全，建议对列车进行限速，限速45 km/h减速缓慢行驶。

(5)另外通过盾构同步注浆、盾尾补压浆及二次注浆的措施，能够有效地控制铁路桥桩的水平位移、竖向沉降。

(6)对铁路布设严密的监控网，加强其监控量测，严格监视各项控制指标的变化，用监测数据指导设计、施工。

3 盾构隧道下穿铁路桥涵施工影响数值模拟分析

3.1 使用软件及建立模型

有限元程序分析采用MIDAS/GTS岩土工程计算软件。采用自动划分实体网格的方法，划分单元为四节点的四面体单元，土体尺寸为171 m×68.2 m×40 m(分别为铁路桥的顺桥向、横桥向和土层厚度)。

建立三维有限元分析模型如图3所示。

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 隧道下穿对桥墩横、纵向位移分析

新建轨道交通1号线从东北联络线大桥67#、68#、69#桥墩中间穿越，左线区间与桩基的最小水平净距为8.1 m，右线区间与桩基的最小水平净距为8.6 m，隧道下穿对墩顶位移影响较大，墩顶位移直接影响铁路行车安全，因此有必要对因隧道的修建引起墩顶的横纵向的位移进行分析。取66#～70#桥墩进行分析(图4、图5)。

图3 三维几何模型及网格划分

图4 左、右线隧道施工后引起的墩顶横向位移

图5 左、右线隧道修建引起的墩顶横向位移

桥墩墩顶位移检算如表3所示。

故桥墩截面强度、偏心及墩顶纵、横向弹性位移均在允许范围之内，满足安全要求。

3.2.2 左线隧道贯通对铁路桥基桩的沉降影响分析

根据设计图纸，杨湾站站后出入段线下穿东北联络线先施工右线隧道，然后施工左线隧道。因左线隧道下穿引起的沉降增量如图6所示。

表3 墩顶位移检算结果 单位：mm

图6 左线隧道下穿引起桥墩基桩沉降云图

通过以上分析得出，左线下穿后东北联络线66#、67#、68#、69#、70#桥墩基桩沉降量分别为-0.16 mm、0.68 mm、1.54 mm、0.35 mm、-0.14 mm。

因左线下穿引起的东北联络线66#、67#、68#、69#、70#桥墩基桩沉降量分别为-0.01 mm、-0.03 mm、0.87 mm、0.55 mm、-0.03 mm。

因本工程左右线隧道施工引起的沉降量计算结果汇总如表4。

由表4可知，隧道下穿之后，东北联络线桥墩单墩沉降值最大值为70.9 mm，满足普速铁路有砟轨道不大于80 mm的要求，相邻桥墩沉降差值最大值为25.08 mm，满足普速铁路有砟轨道不大于40 mm的要求。

4 总结

盾构区间隧道施工时通过采取控制掘进参数、加强管片配筋、多孔注浆等措施可以有效的控制下穿段铁路桥桩的水平、竖向位移。

通过三维数值模拟计算，对地面沉降、桥桩沉降、相邻墩台差异沉降、墩台倾斜等变形指标进行分析可知，东北联络线的工后变形量满足控制标准。地铁施工对工务、电务、通信、供电、电力等既有设备的影响满足变形控制标准，且无需进行迁改、防护设计。

表4 隧道施工引起桥梁沉降量计算结果汇总 单位：mm