地鐵隧道下穿客運專線橋梁穩定性分析

何懷峰，耿 招

(1北京巖土工程勘察院有限公司，北京100022；2中國地質大學〈北京〉，北京100083)

隨著城市規模和人口密度的逐漸增大，各大城市建設軌道交通的需求也日益增長。盾構法為目前修建地鐵隧道的主流施工方法，由于線路走向的限制，在施工中難免出現盾構隧道穿越既有橋梁的情況。盾構的掘進會改變周圍土體的應力狀態，對土體造成擾動，從而引起橋梁樁基內力和位移的變化。對鐵路橋梁而言，還會引起橋上軌道變形，導致軌道不平順，加大輪軌之間的作用力，加速軌道結構破壞，嚴重時還會影響到鐵路的運營安全[1-3]。因此，科學、合理地評價地鐵隧道施工對鐵路橋梁的影響尤為重要。

對于地鐵隧道施工對鄰近橋梁的影響，國內外學者進行了大量的研究，并取得了一定的成果。研究方法主要有理論分析、數值模擬、模型試驗等，研究結論較為統一，隧道的施工會引起橋梁樁基產生一定的沉降與側移，且橋梁變形規律與隧道圍巖變形保持高度的相關性[4-8]。但由于場地工程地質條件和實際施工技術的差異，仍然需要對特定工程進行施工風險分析。對此，本文將以鄭州地鐵1號線某區間隧道下穿鄭西客運專線橋梁為工程依托，研究分析地鐵隧道施工對既有客運專線橋梁變形規律的影響，為實際施工提供合理建議。

1 工程概況

鄭州地鐵1號線某區間隧道在里程K6+655～K6+675段穿越鄭西客運專線特大橋（圖1），橋梁上部結構為簡支梁，橋跨32.6m，基礎采用10?100mm的鉆孔樁，樁長48m。區間隧道采用盾構法施工，隧道間距31m，埋深15.6m，斷面直徑6m。場地巖性主要為第四系雜填土、沖積層粘質粉土、沖洪積層粘質粉土、坡洪積層粉質粘土、粘質粉土。

圖1 隧道平面圖

2 計算模型及參數

根據場地實際工程地質條件建立三維數值模型，采用FLAC 3D對隧道的施工過程進行動態數值模擬。如圖2所示，計算模型的三維尺寸為93m×60m×50m，共劃分了52416個單元，29767個節點。計算模型左、右邊界x=0m和x=93m僅約束邊界面法向位移；前、后邊界y=0m和y=60m僅約束邊界面法向位移；模型底部z=0m采用固定約束；地表設定為自由面。

圖2 模型整體示意圖

數值計算中考慮土體的分層，對于含水層以下的土體采用飽和密度計算，從而不考慮孔隙水的影響。土體和混凝土均采用Mohr-Coulomb本構模型，盾構管片采用shell單元模擬，橋樁采用pile單元模擬。根據地勘報告詳細計算參數如表1和表2所示。

3 模擬計算結果

3.1 隧道圍巖變形

圖3為隧道開挖完成后的圍巖豎向和水平變形云圖，可以看出：隧道施工過程中主要沉降區域分布在地表下部一定范圍內的拱頂圍巖中，隧道底部產生小幅度回彈隆起，水平變形影響范圍大約為1倍洞徑。開挖完成后洞室拱頂圍巖最大沉降值為22.8mm，拱底圍巖最大隆起量為3.5mm；側壁圍巖最大水平收斂11.2mm，且具有明顯的對稱性。

表1 巖土計算參數

表2 鉆孔樁參數

3.2 既有橋梁變形

圖4為隧道開挖完成后的地表和橋墩承臺沉降云圖，從圖4中可以看出，沉降變形具有明顯的三維效應，地表沉降主要發生在隧道穿越的正上方，最大沉降值為8.4mm，沿隧道兩側方向，沉降值逐漸減小。由于隧道開挖的連拱效應，兩隧道中間的橋墩（60#）沉降值大于其他2個橋墩（59#、61#）的沉降值。

圖5為隧道開挖完成后橋墩承臺基礎的沉降值監測曲線，從圖5中可以看出，59#、60#和61#橋墩的最大沉降值分別為22mm、4.5mm、3.2mm。橋梁產生了一定的不均勻變形，最大沉降差造成的折角為：

圖3 圍巖變形云圖

沉降差滿足《高速鐵路設計規范》(TB10621-2014)限定的折角要求。實際施工中，應加強橋梁關鍵部位的變形監測，與鐵路運營部門保持聯系，必要時調整軌道標高，確保鐵路運營和施工安全。

圖4 地面沉降云圖

4 結論

根據場地工程地質條件，建立了三維數值模型，通過FLAC 3D對地鐵隧道下穿既有鐵路橋梁的施工過程進行了模擬計算，分析了地鐵隧道圍巖變形和既有橋梁的變形規律，得到以下結論：①圍巖豎向變形主要集中在隧道拱頂和拱底，水平變形主要分布在隧道兩側，影響范圍約1倍洞徑；②地表沉降主要分布在隧道正上方，且由于橋樁的支護作用，橋墩附近地表沉降相對較小；③隧道開挖過程中，既有鐵路橋梁產生了不均勻沉降，兩隧道中間的橋墩沉降值較大，橋墩沉降造成的最大沉降差滿足相關規范要求；④實際施工中應加強關鍵部位的變形監測，與鐵路運營部門保持聯系，確保鐵路運營和施工安全。

圖5 橋墩沉降監測曲線