软土地区互通立交跨越运营地铁隧道设计分析

李木松，商 敏

（天津市政工程设计研究总院有限公司，天津300392）

随着城市公共交通快速发展，以地下敷设为主的轨道线网错综复杂。国内外关于地铁隧道施工对邻近建筑、市政桩基的影响研究较多，而新建的市政桥梁桩基对既有运营地铁隧道的影响研究相对较少。刘力英等[1]建立了平面应变模型和三维实体模型，模拟桩基础对既有地铁隧道的影响并就其原理和结果进行了对比，指出三维模型更为合理。闫静雅等[2]采用有限元方法模拟分析了桩基础荷载对邻近既有隧道的影响，通过桩侧孔壁上的静水压力来模拟泥浆护壁和混凝土灌注过程，考虑钻孔灌注桩施工过程的影响。路平等[3]研究了软土地区桥桩与既有地铁最小净距6.5 m 的工程施工和运营期桥桩对地铁的影响。张超等[4]针对钢套管施工对地铁隧道变形及位移的影响进行数值模拟分析。冯龙飞等[5]采用有限元对广汕立交跨六号线桥梁桩基施工对隧道的影响进行了研究。尹洪桦[6]等分析在打桩振动作用下既有隧道的动力响应，采用有限元软件对打桩施工引起邻近既有隧道的响应问题进行数值计算。张鹏飞等[7]针对城市桥梁上部结构采用满堂支架现浇施工对既有地铁的影响进行了分析。上述主要为局部点位较为独立的桩基施工或运营对既有隧道的影响分析且桩基与地铁盾构的距离相对较大；对立交区多次近距离跨越既有地铁隧道、影响相互叠加的工况缺乏说服力。

本文以某软土地区大型互通立交多次近距离跨越既有运营地铁隧道为例，采用三维数值模拟方法，研究分析不同立交布跨桥梁施工对地铁隧道的影响，进而对桥梁设计方案、施工措施提出优化建议，为类似立交设计与施工提供参考。

1 工程概况

全互通半定向半苜蓿叶式三层立交由纵横2个主线桥和14个匝道桥组成，其中一条主线利用既有跨线桥拼宽改造而成；共24 次跨越3 条现状河道，27 次跨越既有道路，8次跨越既有地铁。

地铁已建成运营，立交区地铁为地下盾构段，埋深（地面至盾构顶）约7～12 m，受老桥限制，上下行盾构隧道间净距为6.8~13.3 m，最宽处为下穿老桥位置。见图1。

图1 立交桥与既有运营地铁平面位置关系

工程位于软土地区，主要为黏性土、粉土、淤泥质粉质黏土、粉砂及细砂。地铁隧道位于淤泥质粉质黏土层中，该土层为高含水量、高灵敏度、高压缩性、低强度、低渗透性的饱和软弱黏性土，蠕变量大，易引起地面较大变形，层位变化较大，为非均质地基，稳定性较差。地下水位于地面下1.5 m。见表1。

表1 主要土层参数

2 设计方案

一般情况下，桥梁桩基与地铁结构外边线最小净距均≮6.5 m，结合立交布设情况，跨越地铁的桥梁跨径为46~65 m 且曲线匝道均为大跨径，对立交的整体景观性、施工难度、造价都是非常不利的。见表2和图2。

表2 中间不设墩跨地铁位置桥梁跨径和结构形式 m

图2 中间不设墩桥梁与地铁立面关系

为了避免上述情况，考虑在地铁上下行隧道盾构区间中间布设桥墩，以减小跨径，桥梁桩基与地铁盾构的最小净距仅有3.8 m。见表3和图3。

表3 中间设墩跨地铁位置桥梁跨径和结构形式 m

图3 中间设墩的桥梁与地铁的立面关系

3 施工模拟

3.1 施工方案

地铁隧道轮廓线两侧≮3 m 范围内，不宜行走重车；两侧8 m范围内不宜堆载，确保隧道结构受力在设计范围内。紧邻的桩基施工过程如下：

1）桩位处采用渐挖渐压的静压法压入钢护筒，施工完毕不拔除，每次套筒压入前，建议回转套筒，减小已挖段落侧摩阻力，确保每次压入所需的压力最小，减小桩基成孔作业对隧道的扰动，护筒应穿过隧道区域以下≮1 倍盾径，以便在桩基成孔过程中形成保护，同时也有效避免隧道相邻土层在桩基成孔中塌孔；

2）采用振动相对较小的施工设备（旋挖钻）在钢护筒内成孔，穿过盾构区域至设计桩底标高；

3）成孔后，桩基钢筋笼就位，完成桩基混凝土灌注，成桩后施工承台和永久墩；

4）利用永久桥墩的承台设置现浇支架临时墩，安装架设贝雷片或军用梁，模板进行上部结构浇筑等。

3.2 模拟施工

3.2.1 模型参数

模型尺寸为100 m（长）×100 m（宽）×70 m（深），隧道盾构管片厚取0.35 m，中间设墩桩基为1.2 m（直径）×50 m（桩长）、中间不设墩桩基为1.5 m（直径）×56 m（桩长）。

3.2.2 本构模型和边界条件

桥梁承台和基桩、地铁盾构管片采用线弹性单元，土体模拟采用摩尔库仑模型。承台采用四节点板单元，基桩采用2 个节点梁单元，土体采用八节点实体单元，地铁盾构管片采用曲面板单元，桩土接触采用连接不同材料或刚度相差较大材料的无厚度Goodmall单元。

地铁盾构管片与土的接触面采用弹簧单元，土体模型采用地面约束边界，模型左右约束x方向的自由度，前后约束y方向的自由度，底面约束z方向的自由度，地面不约束。

3.2.3 模拟步骤

施工分析主要为2个阶段。

1）钢护筒施工：将预留的桩基单元设定为板单元，作为钢护筒的模拟；激活钢护筒顶表面的施工荷载，以模拟钢护筒施工阶段的受力和变形情况。

2）桩基施工：以实际情况下的材料特性赋予桩并钝化施加在其上的外荷载；激活施加在桩上的外荷载，以模拟桩基施工阶段的受力和变形情况。

3.2.4 监测控制指标

既有地铁盾构竖向沉降控制标准：累计值10 mm，报警值5 mm，变化速率0.5 mm/d。

3.2.5 模拟结果

选取净距最小的位置，根据施工方案建模分析。见图4。

图4 模型

三维数值模拟计算结果显示，盾构区间上下行隧道之间不设置桩基和设桩基的两种跨越方式土体差异沉降绝对值均较小，盾构隧道变形值均在控制标准范围内，不影响地铁行车安全，均为可行方案。见图5和图6。

图5 中间不设墩竖向沉降

图6 中间设墩竖向沉降

中间设墩方案整个施工过程地面最大沉降为13.95 mm 且均处于桩基周边，沉降与桩基所受的竖向荷载成正比，与桩的距离成反比，3倍桩基直径外的土体发生的沉降很小；盾构隧道的位移最大值为2.76 mm，与桩的距离成反比。

4 动态信息化监测

桥梁施工期间，对地铁隧道进行动态信息化监测，监测点根据数值模拟情况布设。见图7。

图7 运营地铁隧道监测点布置

在钢护筒施工的前期，隧道几乎没有受影响；随着开挖深度的增加，隧道拱顶有所下沉，断面开始扩张变形直至钢护筒施工完毕停止；随着桩基浇筑混凝土，隧道拱顶继续下沉，断面开始收缩变形，当上部结构浇筑加载，隧道的拱顶和收敛均快速变形，直至浇筑完成后趋于稳定。整个监测过程隧道变形均较小，拱顶最大累计变形2.29 mm，累计变形和变化速率均在控制标准范围内且与数值模拟结果十分接近，二者具有较好的一致性。见图8。

图8 运营地铁隧道随施工进度累积沉降历程曲线

5 结论及建议

1）钢护筒和桩基施工对既有盾构的影响较小，此阶段可不作为监测重点。

2）钢护筒的作用仅为防止桩基施工塌孔，对降低盾构隧道的变形基本不起作用且施工工期较长、造价较高，是否设置有待商榷；防止塌孔可通过泥浆护壁、跳打桩基等措施实现。

3）上部结构浇筑施工对既有盾构隧道的影响很大，大部分变形均发生在该阶段，应加强监测。

4）盾构隧道的变形与桩基的距离成反比，设计阶段应尽量使桩基远离盾构隧道；在条件受限的情况下最小可按≮3倍桩基直径考虑，同时尽量采用小直径的桩基。

5）盾构隧道的变形与桩基受的荷载成正比，设计阶段应尽量采取减小跨径和降低结构自重的措施（采用钢梁、钢护栏、降低铺装厚度、提高混凝土强度降低结构尺寸等），最大限度减小桩基荷载。尽量避免将中墩设在离地铁较近的墩位处。对于有抗震要求的地区，建议采用减隔震体系并将连接墩设置在离地铁较近的墩位处。

6）盾构隧道的变形和桩周土体的沉降是由桩基沉降导致，采用桩端后注浆可有效控制桩基沉降，进而降低对盾构隧道的影响。

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