新建跨河桥梁对邻近既有地铁隧道的影响分析

刘成 曹泉水 郑磊

新建跨河桥梁具有邻近既有地铁隧道、桥梁走向与隧道走向基本同向、桥梁和隧道平面位置基本重叠、隧道上置抗浮盖板、桥梁纵向跨越抗浮盖板。结合贵阳市拟建金钟河桥邻近跨越轨道交通2号线项目，通过有限元软件建模分析拟建桥梁在不同施工阶段对既有地铁隧道、地表土层、抗浮盖板的变形影响，并分析其对隧道结构强度的影响，结果证明拟建桥梁对地铁隧道等产生变形效应，也影响隧道结构强度，但都在安全可控范围内，设计符合控制要求。最后，结合工程实际给出保持桩基与隧道最小间距、加强专项施工方案设计、加强施工过程监控等具体施工建议。

桥梁; 邻近地铁; 隧道; 变形; 结构强度

U452.2+6 A

［定稿日期］2021-12-27

［基金项目］西南交通大学希望学院青年科研项目（项目编号：2018016），住房和城乡建设部科学技术计划项目（项目编号：2018-R2-005）

［作者简介］刘成（1988—），男，硕士，讲师，工程师，研究方向为桥隧设计及施工管理。

在既有地铁一定范围内新建桥梁，桥梁基础开挖、上部结构施工、后期桥梁运营等因素势必会对隧道周围土体产生扰动，竖向荷载增加导致隧道围岩应力分布产生变化，引起隧道结构应力重分布，从而产生隧道整体竖向和水平向位移等位移效应。如果应力分布严重不均、位移较大，会有隧道开裂、漏水、轨道线路不平顺等附加问题出现，对隧道结构的正常使用和使用寿命都造成不可逆转的危害，严重者会对地铁的日常运行造成影响，因此在邻近既有地铁隧道范围内新建桥梁，应重点分析新建桥梁对既有地铁隧道的影响。

国内地铁隧道下穿既有桥梁的项目较多［1-3］，新建地铁对既有桥梁的影响研究和应急技术保障方案的研究也有一定的基础，对于新建跨河桥梁邻近既有地铁隧道、桥梁走向与隧道走向基本同向、桥梁和隧道平面位置基本重叠、隧道上置抗浮盖板、桥梁纵向跨越抗浮盖板的项目较少，这方面的研究也较少［4-12］，本文将结合此类项目进行分析研究。

1 项目概况

贵阳市云岩区三马片区工矿棚户区及城市棚户区改造项目4号道路金钟河桥位于马王街与金钟河交汇处上游，金钟河桥设计方案为单跨简支钢箱梁桥，桥梁桩基设在金鸭村站—马王庙站区间隧道两侧。隧道为马蹄形断面，左右线间距为12 m，隧道二衬外轮廓宽为6.2 m，桩基距离隧道二衬外轮廓最近距离为3.6 m。区间隧道采用矿山法施工，复合式衬砌断面，河道范围区间埋深为1.55～2.5 m；河道范围隧道上方设置抗浮盖板。

新建桥梁与既有地铁相互位置关系如图1～图5所示。

桩基直径2.5 m，桩长20 m，桩顶与盖梁固结，盖梁尺寸2.5 m×4 m，每片盖梁顶部承受支座反力为5 000 kN×6。桩基为嵌岩桩，桩底伸入轨道隧道底标高3 m以下并且满足嵌岩深度为5 m。嵌岩仅考虑桩基最下端5 m，其他段落须采用护壁结构，将桩基和周边岩石隔离开，确保桩基对周边岩石无摩擦力，保障隧道周边的岩石受力形式不变。为了减少对轨道交通2号线的扰动，桩基采用人工挖孔桩，优先采用水磨钻施工。

盖梁采用满堂支架施工，临时支撑传递给地基的竖向均布荷载控制值为130 kN/m2（含施工期间的上部荷载）。钢箱梁纵向按14 m一节进行节段划分，单根梁共分5个节段进行吊装施工。全桥钢箱梁采用满堂支架施工，临时支撑传递给地基的竖向均布荷载控制值为45 kN/m2（含施工期间的上部荷载）。

2 结构建模分析

2.1 结构模型建立

根据桥梁施工、地质及既有轨道交通隧道结构等情况，建立三维有限元模型进行数值计算分析，三维模型计算范围为X×Y×Z=170 m×140 m×（47～67） m（长×宽×高）。

三维模型单元总数102 796个，节点总数57 655个，计算模型采用固定位移边界，上边界取至地面，为自由面；4个侧面地层边界限制水平位移；下部边界限制竖向位移。每根盖梁共有6个钢箱梁支座，在模型盖梁节点上施加6个5 000 kN集中荷载。

采用“地层-结构”模型进行三维建模分析，将模型中的岩土体视为弹塑性体，采用摩尔-库伦模型（Mohr-Coulomb Model），采用实体单元模拟；区间隧道二襯、桥梁桩基与盖梁采用各向同性弹性模型（Elastic Isotropic Model），区间隧道二衬采用壳单元模拟，桥梁桩基与盖梁采用梁单元模拟。

桩土界面摩擦力采用桩界面单元模拟，桩界面是植入式梁单元的界面附属单元，不需要节点和相邻土体连接，用于确认梁单元和地基之间的摩擦行为及相对位移。生成梁单元和相邻地基单元后，选择梁单元生成桩界面单元。

地基单元和桩端界面的一节点之间的相对行为采用桩端界面单元模拟，生成桩单元后，选择桩端，桩端界面的刚度按桩端承载能力和弹簧刚度定义。

各地层参数按照地勘报告给出的数据选取，根据实际情况和模型计算需要，模型参数见表1。

2.2 施工过程模拟

不同施工阶段，荷载分布不同，按过程划分为5类：

（1）建立三维“地层-结构”模型，既有隧道结构采用板单元模拟，输入相应地层的土体参数，施加边界约束，并在地表施加地面超载，计算土体的初始地应力场，并将土体位移场和速度场清零，作为初始状态，记作S0。

（2）桩基成孔及灌注施工阶段，记作S1。

（3）盖梁施作阶段，施加盖梁临时支撑传递到地面的荷载（架设临时支撑及模板，浇筑盖梁），记作S2。

（4）钢箱梁施作阶段，施加钢箱梁临时支撑传递到地面的荷载（架设临时支撑及吊装焊接钢箱梁），记作S3。

（5）使用阶段，完成拟建项目的施工（拆除钢箱梁临时支撑，钢箱梁以盖梁为支座），记作S4。

3 不同阶段对地铁隧道的影响分析

不同阶段的荷载分布和约束条件不同，新建跨河桥梁对隧道会产生竖向和水平向位移效应、对地表土层产生位移效应、对隧道结构产生内力重分布，下面就不同阶段工况对地铁产生的影响进行分析。

3.1 对隧道变形影响分析

不同阶段隧道最大竖向、水平位移如图6所示。

（1）S1阶段：隧道整体成上浮趋势，最大上浮量0.33 mm，位于K2+278.600桩孔处左线隧道右侧边墙；隧道整体水平偏移为0.04 mm，位于K2+209.400桩孔处左线隧道右侧边墙。

（2）S2阶段：隧道整体成下沉趋势，累计最大下沉量1.04 mm，位于K2+278.600桩基处左线隧道拱顶；隧道整体累计水平偏移0.24 mm，位于K2+209.400桩基处右线隧道边墙。

（3）S3阶段：由于钢箱梁荷载较大，隧道整体成下沉趋势，累计最大下沉量3.4 mm，位于河道抗浮盖板跨中以下的左线隧道拱顶；隧道整体累计水平偏移值0.44 mm，位于K2+209.400桩基处右线隧道边墙。

（4）S4阶段：隧道整体成下沉趋势，累计最大下沉量2.79 mm，位于K2+209.400桩基处左线隧道左侧；隧道整体累计水平偏移值0.42 mm，位于K2+209.400桩基处左线隧道边墙处。施工完成后，既有轨道交通隧道结构整体表现为下沉状态。

结果表明，在箱梁施工工程中施工荷载和后勤运行过程中使用荷载对区间隧道变形影响较大，应加强这2个阶段的监控和专项方案设计。

3.2 对地表土层沉降量影响分析

不同阶段地表土层沉降量如图7～图10所示。

（1）S1阶段：桩孔完成时，地表最大沉降量1.16 mm，地表變形主要发生在左桥台桥桩附近，桩孔施工对地表变形影响不大。桩孔施工完成后，邻近桩孔侧地层下沉较小，既有轨道交通隧道结构下沉很小。

（2）S2阶段：地表累计最大沉降量9.07 mm，地表累计最大隆起量1.06 mm，地表变形主要发生在左桥台桥桩附近，可见盖梁施工对地表变形影响较大。

（3）S3阶段：河道地表累计最大沉降量6.85 mm，抗浮盖板累计最大沉降量5.21 mm，地表变形主要发生在右桥台桥桩附近，可见钢箱梁施工荷载造成河道地表及抗浮盖板竖向位移进一步增大，对其变形影响较大。

（4）S4阶段：地表累计最大沉降量7.27 mm，地表变形主要发生在K2+209.400桥梁桩基处，抗浮盖板累计最大沉降量4.04 mm，可见钢箱梁临时支架拆除，地面荷载减少，隧道和抗浮盖板竖向位移沉降量均出现一定程度的回弹；由于桩基荷载增加，桩土之间作用力增大，桩基处地表沉降量增加。

3.3 对隧道结构强度影响分析

不同阶段隧道结构断面内力分布如图11～图16所示。

通过内力云图得出不同施工节段隧道结构每延米的控制内力，根据控制内力进行隧道计算配筋，再与实际配筋进行比较，对比分析结果如表2所示。

结果表明，在盖梁施工节段隧道弯矩和轴力最大，应加强施工过程中隧道变形监测。所有阶段的实际配筋均大于计算配筋，结构强度满足要求。

3.4 综合影响分析

新建跨河桥梁对既有地铁隧道的整体影响最大值如表3所示。

（1）根据有限元定量分析，隧道变形、土体变形、抗浮盖板变形的分布都随着施工阶段变化而产生变化，但整体变形量均在安全范围之内，因此应注意按照规定保持桩基与隧道之间的净距要求。

（2）随着施工阶段的推进，荷载逐渐增大后减小，隧道变形也呈现先增大后减小的趋势，在钢梁施工阶段变形最大。隧道变形主要是竖向变形，水平变形较小，且都在安全范围之内。

（3）土体在盖梁施工、钢箱梁架设、使用阶段累计沉降量较大，由于荷载形式发生改变，沉降量有所差异，但差异不大，应注意加强过程监控。

（4）抗浮盖板在钢箱梁架设和使用阶段较大，应注意加强过程监控。

（5）隧道结构在各个施工阶段的控制内力不同，最大值发生在盖梁施工阶段，但各阶段隧道结构均满足强度要求。

4 施工建议

由于项目的特殊性，新建跨河桥梁对地铁隧道的变形和强度都有一定的影响，应围绕既有结构和新建结构的安全，并考虑后期运营维护的便捷和可持续性，提出施工建议：

（1）桥梁地质勘测时应复测确定钻孔位置，避免钻孔进入区间隧道锚杆及隧道结构范围内。

（2）平整场地时轨道交通2号线金马区间保护范围不得采用振动机械压实；区间保护区范围严禁堆载和重型施工机械停放，机械施工后应停放在区间保护区范围以外。

（3）桥梁桩基成孔采用人工挖孔施工，施工前应复测放样桩孔位置；挖孔遇到隧道支护结构锚杆时，需小心切断，禁止拉拽锚杆。

（4）桥梁桩基成孔后，隧道底标高以上须采用护壁结构，减少桩基对周边围岩的摩擦力，桩基混凝土应及时浇筑，尽量减少桩孔暴露时间。

（5）钢箱梁施工时，在满堂脚手架下方，另外设置钢筋混凝土板基础，对抗浮盖板进行有效保护。

（6）针对桩基、盖梁及钢箱梁的设计与施工编制详细的专项设计方案及施工方案；盖梁施工时必须采取可靠措施，防止河岸因临时支撑及盖梁浇筑时的荷载产生滑坡；吊装钢箱梁必须采取可靠措施保证吊装过中不掉落。

（7）建议桥梁施工上部结构时因临时支撑增加的荷载必须满足不大于区间隧道上方加载限制值的要求。

（8）建议施工期间采取合理的施工组织，建立监测预警系统，信息化施工，严格控制施工操作。

（9）建议针对轨道交通结构的保护编制相应的应急预案和配备必要的抢险物资，应急预案应对已完成区间具有可实施性，不得影响其结构安全。

（10）拟建金钟河桥项目的实施以及对轨道交通的保护应与轨道交通部门加强沟通，确保轨道交通结构的安全。

5 结论

（1）新建跨河桥梁邻近既有地铁隧道在不同施工阶段对隧道结构、周围土层、抗浮盖板均产生不同的变形效应，水平向变形可忽略，竖向变形主要集中在上部结构施工阶段和使用阶段。

（2）建桥过程中隧道结构内力有增大趋势，在上部结构施工过程中达到最大，使用阶段趋于平稳。

（3）应强化专项设计，做好桩基设计，保证桩基与隧道最小工作净距，减小相互影响。

（4）应加强施工专项方案设计，采取人工挖孔、孔位复测、信息化施工、施工荷载限载、部门协调等方式，确保既有隧道结构和新建桥梁结构安全。

参考文献

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