跨線橋穿越地鐵對隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

■ 昆明軌道交通集團有限公司 成俊 曹勇 劉飛

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)和地鐵建設(shè)的高速發(fā)展，橋梁穿越既有地鐵線路的現(xiàn)象時有發(fā)生。由于新建工程易對地層形成再次擾動，勢必會引起既有地鐵結(jié)構(gòu)周邊應(yīng)力的重分布，導致既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的變形。因此，掌握跨線橋施工和運營過程中地鐵結(jié)構(gòu)的變形和受力規(guī)律，對保障地鐵運營安全具有重要的意義。

馮龍飛等[1]采用三維模型分析了近距離橋梁施工和通車階段對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響；蘭憲鋼[2]采用有限元模型分析了典型跨度承臺梁的施工及使用階段的受力，并提出了保證結(jié)構(gòu)安全的設(shè)計及施工措施；呂寶偉[3]通過數(shù)值模擬防范分析了橋梁樁基施工對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的影響，并用現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行了論證；閆靜雅等[4]采用有限元方法對隧道剛度、樁長以及樁隧凈距等單因素敏感性進行了分析，得出群樁對已建隧道變形和彎矩的影響規(guī)律；徐亞光等[5]以跨地鐵高架橋為依托，分析了橋梁基礎(chǔ)施工引起的既有隧道結(jié)構(gòu)變形，并進行了數(shù)值模擬計算；安建勇等[6]分析了樁基施工對鄰淺埋近隧道地表沉降及應(yīng)力重分布的影響；路平等[7]通過三維有限元數(shù)值模型模擬立交橋橋墩樁基的成孔施工、運營期樁基承擔荷載在土中產(chǎn)生的應(yīng)力擴散對既有隧道結(jié)構(gòu)與軌道變形產(chǎn)生的影響。上述研究主要考慮了橋梁上跨地鐵結(jié)構(gòu)施工對既有地鐵隧道的影響，由于擬建跨線橋工程位于地鐵隧道上方，工程的施工及運營可能對地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，為分析跨線橋?qū)Φ罔F結(jié)構(gòu)帶來的不利影響及跨線橋方案跨越既有地鐵結(jié)構(gòu)的可行性，本研究將在上述研究的基礎(chǔ)上，采用Midas GTS 對工程的施工過程及其影響進行模擬分析，并將監(jiān)測結(jié)果與計算結(jié)果進行對比，為類似項目的設(shè)計和施工提供參考。

1.工程概況

該跨線橋項目位于昆明經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)洛羊物流片區(qū)呈東路南端，從地鐵1號線區(qū)間隧道上方跨過。全橋設(shè)計為1m～35m裝配式預應(yīng)力混凝土小箱梁橋，橋梁全長41m，橋梁中心線與彩云中路前進方向正交，橋面全寬34m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用1m ～35m 簡支結(jié)構(gòu)預應(yīng)力混凝土小箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土多柱埋置式橋臺、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋臺平行布置，鉆孔灌注樁樁長30m、樁徑1.5m。地鐵一號線斗南站至春融街站區(qū)間為高架至地下的過渡區(qū)間，其地下段主要穿越彩云中路及兩側(cè)的山坡?？缇€橋下方設(shè)有箱型隧道、盾構(gòu)始發(fā)井及盾構(gòu)隧道，埋深1.84m ～3.51m。

圖1 項目與地鐵平面位置關(guān)系示意圖

跨線橋修建需要開挖箱型隧道及盾構(gòu)始發(fā)井部分上覆土?；娱_挖深度為跨線橋箱梁結(jié)構(gòu)底板下方0.3m 處。基坑底位于箱型隧道及盾構(gòu)隧道始發(fā)井結(jié)構(gòu)頂板上方約1.6m處，跨線橋橋樁距離箱型隧道結(jié)構(gòu)外邊線的最小水平距離為5.3m～10.9m，跨線橋箱梁結(jié)構(gòu)底板位于箱型隧道及盾構(gòu)始發(fā)井結(jié)構(gòu)頂板上方約1.9m 處。該項目場地平面圖見圖1。

2.動態(tài)施工過程模擬

2.1 有限元模型的建立

圖2 三維有限元模型

根據(jù)緊鄰地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)和跨線橋的空間關(guān)系以及跨線橋結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工特點，本研究采用三維有限元軟件Midas GTS 建立三維有限元計算模型，模擬跨線橋施工和運營，并分析緊鄰地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形情況，進而分析呈東路跨線橋施工及運營對緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響。模型中盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)采用殼單元，橋梁樁基、承臺、箱型隧道和土體采用實體單元，土體采用摩爾—庫倫本構(gòu)模型，樁基礎(chǔ)、箱型隧道、承臺結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，三維模型見圖2。

地鐵隧道周邊地層的力學性質(zhì)對約束跨線橋施工過程地鐵結(jié)構(gòu)的受力和變形起著關(guān)鍵作用，對此，進行三維模擬分析計算時須充分考慮本項目的地層分布特點并合理選取計算參數(shù)。模型中的地層主要根據(jù)緊鄰地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)附近的工程地質(zhì)資料以及跨線橋靠近地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)附近的工程地質(zhì)資料進行合理簡化。地層自上往下依次為人工填土、粉質(zhì)黏土、全風化粉砂質(zhì)泥巖和強風化砂巖。各地層的計算參數(shù)取值主要依據(jù)工程經(jīng)驗和工程地質(zhì)勘察報告綜合分析確定，具體土層參數(shù)取值詳見表1。地鐵隧道以及跨線橋結(jié)構(gòu)體系的力學計算參數(shù)經(jīng)綜合考慮相關(guān)因素后確定。三維有限元計算模型的邊界條件為模型底部Z 方向位移約束，模型前后面Y 方向約束，模型左右面X 方向約束。

表1 模型土層參數(shù)

2.2 施工模擬

為了分析跨線橋不同施工工序和正常運營條件下對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，此次計算分析中將按照表2中的幾個步驟進行：

表2 模擬施工工序

3.結(jié)果分析

3.1 計算結(jié)果分析

表3為呈東路跨線橋施工和運營條件下地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的計算位移，表4為地鐵箱型隧道結(jié)構(gòu)的計算位移。由表3數(shù)據(jù)可知，呈東路跨線橋施工和運營荷載誘發(fā)地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移為0.2mm、最大豎向位移為0.8mm、最大總位移為0.8mm。由表4數(shù)據(jù)可知，跨線橋施工和運營荷載誘發(fā)地鐵箱型隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移為0.4mm、最大豎向位移為3.3mm、最大總位移為3.3mm。盾構(gòu)隧道和箱型結(jié)構(gòu)的最大水平位移和豎向位移均出現(xiàn)在開挖地鐵隧道部分上覆土及承臺基坑時，原因是基坑開挖破壞了原有土體的應(yīng)力平衡狀態(tài)和土體處于超固結(jié)狀態(tài)，使得結(jié)構(gòu)周圍土體產(chǎn)生位移，進而引起隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移。

表3 呈東路跨線橋盾構(gòu)隧道計算位移匯總表（mm）

表4 呈東路跨線橋箱型隧道計算位移匯總表（mm）

圖3 地鐵隧道沿水平側(cè)向位移和豎向位移曲線

圖3為地鐵隧道沿水平側(cè)向位移和豎向位移曲線，由圖3可知，地鐵隧道豎向位移受跨線橋施工影響較大，水平位移受跨線橋施工影響較?。幌湫退淼蓝问芸缇€橋影響較大，盾構(gòu)隧道由于距離跨線橋較遠，受施工和運營荷載影響很小。在跨線橋范圍內(nèi)，隧道水平位移先增大后減小，在橋中隧道水平位移達到最大值；隧道豎向位移隨里程增加呈增加趨勢，但總的變化量較小，為3.3mm，遠小于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》 （CJJ/T202）中隧道水平豎向位移小于20mm 的控制要求。

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

表5為呈東路跨線橋施工和運營條件下地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測位移，表6為地鐵箱型隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測位移。圖4、圖5分別為不同施工工序下地鐵隧道結(jié)構(gòu)的計算位移和監(jiān)測位移變化曲線。通過數(shù)值計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬和監(jiān)測結(jié)果變形規(guī)律基本一致，但監(jiān)測結(jié)果偏大。盾構(gòu)隧道監(jiān)測結(jié)果平均為計算結(jié)果的2.1倍，箱型隧道監(jiān)測結(jié)果平均為計算結(jié)果的2.3倍，原因在于數(shù)值計算中采用了理想狀態(tài)假定，使計算值偏小。

表5 呈東路跨線橋盾構(gòu)隧道監(jiān)測位移匯總表（mm）

表6 呈東路跨線橋箱型隧道監(jiān)測位移匯總表（mm）

圖4 不同施工工序下隧道結(jié)構(gòu)計算位移變化曲線

圖5 不同施工工序下隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測位移變化曲線

隧道結(jié)構(gòu)位移變化曲線顯示，在即開挖地鐵隧道部分上覆土及承臺基坑時，隧道結(jié)構(gòu)位移變化量最大，同時隧道的位移變形值也達到最大值，隨著后續(xù)橋樁、承臺、箱梁的施工，地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移不斷減小，在施加運營荷載后，隧道結(jié)構(gòu)位移量趨近于0。

圖6 箱型隧道監(jiān)測總位移時程曲線

圖6為箱型隧道監(jiān)測總位移時程曲線，由監(jiān)測結(jié)果可知，箱型隧道位移隨開挖深度增加，位移不斷增大，在開挖完成后箱型隧道位移達到最大值，并隨后續(xù)工序的施工，隧道位移不斷減小。因此，在施工過程中，應(yīng)重點關(guān)注土方開挖時隧道結(jié)構(gòu)的位移情況，選擇合適的開挖方式，制定合理的開挖方案，并做好位移控制措施及應(yīng)急預案，防止隧道結(jié)構(gòu)因位移過大影響地鐵運營安全。

4.結(jié)論及建議

結(jié)合呈東路跨線橋設(shè)計方案、施工工序及運營荷載，根據(jù)數(shù)值計算與監(jiān)測結(jié)果及分析，得到的具體結(jié)論如下：

（1）在工程施工階段，開挖地鐵隧道部分上覆土及承臺基坑對地鐵盾構(gòu)隧道和箱型隧道的位移和內(nèi)力的影響最大，最大計算值為3.3mm，最大監(jiān)測值為7.3mm；其他施工工序及運營荷載對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力影響都很小。

（2）監(jiān)測結(jié)果及計算結(jié)果表明，最大位移量均滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護規(guī)范》 （CJJ/T202） 中對地鐵結(jié)構(gòu)變形的控制要求，跨線橋設(shè)計及施工方案可行。

（3）根據(jù)施工過程中隧道位移情況，認為在全強風化砂質(zhì)泥巖條件下，應(yīng)充分注意隧道上部土方開挖時對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的保護，制定合理的開挖方案，避免因結(jié)構(gòu)位移過大影響地鐵安全。