地铁盾构下穿某桥梁的安全影响评估

吴庆庆 （舒城县建筑工程质量安全监督站，安徽 六安 231300）

0 引言

随着我国社会主义市场经济的蓬勃发展，大、中城市交通拥挤问题日益凸显，城市地下铁路以其运量大、噪音小、节省地面空间、交通干扰较少等诸多优点得以快速发展。城市地铁盾构施工穿越路线长、地质状况复杂、涉及的地面建（构）筑物较多，因此研究地铁盾构穿越施工对建（构）筑物的安全影响具有重要的意义。

1 工程概况

被穿越高架桥为双幅30 m +35 m+30 m 预应力混凝土等截面连续箱梁，箱梁混凝土强度等级为C50轨道线隧道侧穿桥梁基础，桥梁主墩采用柱下钻孔灌注桩基础，主桥基础灌注桩距隧道（右线）边缘最近距离约为3.0 m。隧道与桥梁相对位置关系平面示意图见图1，桥梁基础与隧道相对位置关系剖面示意图见图2。

图1 区间工程与桥梁相对位置关系平面图

图2 区间工程与桥梁相对位置关系剖面图

2 桥梁现状及工程地质概况

2.1 桥梁历史及现状调查

工程于2014 年建成并投入使用至今，设计图纸资料齐全。该工程设计使用功能与现场调查情况基本一致，作为城市快速路使用，未见明显对混凝土构件存在腐蚀性的气、液相物质，使用过程中未发生功能改变以及受灾等情况，目前使用状况良好。

2.2 工程地质概况

根据钻探资料及室内试验结果，场地内各岩土层及物理力学性能指标如表1所示。

表1 岩土主要物理力学性能指标汇总表

3 既有差异沉降检测

采用全站仪对主梁既有差异沉降进行检测，结果见表2。

表2 主桥顺桥向既有差异沉降检测结果

4 既有桥梁基础允许变形能力评估

钢筋混凝土桥承载能力极限状态，根据检测结果按照式（1）进行计算评定:

4.1 基于现状检算所需各计算参数的确定

4.1.1 承载能力检算系数Z1的确定

承载能力检算系数Z1是根据结构或构件的实际技术状况，对结构或构件的抗力进行折减或提高。根据目前的整体技术状况，其承载能力检算系数Z1首先按式（2）确定结构技术状况评定值D，在此基础上构件的受力模式根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）确定结构承载能力检算系数Z1，如表4所示。

式中：αj为某一项检测指标的权重值，，跨线桥承载能力检算系数的检测指标权重见表3 所示；Dj为结构或构件某项检测指标的评定标度值，见表4。

表3 推荐用于承载能力检算系数Z1的检测指标权重值

表4 承载能力检算系数Z1的确定

4.1.2 配筋混凝土截面折减系数ξc的确定

对钢筋混凝土连续梁桥，由于材料风化、物理与化学损伤引起的结构或构件有效截面损失，对结构构件截面抗力效应会产生影响。在检算结构抗力效应时，可用截面折减系数计算这一影响，计算结果见表5。

表5 上部结构截面折减系数ξc计算结果表

4.1.3 承载能力恶化系数ξe的确定

对钢筋混凝土连续梁桥，承载能力恶化系数计算结果见表6。

表6 桥梁上部结构承载力恶化系数ξe计算结果表

4.1.4 钢筋截面折减系数ξs的确定

经现场检查，桥主梁、桥墩未见沿钢筋出现的裂缝，截面钢筋截面折减系数ξs可取1.00。

4.2 计算荷载

4.2.1 恒荷载

一期恒载：结构重量按设计尺寸计算。

二期恒载：80 mm 厚C40 混凝土桥面现浇层，重力密度γ= 26kN/m3；100 mm 沥青混凝土铺装重力密度γ= 24kN/m3。

4.2.2 移动荷载

根据现阶段桥梁的实际使用状况（城市主干道），拟用城市-A 级荷载进行验算。

汽车荷载纵向整体冲击系数μ 按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004），当1.5Hz ≤f ≤14Hz 时，冲击系数μ= 0.1767ln(f) - 0.0157。

4.2.3 温度荷载

体系升温：考虑整体升温30 ℃。

体系降温：考虑整体降温-20 ℃。

4.2.4 温度梯度

按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.3.12条进行计算。

4.2.5 支座沉降

工况1：支座沉降5 mm。

工况2：支座沉降8 mm。

工况3：支座沉降10 mm。

4.3 有限元模型

采用桥梁博士V3.6 对箱梁进行分析计算，并以《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）为标准进行检算，结构按全预应力混凝土结构进行检算。全桥共计96个单元、97个节点，计算模型见图3。

图3 纵向计算模型

4.4 计算说明

本次计算考虑了结构荷载、移动荷载、整体升降温以及温度梯度等方面对结构承载能力的影响，并通过计算不同支座沉降量下上部结构的正截面内力应力等方面来判断施工过程中桩基的控制沉降值。

各种荷载标准值均参照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）进行选取，验算工况选最不利工况。

4.5 有限元分析结果

4.5.1 工况1：沉降5 mm

①沉降5 mm 时使用阶段主梁抗弯承载力验算

正截面抗弯强度验算结果见图4、图5。

图4 主梁最大弯矩包络图

图5 主梁最小弯矩包络图

②沉降5 mm 时使用阶段正截面抗裂验算

规范规定，“全预应力混凝土构件，在作用（或荷载）的短期效应的组合下，需满足σst- 0.85σpc≤0。”结果见图6。

图6 主梁短期组合下最小应力包络图

图7 主梁短期组合下最小应力包络图

图8 主梁长期组合下最小应力包络图

图9 主梁主拉应力包络图

图10 主梁主拉应力包络图

在短期组合下主梁中支点出现0.2 MPa拉应力，不满足规范要求。

由于本桥在设计说明及图纸中未提及本桥的预应力类型，可按部分预应力混凝土进行验算。

规范规定，“部分预应力混凝土构件，在作用（或荷载）的短期效应的组合下，需满足σst-σpc≤0.7ftk，但在荷载长期效应组合下σlt-σpc≤0。”

在短期组合下拉应力均小于1.855 MPa，在长期组合下未出现拉应力，满足规范要求。

③沉降5 mm 时使用阶段斜截面抗裂验算

规范规定，全预应力混凝土构件，在作用（或荷载）的短期效应的组合下，浇筑构件需要满足σtp≤0.4ftk。

根据主拉应力的包络图可知，采用全预应力混凝土进行验算，主梁主拉应力均小于1.06 MPa（支点结果失真不在统计范围），满足规范要求。

根据主拉应力的包络图可知，采用部分预应力混凝土进行验算，主拉应力均小于1.325 MPa（支点结果失真不在统计范围），满足规范要求。

④沉降5 mm 时使用阶段正截面压应力验算

规范规定，“对于未开裂构件，使用阶段预应力混凝土受弯构件正截面混凝土压应力需要满足σkc+σpt≤0.5fck。”

根据图11 可知，正截面压应力均小于16.2 MPa，满足规范要求。

图11 主梁标准组合下上下缘最大压应力

⑤沉降5 mm 时使用阶段斜截面压应力验算

对于使用阶段预应力混凝土受弯构件，其斜截面混凝土主压应力需要满足σcp≤0.6fck。

根据斜截面主压应力图可知，主压应力均小于19.44 MPa，满足规范要求。

因此，沉降5 mm 时，除正截面抗裂验算若按全预应力混凝土构件验算不满足外，其余均满足规范要求。若按部分预应力混凝土构件验算，主梁各项指标均满足规范要求。

4.5.2 工况2：沉降8 mm

经计算，沉降8 mm 时，按部分预应力混凝土构件验算，主梁各项指标均满足规范要求。因篇幅限制，不展示具体计算过程。

4.5.3 工况3：沉降10 mm

①沉降10 mm 时使用阶段主梁抗弯承载力验算

使用阶段正截面抗弯强度验算结果见图12、图13。

图12 主梁标准组合斜截面最大压应力

图13 主梁最大弯矩包络图

图14 主梁最小弯矩包络图

图15 主梁短期组合下最小应力包络图

图16 主梁长期组合下最小应力包络图

图17 主梁主拉应力包络图

②沉降10 mm 时使用阶段正截面抗裂验算

规范规定，“部分预应力混凝土构件，在作用（或荷载）的短期效应的组合下，需满足σst-σpc≤0.7ftk，但在荷载长期效应组合下σ1t-σpc≤0。”

根据短期荷载效应组合下截面法向拉应力图可知，在短期组合下拉应力均小于1.855 MPa，在长期组合下未出现拉应力，满足规范要求。

③沉降10 mm 时使用阶段斜截面抗裂验算

规范规定，“部分预应力混凝土构件，在作用（或荷载）的短期效应的组合下，浇筑构件需要满足σtp≤0.5ftk。”

根据主拉应力的包络图可知，采用部分预应力混凝土进行验算，主拉应力大于1.325 MPa（支点结果失真不在统计范围），不满足规范要求。

④沉降10 mm 时使用阶段正截面压应力验算

规范规定，“对于未开裂构件，使用阶段预应力混凝土受弯构件正截面混凝土压应力需要满足σkc+σpt≤0.5fck。”

根据图18 可知，正截面压应力均小于16.2 MPa，满足规范要求。

图18 主梁标准组合下上下缘最大压应力

图19 主梁标准组合斜截面最大压应力

图20 双线贯通时土体总位移趋势图(放大900倍)

⑤沉降10 mm 时使用阶段斜截面压应力验算

对于使用阶段预应力混凝土受弯构件，其斜截面混凝土主压应力需要满足σcp≤0.6fck。

根据斜截面主压应力图可知，主压应力均小于19.44 MPa，满足规范要求。

因此，沉降10 mm 时，按部分预应力混凝土构件验算，主梁斜截面抗裂验算不满足规范要求。

由有限元分析结果表明：当支座沉降8 mm 以内时，主梁内力及应力按照部分预应力混凝土进行验算，各项指标均满足规范要求；当支座沉降10 mm 以内时，主梁内力及应力按照部分预应力混凝土进行验算，主梁斜截面抗裂验算不满足规范要求。因此计算允许差异沉降为8 mm。

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）规定，桥梁允许最大差异沉降率为2 ‰，则本桥允许不均匀沉降为35 m×2‰=70 mm。

综合分析得允许差异沉降量为8 mm，相应沉降率为0.229‰。

5 盾构施工对桥梁影响分析

5.1 土体计算参数

采用小应变土体硬化（HS-Small）本构模型对各土层进行模拟。盾构管片采用板（plate）单元进行模拟，采用弹性本构模型，弹性模量E =2.6E7 kPa、泊松比ν=0.15。

5.2 计算步骤及计算说明

模型计算步设计为：初始地应力平衡；激活桩基础、承台与竖向荷载；初始位移清零，隧道开挖，先开挖左线后开挖右线。

掘进长度定为6 m 一环。通过冻结隧道内土体单元来表示土体的开挖。

5.3 计算结果分析

5.3.1 土体变形

计算表明，盾构产生的地层损失使得隧道底部产生了隆起，隧道顶部产生沉降。在隧道轴线附近的土体竖向沉降较大，远离轴线位置的土体竖向沉降相对较小。

5.3.2 承台基础的变形

计算表明，盾构施工使邻近承台基础产生的变形相对较大，而远离盾构工作面的承台基础变形相对较小。双线贯通时承台顶部总位移趋势图见图21。

图21 双线贯通时承台顶部总位移趋势图(放大1000倍)

5.3.3 盾构施工对桥梁工程的影响汇总

承台编号如图22 所示，计算得到不同施工阶段各承台的竖向沉降。

图22 响范围内承台编号

经计算，区间隧道盾构施工对桥梁工程的影响归纳如下。

①左线穿越后，左线中心轴正上方地表产生最大竖向沉降为-5.73 mm；双线贯通后，在双线对称轴正上方地表产生最大竖向沉降为-9.68 mm。

②左线贯通后，盾构施工使桥梁工程桥墩承台产生的最大竖向沉降为-2.64 mm，位于C23 位置处；双线贯通后，盾构施工使桥梁工程桥墩承台产生的最大竖向沉降为-3.87 mm，位于C31位置处。

③双线贯通后，盾构施工使桥梁相邻承台之间的最大纵向差异沉降率为0.088 ‰，相应竖向沉降差为2.64 mm，位于C31承台与C41承台之间。

6 轨道交通穿越施工变形分析及控制指标

6.1 变形分析

根据结构检测、结构计算及轨道交通穿越施工变形预测，得到结果见表7。

表7 轨道交通穿越施工变形分析（单位：‰）

通过表7 可看出，轨道交通穿越施工后，结构尚有一定变形储备，表明隧道盾构施工可正常施工。

6.2 控制指标

综合结构检测现状等因素，最终确定结构变形控制差异沉降率见表8。

表8 穿越施工变形控制指标

由表8 可以看出，主桥各承台控制差异沉降率在0.129‰～0.196‰，相应控制差异沉降量在3.9～5.9 mm。

7 桥梁使用状态综合评判

通过上述检测、评估、分析，现阶段桥梁可满足正常使用；盾构穿越施工后，结构尚有一定变形储备；但应对桥梁进行实时监测，严格监控桥墩及上部承重构件的裂缝开展情况。

8 建议

盾构施工是影响桥梁结构安全及正常使用的关键因素，建议在施工中严格控制顶推力、施工速度、注浆压力、顶推行进方向等施工要素，同时采取加强同步注浆、径向补偿注浆及加快浆液硬化速度等措施控制基础沉降。

应对周围地表位移等进行实时监测（包括地表沉降监测、地下水监测等），竖向位移监测点应布设在桥墩（或承台）上（主要监测差异沉降率）；合理设定监测预警值并及时将监测数据反馈给委托方或相关单位，监测单位应加强与安全评估单位的衔接。

盾构施工过程中应注意排水设施的设置与维护，避免地下水及地表水的渗入引发安全事故。

施工前制定详细的应急预警方案和应急抢险机制，并根据现场监测数据及时调整施工进度和施工工艺，对存在安全隐患的区域应通过加固等措施予以排除。