盾構隧道下穿對滬寧高鐵橋梁的影響研究

張杰 葉萬濤

摘要：本文基于無錫地鐵4號線02標下穿滬寧高鐵橋梁的現場案例，通過Midas-GTS（巖土和隧道結構專用分析系統）建立三維模型，對盾構隧道穿越滬寧高鐵橋施工工況進行研究分析，得出結論：盾構隧道下穿施工可以滿足滬寧高鐵運行的不平順要求。

關鍵詞：盾構隧道;下穿;滬寧高鐵

1?引言

隨著近幾年城市軌道交通建設的規模增長，越來越多的城市將城市軌道交通作為一張重要的城市名片來開發，而其帶來的沿線經濟增長與發展也是吸引了越來越多的城市紛紛加入建設城市軌道交通建設的行列中來。隨著建設規模不斷的增加，地鐵線路建設面臨的技術難題也越來越多，從建設初期的摸索階段，到現在相繼克服穿樓、穿湖、穿海、穿鐵路等高難度、高要求的技術難題，而地鐵隧道線路主要集中在城市中，在條件允許的情況下，選線要盡可能避開重要的建構筑物，但是隨著城市內地鐵線路越來越密集，形成線網，不可避免的要經過一些重要建構筑物，例如無錫地鐵4號線線路沿線要穿越蠡湖、滬寧城際高鐵等，它不僅對地鐵隧道工程本身的建設質量要求很高，同時要保證地鐵建設過程中既有建構筑物沉降等不超過控制數據，整個施工期間不影響原有建構筑物的運營和使用。其中，下穿滬寧城際鐵路橋梁施工是一種比較典型的施工類型。

當進行盾構隧道下穿滬寧高鐵橋施工時，首先需對既有高鐵線路進行狀態評估，對鐵路線路沉降、道床等進行運營安全性評估;其次，對地鐵施工下穿影響區域實施加固措施，或采取保護措施，以保證高鐵行車安全;最后，在盾構下穿施工期間，除了要制定相應的下穿方案以外，還要對列車運行規律進行分析，充分利用運營空窗期，減小對列車運營的影響。另外，還要結合智能化實時監控與預警措施，對運營鐵路線路各個監測指標實施全時段監測。因列車的荷載大，速度快，故對線路加固的承載能力及安全穩定性要求極高;且高鐵作為國家經濟大動脈，不容出現任何影響安全行車問題，否則將造成巨大的經濟財產損失或人員傷亡，形成嚴重的社會不良影響。因此，盾構隧道下穿滬寧高鐵橋的方案設計、以及施工控制措施等至關重要。本文結合無錫地鐵4號線區間下穿滬寧城際鐵路實際工程，建立三維模型計算盾構隧道穿越施工對滬寧高鐵橋的影響，并進行了總結，為類似工程施工積累了相關經驗，提供一定的工程經驗。

2.盾構隧道穿越滬寧高鐵橋影響分析

2.1計算模型

針對滬寧城際鐵路列車運行速度高、軌道變形控制要求高的特點，采用有限元計算軟件Midas-GTS建立三維模型模擬隧道施工對滬寧城際鐵路產生的影響，模型東西長90m，南北長50m，向下延伸45m。單線隧道開挖分為5m一段，分10個工況施工段完成。根據該處工程地質，結合無錫地鐵既有線盾構隧道在類似地層掘進施工情況，盾構施工地層損失率取0.5%。

地層參數參照《無錫地鐵4號線一期工程廣石路站～青石路站區間巖土工程勘察報告》進行選取。鉆孔灌注樁與土接觸的部分設置接觸單元，并設置相應的摩擦系數，以模擬灌注樁的特性，并對頂部施加列車荷載，進行計算分析。

2.2計算結果

計算結果如下：

計算結果顯示，兩條隧道中間的承臺頂最大沉降為0.894mm，隧道兩側的承臺頂最大沉降為0.52mm。

隧道兩側的鉆孔灌注樁在區間隧道施工過程中產生的最大水平位移為0.52mm，中間灌注樁產生的最大水平位移為0.95mm。

2.3影響評價

區間隧道距京滬高速鐵路橋樁最小水平距離大于9m，且隧道穿越地層為硬塑粘性土。計算結果顯示，通過加強盾構施工控制，盾構隧道施工對鐵路橋梁影響較小，不影響既有高鐵線路的運營。

兩條隧道中間的樁基礎承臺沉降最大，沉降為0.894mm，滿足保護要求的數據。隧道兩側的承臺沉降相對較小，沉降值為0.52mm。相鄰承臺間距為32m，高低差為0.464mm，可滿足軌道不平順性要求。

2.4管片內力計算結果

管片結構內力一般有“梁-彈簧模型計算法”以及“均質圓環法”。

梁—彈簧模型計算法主要用于模擬錯縫拼裝的襯砌環的荷載效應。該模型將管片簡化成曲梁，每一圓環均為多鉸圓環，在管片塊與塊之間縱縫設置回轉彈簧模擬縱縫接頭，兩相鄰環與環之間設置徑向剪切彈簧、切向剪切彈簧模擬管片之間錯縫拼裝接頭。環間的剪切彈簧剛度取無窮大。地層抗力采用地層法向彈簧和切向彈簧模擬。

均質圓環法將管片結構按剛度均勻的圓環考慮，按修正慣用法進行計算。由于縱縫接頭、螺栓孔的存在，導致整體抗彎剛度降低，計算時取圓環抗彎剛度為η（EI）（η為抗彎剛度有效率，η≤1，一般取0.6～0.8），考慮錯縫拼裝管片接頭部彎矩的傳遞，結構整體補強效果，進行錯縫拼裝彎矩重分配。

本次采用兩種方法分別對管片內力進行計算。管片內力計算中的荷載包括：管片自重、水土壓力、以及滬寧高鐵列車荷載。

滬寧高鐵列車荷載按CK荷載考慮，如下圖所示：

城際鐵路列車動荷載等效為靜力荷載同時考慮動載系數，按75kPa超載來計。

1、采用梁—彈簧模型計算管片內力結果

（1）正常使用極限狀態

荷載標準組合下，1.2m寬管片計算內力如下圖所示：

（2）承載能力極限狀態

荷載基本組合下，1.2m寬管片計算內力如下圖所示：

2、采用勻質圓環模型計算管片內力結果

（1）正常使用極限狀態

荷載標準組合下，1.2m寬管片計算內力如下圖所示：

（2）承載能力極限狀態

荷載基本組合下，1.2m寬管片計算內力如下圖所示：

3）各計算截面內力計算結果及配筋

按均質圓環法和梁彈簧模型計算方法計算最不利情況進行配筋，受力主筋采用HRB400級鋼筋，管片配筋為：內側8E25，外側10E18。

3 結論

本文主要根據無錫地鐵4號線一期工程廣石盾構區間下穿滬寧城際高鐵線路實際工程，采用Midas-GTS（巖土和隧道結構專用分析系統）建立三維模型計算盾構隧道穿越施工對滬寧高鐵橋的影響分析，主要得出以下結論：

1、按地層損失率為0.5%計算可得，盾構隧道穿越滬寧高鐵橋施工引起中間與兩側承臺頂最大沉降分別為0.894mm與0.52mm;引起兩側灌注樁與中間灌注樁的最大水平位移分別為0.52mm與0.95mm。

2、兩條隧道中間的承臺沉降最大，沉降為0.894mm，滿足保護要求。相鄰承臺間距為32m，高低差為0.464mm，可滿足滬寧高鐵城際線運營的軌道不平順性要求。