地鐵隧道下穿施工對橋梁地上結構的影響研究

姜 偉

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概述

自從中國第一條地鐵線路北京地鐵1號線于1971年開通以來，地鐵建設在全國范圍內進行的如火如荼。由于地表及淺埋地下建筑物種類繁多，情況復雜，地鐵建設下穿既有建(構)筑物的情況非常普遍。國內外學者對地鐵隧道下穿車站[1-4]、建筑物[5-7]、高速鐵路[8,9]等等進行了很多研究。

隨著隧道下穿城市橋梁的現象越來越普遍，關于隧道施工對橋梁的影響進行了深入研究。王樹英[10]采用Midas軟件對隧道下穿臨近擴大基礎橋梁進行數值模擬，對不同種類橋梁的地表位移和變形規律進行了研究。李奎等[11]、黃銀釘[12]及李明[13]對地鐵隧道下穿既有橋梁施工方案、樁基托換技術進行了研究。

目前針對隧道施工對既有橋梁影響的研究主要是針對橋梁地下結構進行的，鮮有對橋梁地上結構的影響進行研究。本文結合具體工程實例，建立ABAQUS數值計算模型，模擬礦山法地鐵隧道下穿施工全過程，重點分析隧道施工對橋梁地上結構的影響。研究分析結果可以對今后類似下穿工程橋梁結構保護起到一定積極作用。

2 工程概況

深圳地鐵環中線南延段赤灣站—大南山站區間隧道采用礦山法施工，左線長2.162 km，右線長2.163 km。其中，區間隧道下穿興海大道立交橋。興海大道立交橋修建于20世紀80年代，為連續3跨簡支梁橋，橋梁左右幅為分離式，相互獨立。隧道與橋梁位置關系如圖1所示，隧道軸線與橋梁中線的夾角為62°。

橋梁樁基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑1.0 m，屬摩擦型樁。為方便分析，對1號橋墩樁基按從左到右順序依次編號，如圖2所示。本文將重點對1號橋墩樁基進行分析。表1為1號墩各結構的參數信息，地梁高度為1.5 m。

區間隧道采用單線單洞、馬蹄形斷面形式，凈高6.47 m，凈跨6.2 m，雙線隧道內側邊墻凈距7.8 m。土體沿埋深方向依次為人工填土層、強風化花崗巖地層、微風化花崗巖地層。其中，隧道位于強風化花崗巖地層中，覆土厚度為12.2 m，拱頂距離4號，5號等樁端僅0.2 m。

為保證橋梁結構變形不影響正常使用功能，本工程采取以下技術措施：使用φ42 mm、壁厚3.5 mm的無縫鋼管進行超前小導管注漿；對隧道斷面范圍開挖輪廓線以外3.0 m范圍內地層進行注漿加固；采用厚度為0.2 m,C25噴射混凝土+格柵鋼架作為初期支護結構；二襯采用厚度0.3 m、混凝土強度為C35的模筑鋼筋混凝土。

表1 橋梁結構物理參數

3 數值模擬

本文采用ABAQUS建立三維有限元模型，經過多次試算，最終確定地層模型的合理尺寸為長110 m×寬81 m×高40 m。工程所在地地形較為平坦，建模時將地表簡化為平面。從圖1可知，2號橋臺到右線隧道距離較遠，將不考慮隧道施工對2號橋臺的影響。圖3，圖4分別為三維模型及橋梁與隧道相對位置關系示意圖。采用實體單元對模型進行離散化，生成的單元總數為1 095 906，節點總數為494 325。

在隧道下穿施工過程中，為減少汽車動載對樁基的不利影響，采取臨時交通封閉。因此建模時，不考慮外部荷載作用，僅考慮結構自重荷載。為了降低模型復雜程度，將簡支梁簡化為均布荷載作用在蓋梁上。地層物理力學參數及結構材料力學參數如表2，表3所示。

表2 地層物理力學參數

表3 結構材料力學參數

4 結果分析

圖5為1號橋墩地梁沿長度方向在不同工況下的沉降曲線。地梁左端同時受左線、右線隧道施工影響導致左端沉降變形較右端大。當右線隧道開挖至40 m(即掌子面位于4號樁下方)之前時，左幅地梁沉降曲線近似呈線性關系，說明在掌子面到達樁端下方時，橋梁地上結構自身剛度足以承受地層變位對橋梁產生的不利影響，地上結構以整體沉降變形為主。隨著右線隧道逐漸穿過1號橋墩，地梁的自身剛度不足以抵抗地層變位引起的附加變形，沉降曲線呈現出中間大、兩側小的非線性規律。隨著右線隧道通過1號橋墩且開挖面距離4號樁25 m時，地梁沉降變形逐漸趨穩。

在穿越施工過程中，隧道凈跨范圍內對應的地梁沉降變形較大，尤其在隧道正上方處沉降變形最大，其值為14.7 mm，表明隧道凈跨范圍內對應的地表結構受隧道施工影響較大，拱頂正上方受影響最大。由圖5a)可知，右幅橋梁位于右線隧道中心線右側，地梁沉降曲線近線性變化，表明右幅地梁自身剛度足夠承受施工引起的不利影響，值得注意的是右幅地梁右側小范圍內產生了輕微的上抬變形，最大值為0.8 mm。地梁左端受右線隧道影響較大，沉降值最大，其值為4.1 mm。

由上可知，地梁沉降過程可分為兩個階段：均勻沉降階段和局部加速沉降階段。當掌子面到達橋梁結構正下方之前時，地梁表現為整體沉降變形；當開挖面從橋梁正下方至完全穿過橋梁結構時，地梁結構的自身剛度不足以抵抗附加變形，隧道凈跨范圍內的地梁沉降變形急劇增大，表現為局部加速沉降變形。因此，在隧道下穿施工過程中階段，可以通過樁基托換、地層加固等措施增強結構剛度，或采取分部開挖法降低施工對周圍地層的影響。

圖6為1號橋墩蓋梁沉降變形曲線。將圖5與圖6進行對比，可以發現蓋梁與地梁的沉降曲線變化規律相同：左幅蓋梁沉降變形過程也可以分為兩階段，3號樁對應蓋梁沉降變形最大，其值為14.4 mm；右幅蓋梁沉降曲線呈線性，左端沉降變形值最大，其值為4.3 mm，右端蓋梁有輕微上抬變形。

圖7為1號墩地梁、蓋梁矢量位移分量沿長度方向的對比曲線。從圖7中可以看出，地梁與蓋梁沉降變形U3曲線吻合度非常高，最大差值為0.4 mm，發生在橋梁左幅4號樁；地梁與蓋梁沿隧道縱向的變形差值略大，左、右幅最大差值分別為0.5 mm，0.3 mm；地梁與蓋梁沿隧道橫向的水平變形U2相差最大，相同部位左幅、右幅最大差值分別為1.3 mm，2.3 mm。表明：當隧道與橋梁斜交時，在隧道穿越施工過程中，地梁與蓋梁沿隧道橫向變形受影響程度最大，右幅沉降最大差值大于左幅；沿隧道縱向位移U1和沉降變形U3受隧道施工影響程度較小。因此，當橋梁與隧道斜交時，可以采用地梁沉降值近似代替蓋梁沉降值；地上結構在高度方向沿隧道橫向變形差值最大，對于大高度的橋梁結構，建議考慮墩柱在隧道橫向的傾斜變形。

5 結論

1)橋梁結構受隧道施工影響程度與橋—隧位置有緊密聯系。隧道施工影響范圍內橋樁主要以沉降變形為主，橫向撓曲變形次之。樁身水平位移變形隨樁—隧水平距離增大而減小。

2)通過對隧道下穿施工過程中的地上結構沉降變形規律進行研究，可將沉降變形過程分為兩階段：均勻沉降階段和局部加速沉降階段。在開挖面到達橋樁下方之前，上部結構沉降變形為均勻沉降階段；開挖面到達并穿越橋梁之后屬于局部加速沉降階段。