地铁盾构隧道下穿城市高架桥的影响分析

郭旭东

(广州地铁设计研究院股份有限公司,广东 广州 510000)

1 概述

随着城市的发展，人们的生活空间逐渐拥挤，各大城市持续大力推进道路立体交通建设[1]。发展地下轨道交通已成为社会可持续发展的重要方向之一，一大批隧道工程逐渐涌现，随之出现的问题是，新建隧道工程将不可避免地穿越现有的城市既有工程。为保证工程的安全运行，盾构施工以其独特的优势在城市隧道施工中得到广泛应用。高架桥是城市中常见的构筑物之一，迅速增多的城市高架桥使盾构施工预留的施工范围和允许扰动量日益减少，因盾构施工引发的地面高架坍塌事故屡见不鲜。工程建设迫切需要在确保新隧道盾构顺利实施的同时，减小隧道穿越对已有高架桥的影响。因此，研究盾构隧道下穿高架桥时构筑物间的相互影响，对保证工程安全施工和高架桥安全运营具有重要的意义[2]。

近年来，针对盾构隧道与高架桥的相互作用、影响这一工程问题，国内外许多学者采用不同的方法进行了大量研究。随着计算机科学技术的发展，数值模拟技术已成为隧道开挖计算的主要研究方法之一。刘涛[3]以南水北调输水隧道穿越北京地铁13号线清河高架桥为研究背景，利用ANSYS有限元软件对穿越工程的盾构施工过程进行模拟，对盾构隧道穿越既有高架桥变形及控制进行研究，并结合现场监测数据，验证了数值模型的合理性。熊志辉[4]以厦门地铁1号线园杏区间盾构隧道穿越某高架桥工程为依托，采用理论分析和数值模拟方法，结合现场监测数据，研究盾构隧道穿越高架桥引起的地表沉降问题，并提出了加固技术措施，有效保证高架桥的安全运营。刘万杰[5]以福州地铁5号线城福区间为工程背景，采用数值模拟方法，研究了盾构隧道施工对既有高架桥结构变形的影响规律，并提出选用隔离桩作为防护措施，有效减小了桥墩的位移量。姚西平等[6]对盾构穿越高速铁路桥梁的两个案例进行了研究。通过数值模拟计算和分析，评价了隧道施工对桥墩变形、轨道不平顺以及行车安全和旅客舒适度的影响。通过现场试验对计算结果进行了验证。Pan等[7]以福州绕城高速铁路隧道在既有公路隧道上方运行为背景，利用Midas GTS建立的三维有限元模型进行数值计算，并将模拟结果与实测数据进行对比。研究了既有隧道拱顶的竖向变形、拱脚的相对竖向位移和相对水平位移。

本文以广州地铁18号线番禺广场站—南村万博站盾构隧道下穿既有高架桥为工程背景，采用三维有限元软件Midas，建立了三维有限元模型，分析下穿隧道盾构施工对既有高架桥桩基和桥墩的影响；同时利用桥梁工程专用软件Midas civil，分析桥梁结构在盾构施工影响作用下是否满足规范及标准要求，可为盾构下穿桥梁工程的建设和运营提供参考。

2 工程概况及地质条件

广州地铁18号线番禺广场站—南村万博站区间部分区段下穿已建迎宾路接东环路高架桥。该区间隧道采用盾构法施工，埋深约32.2 m，盾构外径8.5 m，内径7.7 m，管片宽度1.6 m，管片厚度0.4 m，管片中线间距为17.0 m，管片强度为C50。

图1为盾构隧道下穿高架桥示意图。高架主线标准段桥宽27.0 m，梁高1.3 m，为预应力混凝土连续板梁结构，纵向力筋采用高强度低松弛钢绞线，横桥向采用整体式断面，全桥宽共由三块宽8.9 m的肋板组成，肋宽1.6 m，横桥向采用无黏结预应力钢绞线作力筋。荷载标准为汽车-超20级，挂车-120级，横截面断面共设置了6个车道。穿越区间内的桥梁基础采用钻孔灌注桩基础，灌注桩直径1 500 mm，左线桩底标高-11.48 m，桩长29 m，右线桩底标高-12.48 m，桩长30 m，左线桩端距离隧道顶部约4.68 m，右线桩端距离隧道顶部约3.68 m，地铁盾构隧道穿越的主要地层为强风化花岗岩。

根据现场地质勘查报告，盾构隧道在此区间穿越地层自上而下分别为：①素填土、②砂质黏性土、③全风化花岗岩、④强风化花岗岩、⑤中风化花岗岩、⑥微风化花岗岩。区间内地下水类型为第四系松散层孔隙潜水，孔隙潜水主要赋存于填土之下，黏性土之间，潜水层渗透性差，富水性好，水量较丰富。

3 盾构穿越桥梁数值模拟

本文采用Midas GTS有限元数值模拟软件模拟盾构隧道施工，建立了地层、盾构隧道与高架桥的计算模型，采用了Mohr-Coulomb及Elastic本构模型，研究了盾构施工对既有高架桥的影响。

3.1 计算模型及参数确定

1)模型尺寸、网格划分及边界条件。

总体模型尺寸选取，充分考虑了盾构开挖引起的边界效应，结合实际经验，根据圣维南原理，取一联桥梁进行计算，模型范围取3倍～5倍洞径[8]。

a.高度：由地表向下取至隧道底以下3D以上(D为盾构隧道的直径)，即33.11+8.5+3×8.5=67.11 m，取为75 m；b.宽度，取至盾构两外侧6D，即25.5+6×8.5=76.5 m，取为88 m；c.长度取为10D，即10×8.5=85 m，取为150 m。根据上述条件，建立了基于Midas GTS程序的三维计算模型进行数值模型，如图2所示。数值模型采用六面体与四面体混合单元进行划分，共划分602 125个单元和263 724个节点。模型边界采用默认的标准约束，即模型底部竖向位移为0，四个侧面法向位移为0，顶部为自由面，不加约束。

2)土体模型及其物理力学参数。

本文数值模拟模型中岩土体采用修正摩尔库仑本构模型，根据现场地质勘查报告及已有工程经验，研究区段隧道上覆岩土体计算参数见表1。

3)盾构施工及高架桥结构参数。

本工程研究区间内隧道管片宽度1.6 m，管片厚度0.4 m，盾构隧道结构及桥梁结构均采用弹性本构模型，计算参数见表2。

表1 岩土体主要物理力学参数

表2 盾构施工及桥梁结构模拟参数

计算过程中的盾构隧道施工千斤顶的推力取14 000 kN，掘进面土压力取220 kPa。将所有千斤顶的总推力除以隧道衬砌的横截面积来确定千斤顶推力的大小，再通过设置在隧道横断面上的面荷载模拟千斤顶推力[9]。

3.2 计算工况及施工过程模拟

针对盾构下穿高架桥施工过程，本次分析主要分为114个工况，即114个施工步，在施工过程中，首先开挖地铁盾构隧道右线，当右线掘进距离不少于100 m时，左线盾构隧道开始掘进，模拟过程主要考虑开挖卸载、泥水支护、同步注浆、管片衬砌等工序[10]，模拟过程如下：

1)初始应力场平衡，得到未开挖下的初始重力场。

2)桥梁施工，由于此次模拟分析是对隧道下穿上部已建高架桥的影响，故不考虑桥梁施工产生的位移，将位移作清零处理。

3)开挖右线1步～55步土体，在开挖面施加盾构机掘进顶力，并进行激活1步～55步盾壳。钝化第N节土体，钝化第N-1节盾壳，激活第N节盾壳，激活第N-1节盾构管片，激活第N-1节注浆层，激活相关顶推力、千斤顶力，注浆压力。

4)开挖左线1步～55步土体，开挖面施加盾构机掘进顶力，并进行激活1步～55步盾壳。钝化第N节土体，钝化第N-1节盾壳，激活第N节盾壳，激活第N-1节盾构管片，激活第N-1节注浆层，激活相关顶推力、千斤顶力，注浆压力。

3.3 模型假定

由于地基土是一种非线性的复杂材料且在盾构开挖的过程中，土体与管片的相互作用极其复杂，模拟其真实状况也是极其困难的[11]。本次模拟为了简化模型，提高数值运算效率，对计算模型做如下的假定：1)在盾构开挖的过程中忽略土体变形的时间效应；2)考虑土体的分层，且土体为各向同性的连续线弹性体；3)盾构隧道在开挖过程中受力状态十分复杂，掌子面上推力在开挖过程中比较稳定，故在开挖面上作用均匀分布的压力来模拟土体的移动；4)在土体和盾构隧道管节之间施加一定厚度的实体单元来模拟注浆作用，反映在自重作用下隧道衬砌管片与土体空隙间的闭合过程；5)在模拟时，在进行盾构开挖的同时，在后方进行注浆改变材料参数等操作，模拟管片注浆。

4 计算分析

通过Midas模拟盾构隧道下穿已建迎宾路接东环路高架桥的施工过程，通过研究高架桥桩基弯矩和桥梁沉降，分析隧道盾构施工对既有高架桥桩基和桥墩的影响。以下为盾构施工对高架桥影响性计算结果。因篇幅有限，仅展示盾构隧道右线贯通及完成时的计算云图(见图3～图5)，其他计算步所得结果用表格展示(见表3，表4)。

4.1 桩基弯矩分析

已有高架桥桩基为钻孔灌注桩基础，桩基础所受弯矩值将极大程度上决定高架桥的结构安全，图3，图4为模拟所得盾构施工后高架桥桩基础弯矩值云图。

表3 桩基础弯矩极值汇总表 kN·m

由图3，图4及表3可知，盾构隧道下穿已建迎宾路接东环路高架桥的整个施工过程引起的桩基础弯矩在两个正交方向上的极值均集中于桩端；在整个过程当中，桩基X方向的最大弯矩差值绝对值为2.372 kN·m，桩基Y方向的最大弯矩差值绝对值为1.119 kN·m，远小于桩基弯矩承载力，弯矩增值趋于稳定，即盾构隧道施工对既有桥梁桩基础的弯矩有一定影响，但风险可控。

4.2 桩基位移分析

表4 桥梁结构位移极值汇总表 mm

由图5,表4可知：1)盾构隧道下穿已建迎宾路接东环路高架桥的整个施工过程引起的桥梁水平位移和竖直位移的极值很小；2)在整个过程当中，X方向最大水平绝对位移为0.346 3 mm(偏向东向)，Y方向最大绝对水平位移为0.306 1 mm(偏向南向)，Z方向最大绝对水平位移为1.401 1 mm(下沉)，相邻墩台间的最大沉降差为1.297 9 mm，均小于JTG D63—2007公路桥涵地基与基础设计规范的40 mm限值，因此盾构隧道施工对既有桥梁结构的位移有一定影响，但风险可控。

5 桥梁上部结构安全验算

由于东环路高架桥为7跨连续梁，为多次超静定结构，故采用有限元分析对桥梁进行计算较为方便。本次验算采用JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范进行[12]。

5.1 计算模型

该高架桥的梁高为1.3 m，为预应力混凝土连续板梁结构，纵向力筋采用高强度低松弛钢绞线，横桥向采用整体式断面，全桥宽共由三块宽8.9 m的肋板组成，肋宽1.6 m，大悬臂挑出，横桥向采用无黏结预应力钢绞线作力筋。荷载标准为汽车-超20级，挂车-120级。计算采用Midas civil有限元软件建模，结构计算模型如图6所示。随后施加荷载，其中荷载分为桥梁自重、二期恒载和汽车荷载等。

将全桥划分为71个节点、70个单元，施工分为3个阶段，分别是主梁施工阶段、施加二期恒载阶段和运营阶段，其中运营阶段考虑梁结构混凝土收缩徐变作用。

5.2 验算结果

分别模拟计算自重、二期恒载、汽车荷载、收缩徐变、温度荷载、差异沉降作用下，高架桥主梁的荷载效应，高架桥的内力图如图7所示。

根据各荷载工况下主梁弯矩云图可知，在沉降作用下93号墩墩顶弯矩变化值最大，证明93号墩受盾构施工影响最大，故将93号墩顶主梁截面及93跨跨中截面的内力汇总如表5，表6所示。

以JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范为依据通过对桥梁进行复核计算，计算结果如表5所示。根据表5可得，承载能力极限状态基本组合计算得到的93跨跨中最大弯矩值为1.67e+04 kN·m，小于结构容许值1.93e+04 kN·m，正常使用极限状态基本组合计算得到应力值均小于控制应力值；承载能力极限状态基本组合计算得到的93号墩墩顶的最大弯矩值为-2.32e+04 kN·m，小于结构容许值-3.48e+04 kN·m，正常使用极限状态基本组合计算得到应力值均小于控制应力值；计算得到剪力抗力为1.04e+04 kN大于作用组合计算值-7.97e+03 kN，满足规范要求。

表5 civil计算内力结果表

表6 承载能力极限状态及正常使用极限状态验算结果

6 结论

本文以广州地铁18号线番禺广场站—南村万博站盾构隧道下穿既有高架桥为工程背景，研究了隧道盾构施工对既有高架桥桩基和桥墩的影响，并对桥梁上部结构进行安全验算，得到以下结论：

1)盾构隧道下穿既有高架桥的整个施工过程引起的桩基础弯矩在两个正交方向上的极值均集中于桩端且远小于桩基弯矩承载力，引起的桥梁水平位移和竖直位移均小于控制标准40 mm。说明该盾构隧道施工对既有桥梁桩基础影响较小。2)根据关键截面的承载能力极限状态和正常使用极限状态的验算结果，表明该高架桥正截面最大弯矩强度、最大主压应力和最大主拉应力均满足规范要求，即盾构施工对桥梁影响处于安全范围内，不会对桥梁安全运营产生不可忽视的影响。