地铁盾构施工对上部既有桥梁的影响分析

刘金荣

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引 言

随着城市化进程的深入推进，城市轨道交通网络的不断加密以及盾构法广泛应用于地铁施工，地铁盾构隧道下穿既有桥梁的现象越来越多。在地铁盾构施工过程中，不可避免地会对上覆土体产生扰动。由于土体损失、周围孔隙水压变化及衬砌变形等，土体原始应力将重新分布，原有的土体平衡状态遭到破坏。导致地表发生下沉变形、倾斜变形、曲率变形、水平移动变形及非连续变形等问题。地表产生的移动和变形较大时，往往又会引起地上既有桥梁结构的开裂、沉降、倾斜等问题，这将对桥梁的使用、甚至安全构成威胁。因此，深入开展地铁盾构施工对既有桥梁的影响研究，制定安全可靠经济的桥梁基础加固措施，对推动我国城市地下轨道交通的进一步发展，具有重大意义。

目前关于隧道开挖对建筑物的影响的分析方法主要有两大类[1]，第一类是整体分析法，即在模拟开挖过程的同时，将周围土体、建筑物及其基础作为一个整体分析，一般需用有限元等数值方法进行计算分析。

第二类为两阶段分析方法，即把隧道开挖对建筑物的影响分成两个阶段来分析: 第一阶段分析隧道开挖引起的土体变形；第二阶段将土的变形施加到建筑物及其基础上，分析建筑物及其基础的变形和内力变化。

本文采用第一种方法，即整体分析法，对地铁盾构施工对上部大桥的影响进行计算，采用三维非线性有限元，分别对桥梁基础加固前后，地铁盾构施工对既有旧桥所产生的位移及应力进行模拟计算，对加固前后的结果进行分析比较。

1 工程概况[5]

锦江桥上部结构为三跨红砖砌变截面圆弧拱，净跨径为15 m，拱上填料为碎混凝土（或砖）；下部结构：桥台基础为50 级砂浆砌条石基础、台身为15 级水泥石灰砂浆砌城砖；桥墩基础为50 级砂浆砌条石基础、墩身为15 级水泥石灰砂浆砌城砖。地铁采用盾构法施工，平行双洞隧道形式，隧道半径为3 m，两平行隧道圆心之间距离11 m，隧道支护材料为C30 混凝土管片，壁厚30 cm。其下穿锦江大桥区间位置关系为：隧道拱顶距地面约7 m 左右，隧道左线近接桥梁基础，距离约2 m。桥梁隧道平面位置关系见图1，桥梁隧道立面位置关系见图2。

图1 桥梁隧道平面位置关系图（单位：m）

图2 桥梁隧道立面位置关系图（单位：m）

2 大桥加固措施

2.1 围堰注浆加固法

对桥梁基础近接隧道一端进行围堰注浆加固。首先对桥墩台基础进行草袋围堰处理，然后采用袖阀管注浆，注浆材料为水泥－水玻璃浆液。加固后的渗透系数不大于1×10－5cm/s，无侧限抗压强度不小于1 MPa。盾构通过前，应对注浆效果进行确认，合格后再进行开挖施工，盾构掘进至该处时应调整盾构相关掘进参数，如推力、掘进速度等，盾构通过后如检测出现异常，则需要进行二次注浆，以保证桥梁安全。

2.2 钢管桩加注浆加固

对锦江桥基础近接隧道一端下方土体采用钢管桩加注浆形成钢管桩墙隔断加固措施。加固微型桩设置两排，并注浆，桩顶设置冠形梁形成钢管桩墙，钢管桩插入破裂面以下不少于3.0 m，桩纵向间距300 mm，图中阴影区域为注浆区域。加固范围为北桥台内5m 至南桥台5 m，共60 m 长。

3 数值模拟

3.1 数值模型建立

本文采用大型通用有限元软件ANSYS 对加固前后效果进行模拟[3-4]。模型尺寸为：沿桥跨方向，即隧道开挖方向为X 轴，全长105 m。垂直于桥跨方向为Z 轴，全长110 m。垂直于地面方向为Y 轴，地面以下垂直高度为30 m，地面以上桥台、墩高4 m。采用的单元类型为：拱圈和隧道支护采用shell63 壳单元模拟，其余土体采用solid45 实体单元模拟。模型采用映射法划分单元，共划分48 700 个单元，50 577个节点，单元材料以不同颜色显示见图3，桥梁隧道位置关系见图4。

图3 整体有限元计算模型

图4 桥梁隧道位置关系图

3.2 地质条件及计算参数选取

根据地质勘察报告，本区间所揭露岩土地层分布较为稳定，均为第四系地层。地表多为第四系人工填土，其下为第四系全新统冲洪积黏质粉土、砂（粉）类土、圆砾土及上更新统粉质黏土、砂类土等组成。具体计算参数取值见表1。

表1 材料参数取值表

4 位移计算

4.1 加固前后整体竖向位移（Y 方向）结果

由计算结果可知，加固前左线隧道贯通后竖向位移最大值为34.4 mm，加固后为21.1 mm，加固后位移减小13.3 mm。双线隧道贯通后加固前竖向最大位移为36.2 mm，加固后为23.5 mm，加固后位移减小12.7 mm。现取坐标X=0，垂直于隧道轴线处的截面为参考面A，提取该参考面地面节点竖向位移，绘出加固前后节点位移曲线见图5、图6。

图5 左线隧道贯通后A 地面节点位移曲线图

图6 双线隧道贯通后A 地面节点位移曲线图

4.2 加固前后桥梁竖向位移（Y 方向）结果

由计算结果可知，加固前后桥梁基础下沉最大值均出现在临近隧道一端，最小值出现在远离隧道一段，桥梁整体产生不均匀沉降。加固前左线隧道贯通后桥基竖向位移最大值为11.3 mm，加固后为2.4 mm，加固后位移减小8.9 mm。加固前左线隧道贯通后桥梁基础不均匀沉降最大值12.6 mm，加固后为2.8 mm，加固后减小9.8 mm。双线隧道贯通后桥基加固前竖向最大位移为12 mm，加固后为2.6 mm，加固后位移减小9.4 mm。双线贯通后桥梁基础不均匀沉降加固前为13.5 mm，加固后为3.1 mm，加固后位移减小10.4 mm。

现取坐标Z=0、平行于隧道轴线处的截面为参考截面B，提取该截面处地面节点竖向位移，绘出加固前后节点位移曲线见图7、图8。图中加固前曲线的峰值处是桥梁基础所在处，谷值处是地面土体所在处，由于桥梁基础条石的刚度较周围土体大，所以下沉量较周围土体的小，出现了图中的波浪形曲线。

图7 左隧道贯通后参B 地面节点位移曲线图

图8 双隧道贯通后参B 地面节点位移曲线图

4.3 加固前后桥梁横向位移（X、Z 方向）结果

由计算结果可知，桥梁整体在隧道开挖过程中垂直于隧道方向（Z 方向）产生横向侧移，左线隧道贯通后横位移加固前最大值为1.2 mm，加固后为0.8 mm，加固后位移减小0.4 mm。双线贯通后加固前横向位移为1.6 mm，加固后为1.1 mm，加固后位移减小0.4 mm。

由计算结果可知，桥梁整体在隧道开挖过程中沿隧道方向（X 方向）产生横向侧移，左线隧道贯通后横位移加固前最大值为1.7 mm，加固后为0.4 mm，加固后位移减小1.3 mm。双线贯通后加固前横向位移为1.9 mm，加固后为0.4 mm，加固后位移减小1.5 mm。

4.4 位移计算结果分析

将加固前后位移计算结果汇总见表2。可以看出，对锦江大桥进行围堰注浆及钢管桩加固后，地表最大沉降及桥墩台各项位移值都有了较大减小，加固效果明显。地表沉降最大值为23.5 mm，在规定的范围之内（一般城市地表沉降基准：+10～-30 mm）。桥梁最大基础沉降值为2.8 mm，最大不均匀沉降为3.1 mm，均在要求范围之内[2]。

表2 位移加固效果汇总表单位：mm

5 应力计算

5.1 基础及墩台应力结果

从计算结果来看，基础和墩台应力加固前后有一定变化，但应力值都比较小，这里仅给出双线隧道贯通后加固前后第一主应力对比见图9 和图10。基础和桥墩台加固前最大压应力为0.83 MPa，加固后为0.44 MPa，减小了0.39 MPa，最大拉应力加固前为1.44 MPa，加固后为0.64 MPa，减小了0.8 MPa。

图9 双隧道贯通后基础及墩台应力云图（加固前）

图10 双隧道贯通后基础及墩台应力云图（加固后）

5.2 拱圈应力结果

从计算结果来看，拱圈应力加固前后变化不大，这里仅给出双线隧道贯通后加固前后第一主应力对比见图11 和图12。加固前最大压应力为1.85 MPa，加固后为1.78 MPa，减小了0.07 MPa，加固前最大拉应力为0.075 MPa，加固后为0.1 MPa，增加了0.025 MPa。

图11 双隧道贯通后拱圈应力云图（加固前）

图12 双隧道贯通后拱圈应力云图（加固后）

5.3 应力计算结果分析

将加固前后应力计算结果汇总见表3，从表中的计算结果来看，基础和拱圈在加固前后应力虽然有一定的变化，但变化不大，而且应力值均较小。计算效果不太理想，主要原因是建模时土体材料属性的选取与简化和实际情况有一定差异，隧道开挖模拟和实际情况有一定出入，这也是进行土体模拟和隧道开挖模拟的难点，需要以后进一步研究。

表3 应力加固效果汇总表单位：MP a

6 结 语

本文通过锦江大桥和下部地铁三维非线性有限元模型，模拟计算了地铁盾构施工对上部既有桥梁的影响，对比分析了基础加固前后土体整体位移变化情况以及桥梁基础的位移和应力变化情况。主要得到以下结论和建议。

（1）地铁盾构施工下穿既有旧桥时，将使既有旧桥基础及上部结构产生相当大的位移和应力，严重影响桥梁的安全使用。

（2）地铁盾构施工，下穿既有旧桥前，应根据桥梁上下部结构形式，并考虑桥梁当前的工作状态（下沉量，承载力），制订合理的基础允许下沉指标(既应有绝对沉降指标，也应有差异沉降指标)。根据基础的允许下沉量，选择合理可行的桥梁基础加强措施和隧道施工控制指标与措施。

（3）为了保证地铁盾构施工过程中上部既有桥梁的安全稳定，需要对既有旧桥沉降及应力进行严密监测，及时分析检测数据，确保桥梁安全稳定。