市政橋梁及配套工程施工對地鐵隧道結構影響分析

張瑋鵬

(廣州大學建筑設計研究院有限公司)

0 引言

隨著城市交通運輸需求的進一步提高，相關交通工程建設越來越密集，尤其是市區地鐵隧道與市政橋梁的建設，對地下空間、地上空間進行了充分利用，在有限單位土地面積上顯著提高了交通運輸效率，但在某些節點位置，地下、地面、地上的交通運輸結構不可避免地存在復雜立交關系，后建工程需充分考慮對已建結構的保護，以確保立體交叉運輸節點的安全穩定。

本文以廣州市某市政工程為基本案例，采用Midas GTS-NX 三維有限元軟件分析計算該立體交叉節點市政橋梁及配套工程施工對地鐵隧道結構的影響，為類似項目提供借鑒參考。

1 工程概況

廣州市某互通立交工程的主線橋梁、匝道橋梁、一條污水管、一條電力管、新建河渠均位于廣州地鐵3 號線北延段保護范圍內，橋墩樁基距離地鐵3 號線北延段區間隧道最近距離為5.1m，污水管底至地鐵隧道結構頂凈距約4m，電力管底距離隧道頂約10m，新建河渠底距離地鐵隧道頂約7m。市政工程涉鐵關系詳見圖1～圖3。

圖1 市政工程涉鐵平面關系示意圖

圖2 橋梁樁基與地鐵隧道橫斷面關系圖

圖3 河渠基坑與地鐵隧道橫斷面關系圖

主線及匝道橋梁樁基采用直徑1.0m、1.2m、1.5m、1.8m 的旋挖灌注樁，樁底進入中風化巖層，全套管鋼套管跟進施工；污水管底埋深8.4m，管徑2.4m，采用頂管法施工，主要在粉質黏土層中頂進；電力管溝開挖深度約2.1m、開挖寬度約2.1m，采用放坡支護開挖，基坑底位于填土層中；新建河渠基坑開挖深度約5.7m、開挖寬度約17.8m，采用φ700@500 格柵式攪拌樁重力式擋墻+φ600×14@3000 鋼管撐支護，基坑底位于粉質粘土層中。

2 三維有限元數值模擬分析

基于項目周邊環境情況、場地地質情況、擬建項目施工圖紙、已建隧道結構竣工圖紙，最終確定分析模型的大小（長×寬×高）為390m×140m×50m。慮巖土體為半無限體，模型以外不再考慮變形，即設定為固定邊界；根據場地詳細勘察報告設置模型巖土地層參數，詳見表1；模型頂面考慮20kN/m2地面活動荷載。最終建立的整體三維有限元模型如圖4、圖5 所示。

圖4 三維有限元分析模型（一）

圖5 三維有限元分析模型（二）

根據相關設計圖紙及施工方案，結合現場實際情況建立三維整體有限元模型，關鍵工況如下：

工況一：施工河涌基坑支護結構并開挖到基坑底；

工況二：施工G106 國道橋梁樁基；

工況三：吊車吊裝施工預制橋梁結構，施加地面施工荷載；

工況四：施工污水管頂管工作井及污水管；

工況五：施工電纜管；

工況六：運營階段分析，施加道路運營荷載。

經過計算分析，地鐵隧道結構位移有限元計算結果

3 結論

基于項目基本工程概況、勘察資料、設計圖紙、施工方案、隧道結構圖紙等提資，通過涉鐵工程施工對地鐵隧道影響的三維有限元模擬分析，可得到如下結論：

⑴涉鐵市政橋梁及配套工程施工將使得地鐵隧道發生一定量位移和內力變化，隧道結構發生的最大水平位移為1.269mm、最大豎向隆起位移為2.928mm，軸力最大變化量為88.39 kN/m、變化率為10.58%，彎矩最大變化量為9.87kN·m/m、變化率為13.22%。待涉鐵市政工程完工且道路運營后，隧道結構位移小于國標《城市軌道交通結構安全保護技術規范》地鐵隧道結構保護要求限制20mm，應力變化后地鐵隧道結構的配筋及裂縫滿足規范及設計要求。

⑵基于以上分析計算結果可知，雖然涉鐵工程距離云圖詳見圖6、圖7，數據匯總表詳見表2、表3。地鐵隧道結構較近，但樁基采用了全套管施工工藝的嵌巖樁、河渠改渠箱的基坑實際挖深不深且隧道所在區域土層相對較好，因此廣州地鐵隧道結構在涉地鐵市政工程施工和道路運營過程中是安全的。

圖6 工況六完成后隧道結構總位移云圖

表2 地鐵隧道位移變化有限元計算結果匯總

表3 地鐵隧道應力變化有限元計算結果匯總

圖7 工況六完成后隧道結構彎矩云圖

4 建議

⑴施工完橋梁樁基礎后，需配置吊車吊裝施工預制橋梁結構，此時地面荷載達到最大，這個工況下隧道結構的位移及內力也發生了明顯變化，現場應鋪設足夠厚度和寬度的鋼板、甚至施工臨時砼板地面，將吊車傳導下來的集中荷載盡可能擴散開來，避免地鐵隧道結構上的附加應力過于集中。

⑵距離地鐵隧道距離小于5m 的樁基施工時，建議跳樁、對稱施工以減小應力傳遞效應；污水管頂管施工應加強導向和測量，確保管道與地鐵隧道保持安全距離。

⑶立體交叉節點涉鐵工程較為復雜，涉及近距離樁基施工、上跨基坑開挖、頂部頂管頂進施工等，但其中河渠基坑開挖主要引起隧道隆起，樁基施工及吊車吊裝施工、預制橋梁結構施工主要引起隧道沉降，應特別注意對涉鐵關鍵工況采取針對性管控措施。