施工荷載對既有高鐵隧道群的影響數值分析

王學廣 鄒中權

(1.中國華西工程設計建設有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510080； 2.湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411201)

近年來，隨著我國城市化的發展，城市交通擁堵情況日益嚴重，地鐵已成為緩解城市地面交通壓力的重要手段。然而，地鐵施工過程中容易與其他地上、地下結構物之間發生相互影響。因此，為了確保地鐵建設順利進行，防止發生安全風險，需仔細研究其與鄰近建筑的影響[1-8]，并據此采取適當的工程措施。

本文以某地鐵運營庫上跨高鐵隧道群工程為例，運用有限元數值分析的方法，對地鐵運用庫樁基礎和上部結構施工時大型施工機械作業施工荷載對既有高鐵隧道結構受力和變形的影響進行了分析。

1 工程概況

某地鐵停車場運用庫上跨三條既有高鐵隧道群，分別用高鐵1正線隧道、高鐵1聯絡線隧道、高鐵2隧道表示。停車場運用庫采用房橋合一的結構形式，上部由兩跨簡支鋼桁架橋組成，主桁最小跨度55 m，最大跨度110 m，共16座, 需要完成16 000 t鋼構件加工拼裝、70萬顆高強度螺栓安裝。下部采用承臺加樁基礎形式，涉鐵樁基共138根，其中隧道間樁基共有24根，距離既有鐵路隧道結構凈距3 m～13.8 m，樁徑為1.6 m～2.2 m，同時近距離跨越三條高鐵隧道群屬全國首例，施工難度大。地質情況為素填土、碎石土、花崗巖。為最大程度降低對樁基、桁架施工對既有高鐵隧道群的影響，加快施工進度，減少擾動，確保既有高鐵隧道安全，保證高鐵行車安全，樁基采用全回轉液壓鉆機、旋挖鉆機大型施工機械施工，桁架現場焊接拼時采用履帶吊車吊裝、頂推滑移施工。

2 施工荷載

涉鐵區域施工荷載統計見表1。其中基礎施工階段，荷載較大的工程機械有全回轉液壓機，位于樁頂正上方，履帶吊車，涉及整個區域，另外旋挖鉆機、汽車吊、混凝土輸送泵及鋼結構自重均較小，可以不考慮其影響。上部結構施工時，最大荷載為履帶吊車，荷重3 500 kN，涉及整個區域，因此重點分析上部結構施工時履帶吊車荷載的影響。

高鐵隧道1的埋深較淺，當施工機械(履帶吊車)位于隧道正上方時，對隧道的影響最大。本次分析選取圖1所示的A，B，C三處作為施工機械荷載的作用位置，分析大型施工荷載對高鐵的影響。A處位于高鐵2隧道正上方、B處位于高鐵1聯絡線隧道一側、C處位于高鐵1正線隧道正上方。

表1 涉鐵區域施工荷載統計

主要的施工荷載為履帶吊車的重載作用，其重3 500 kN，作用面積21.6 m2，換算為作用壓強為162 kPa，考慮到其他機械的影響及安全儲備，施工荷載采用均布荷載200 kPa加載計算。

3 模型的建立

為分析施工荷載對既有高鐵隧道群的影響，根據設計圖紙，建立有限元模型進行數值分析。施工機械荷載作用位置平面圖見圖1，模型整體示意圖見圖2。模型大小為400 m×120 m×80 m，單元數約20萬，節點數約21萬。模型采用固定邊界條件。

4 計算成果及分析

4.1 A處施工機械荷載作用下高鐵1聯絡線隧道變形

如圖3～圖6所示，A處施工機械荷載作用下，下部土體產生的最大土體變形為17.24 mm(由于填土承載力較低，地基已接近破壞)，高鐵隧道襯砌產生的最大變形為1.15 mm，位于隧道拱頂，兩腰的最大變形為0.6 mm～0.8 mm，拱底的變形約為0.3 mm，最大隧道橫向方向的變形小于0.2 mm。

4.2 B處施工機械荷載作用下高鐵1正線隧道變形

如圖7～圖10所示，B處施工機械荷載作用下，下部土體產生的最大土體變形為12.67 mm(由于填土承載力較低，已接近破壞)，高鐵隧道襯砌產生的最大沉降變形為1.34 mm，位于隧道拱頂偏左處，左腰的最大變形為1.1 mm，右腰最大變形為0.6 mm，拱底的沉降變形約為0.4 mm，最大隧道橫向方向的變形為0.34 mm。

4.3 C處施工機械荷載作用下高鐵1正線隧道變形

如圖11～圖14所示，C處施工機械荷載作用下，下部土體產生的最大土體變形為15.57 mm(由于填土承載力不足，已接近破壞)，高鐵隧道襯砌產生的最大沉降變形為1.76 mm，位于隧道拱頂，兩腰的最大變形為0.6 mm～0.8 mm，拱底的沉降變形約為0.2 mm，最大橫向變形0.38 mm。匯總A，B，C三處的沉降變形量，見表2，從表2可知，當施工機械位于高鐵隧道正線正上方時變形最大，最大值為1.46 mm。

表2 施工機械荷載作用下隧道襯砌變形匯總表 mm

5 結論

1)由于素填土結構松散，承載力低，重型施工機械荷載作用下，地基土體接近破壞，土體產生很大變形，建議施工前對填土地基進行注漿加固處理。

2)在最不利施工荷載作用下(荷載作用于高鐵隧道正上方)，高鐵1隧道正線隧道拱頂最大變形約1.76 mm，高鐵1隧道聯絡線隧道拱頂最大變形約1.15 mm，施工荷載對隧道結構產生影響，但數值滿足規范[9,10]，可控。