地鐵隧道側穿施工對近鄰高鐵橋影響的數(shù)值分析

高利琴， 杜明芳， 盧海陸， 李曉文， 易領兵， 李帥兵

(1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學院， 鄭州 450008； 2.河南工業(yè)大學 土木工程學院， 鄭州 450001； 3.中國建筑第七工程局有限公司， 鄭州 450008； 4.河南省建筑科學研究院有限公司， 鄭州 450053)

基于目前重大的人口基數(shù)，為了快速疏散客流，緩解交通壓力，大力發(fā)展高速鐵路，現(xiàn)在已初步建成高速鐵路網(wǎng)。而城市地鐵線路往往滯后于高速鐵路的發(fā)展，無法實現(xiàn)同步規(guī)劃、同步建設、并同步投入使用，這就必然造成了地鐵線路會穿越已開通運營的高速鐵路線路的情況。中國高速鐵路普遍采用高架橋的方式，導致地鐵線路往往會在鐵路橋梁橋樁基礎附近穿越，在地鐵施工過程中，可能會引起高鐵橋樁基產(chǎn)生位移、沉降等變形，給高鐵的運營帶來安全隱患。

城市核心密集區(qū)域修建地鐵日益凸顯，各種工法施工下穿及側穿房屋、河流、普速鐵路、高鐵等工程越來越多。文獻[1]對盾構區(qū)間下穿普速鐵路進行了研究；文獻[2]研究了高層建筑施工對臨近既有隧道的影響；文獻[3]研究了基坑開挖對臨近樁基的影響；文獻[4]研究了新建堤壩對既有橋樁的影響；文獻[5]研究了地鐵車站施工對臨近既有橋樁的影響；文獻[6]通過監(jiān)測手段研究了臨近既有橋樁隧道的變形規(guī)律；文獻[7-10]研究了盾構施工對既有橋樁的影響；文獻[11-13]研究了基坑開挖施工對近鄰既有橋樁的影響；文獻[14]對暗挖區(qū)間側穿高鐵特大橋施工進行了數(shù)值仿真計算分析研究；文獻[15]對盾構區(qū)間下穿普速鐵路施工進行了數(shù)值仿真計算分析研究；文獻[16]對暗挖區(qū)間下穿城市市政道橋施工進行了數(shù)值仿真計算分析研究；文獻[17]對盾構區(qū)間下穿高鐵橋施工進行了數(shù)值仿真計算分析研究。以上研究較多集中于明挖基坑施工、下穿普速鐵路路基、暗挖側穿橋樁等方面，而對地鐵盾構區(qū)間左、右近距離側穿高速鐵路大橋研究幾乎未涉及。考慮以上情況，如何降低盾構區(qū)間雙線隧道側穿施工對高速鐵路的影響程度，規(guī)避風險，使盾構區(qū)間雙線隧道在施工過程中更加安全高效是值得研究的問題。

以下穿鄭西高鐵大橋的地鐵區(qū)間隧道工程為背景，對側穿鄭西高鐵跨繞城高速大橋段區(qū)間隧道進行了設計，并用FLAC3D數(shù)值計算軟件對隧道下穿鄭西高鐵跨繞城高速大橋進行有限元數(shù)值仿真計算分析，揭示了地鐵盾構側穿作業(yè)施工過程對高速鐵路上跨繞城公路特大橋基礎影響的規(guī)律；研究了同一承臺處樁基變形趨勢特征；分析了左右線盾構區(qū)間中間橋樁位移變形規(guī)律；總結了盾構區(qū)間頂部以上以及盾構區(qū)間洞內(nèi)及底部以下2倍洞徑范圍內(nèi)橋樁水平位移及豎向沉降特征；研究了土體應力平衡狀態(tài)變化情況。研究成果對類似工程具有一定的參考價值。

1 工程概況

鄭州地鐵1號線化工路站到鐵爐路站盾構區(qū)間工程，盾構管片厚度350 mm，盾構內(nèi)徑5 500 mm，外徑6 000 mm。盾構下穿跨繞城高速大橋，該大橋為鄭州到澠池段上跨繞鄭州高高鐵大橋：梁跨度32 m，預應力梁，軌道為有砟軌道。橋梁部分參數(shù)見表1。盾構下穿橋編號為58、59、60，58號和 59號橋樁之間為盾構左線穿越部位，59號和60號橋樁之間為盾構右線穿越部位，與大橋呈約96°～103°,位置關系如圖1所示。相關參數(shù)見表1和表2。

圖1 平面位置關系圖

表1 高鐵橋橋墩及基礎基本情況

表2 盾構隧道外邊緣與高鐵橋樁基最小凈距

2 盾構區(qū)間施工數(shù)值計算

運用大型有限差分法分析軟件(FLAC3D)對上述工程施工重點工況進行數(shù)值仿真分析計算[1-3]。模擬計算步驟如下：

1)初始應力場模擬。

2)繞城高速特大橋結構構建施工。

3)差分計算數(shù)值模型位移歸零。

4)區(qū)間左線盾構作業(yè)施工，盾構區(qū)間350 mm厚管片作業(yè)安裝。

5)區(qū)間右線盾構作業(yè)施工，盾構區(qū)間350 mm厚管片作業(yè)安裝。

繞城高速鐵路大橋橋下基礎樁受力荷載如下：箱梁、橋墩、承臺、鐵路軌道、附屬電線立柱等恒載，以及動荷載(高速鐵路運行過程中產(chǎn)生荷載)。根據(jù)相關前期基礎資料確定橋下樁基礎頂部最不利荷載取3×103kN,周邊地表活荷載取20 000 Pa。具體數(shù)據(jù)見表3，有限元模型如圖2、圖3所示。

圖2 三維地層-結構模型

圖3 軌道交通結構模型

表3 材料參數(shù)

2.1 高鐵橋樁分析

盾構區(qū)間作業(yè)施工過程中會造成橋樁的位移，運用上述大型有限差分法計算軟件計算盾構區(qū)間左線線路通過后橋樁位移及左線和右線都通過后橋樁位移。橋樁位移如圖4、圖5所示。為便于分析數(shù)據(jù)，省去過程中位移變化結果，僅給出盾構區(qū)間通過后最終位移結果。

圖4 左線隧道貫通后橋樁位移

圖5 雙線隧道貫通后橋樁位移

綜合圖4、圖5分析可知：盾構區(qū)間左線線路施工完畢后，橋下樁基礎最大位移值為3.2 mm，位置發(fā)生在與左線盾構區(qū)間同一深度處近鄰盾構區(qū)間橋下樁基礎，盾構區(qū)間左線和右線線路施工完畢后，橋下樁基礎最大位移值為2.8 mm，位置發(fā)生在與左、右線盾構區(qū)間同一深度處近鄰盾構區(qū)間橋下樁基礎。

隨橋下樁基礎中心線距離盾構區(qū)間凈距逐漸加大隧道側穿高速橋施工對樁基礎影響逐漸減弱。盾構區(qū)間左線線路穿越施工過程中對58號和59號樁基礎產(chǎn)生較大的影響，對距離較遠的60號橋樁基礎影響微乎其微。考慮到58號和59號橋樁基礎距離左線盾構區(qū)間距離較近，因此58號和59號橋樁基礎變形大。盾構區(qū)間右線線路施工穿越完成后，對臨近既有59號和60號橋樁基礎影響較為明顯，其位移變形顯著增大，位移變化趨勢與58號橋樁基礎變化趨勢一致。對于左線盾構區(qū)間與右線盾構區(qū)間之間的59號橋樁基礎，隨著遠離或接近左、右線盾構區(qū)間,59號橋樁基礎位移變化均減少，整體位移變化規(guī)律體現(xiàn)在豎向向下沉降變形。

盾構區(qū)間左線線路穿越完成后，同一橋下承臺處樁基礎變形趨勢基本一致，原因為受同一承臺約束樁機頂部(該出為剛性連接)；此外隨著距離左線盾構區(qū)間中心線凈距的增大，橋下樁基礎位移減小，即凈距較遠處橋樁位移變形小于凈距較小處橋樁位移變形。

綜合以上結果可知，橋下樁基礎變形規(guī)律如下：在盾構區(qū)間頂部以上主要體現(xiàn)在豎向位移沉降方面及向盾構區(qū)間方向水平變形方面；在盾構區(qū)間外徑6 m區(qū)域內(nèi)以及盾構區(qū)間管片外皮向下12 m(2倍洞徑D：12 m=2×6 m)區(qū)域內(nèi)隨著周邊土層背離盾構區(qū)間徑向位移而導致橋下樁基礎向盾構區(qū)間方向產(chǎn)生位移，但位移變化較?。欢軜媴^(qū)間管片底以下2倍洞徑到橋下樁基礎區(qū)域，橋下樁基礎位移變化大體體現(xiàn)在向盾構區(qū)間方向產(chǎn)生水平方向位移變化，但豎向沉降位移很小。

2.2 臨近土層應力分析

盾構區(qū)間作業(yè)施工過程中會造成地層應力的變化，運用上述大型有限差分法計算軟件計算盾構區(qū)間左線和右線都通過后地層應力(包括最大和最小主應力)情況。以及盾構區(qū)間未施工前地層初始應力(包括最大和最小主應力)情況。具體應力云圖如圖6～圖9所示。

圖6 地層初始最大主應力云圖

圖7 地層初始最小主應力云圖

圖8 左線隧道貫通后地層初始最大主應力云圖

圖9 雙線隧道貫通后地層初始最小主應力云圖

綜合圖6～圖9分析可知：盾構區(qū)間左、右線線路施工打破了地層初始應力自平衡穩(wěn)定狀態(tài)，造成初始地層應力動態(tài)調(diào)整，再次趨向于新平衡狀態(tài)進行調(diào)整，考慮到左、右線盾構區(qū)間施工引起臨近地層初始應力重新分布區(qū)域范圍有限，隨著區(qū)間穿越施工完成后一段時間，臨近影響范圍內(nèi)地層應力進行趨向于新平衡狀態(tài)動態(tài)調(diào)整，進而達到平衡。

3 結論與建議

對側穿大橋的區(qū)間隧道進行了數(shù)值計算，研究了區(qū)間隧道施工后橋樁的位移，并分析了地層應力平衡問題，得出如下結論：

1)隨橋下樁基礎中心線距離盾構區(qū)間凈距逐漸加大隧道側穿高速橋施工對樁基礎影響逐漸減弱。盾構區(qū)間左線線路穿越施工過程中對58號和59號樁基礎產(chǎn)生較大的影響，對距離較遠的60號橋樁基礎影響微乎其微?？紤]到58號和59號橋樁基礎距離左線盾構區(qū)間距離較近，因此58號和59號橋樁基礎變形大。盾構區(qū)間右線線路施工穿越完成后，對臨近既有59號和60號橋樁基礎影響較為明顯，其位移變形顯著增大，位移變化趨勢與58號橋樁基礎變化趨勢一致。對于左線盾構區(qū)間與右線盾構區(qū)間之間的59號橋樁基礎，隨著遠離或接近左、右線盾構區(qū)間,59號橋樁基礎位移變化均減少，整體位移變化規(guī)律體現(xiàn)在豎向向下沉降變形。

2)盾構區(qū)間左線線路穿越完成后，同一橋下承臺處樁基礎變形趨勢基本一致；此外隨著距離左線盾構區(qū)間中心線凈距的增大，橋下樁基礎位移減小，即凈距較遠處橋樁位移變形小于凈距較小處橋樁位移變形。

3)在盾構區(qū)間頂部以上主要體現(xiàn)在豎向位移沉降方面及向盾構區(qū)間方向水平變形方面；在盾構區(qū)間外徑6 m區(qū)域內(nèi)以及盾構區(qū)間管片外皮向下12 m(2倍洞徑D：12 m=2×6 m)區(qū)域內(nèi)隨著周邊土層背離盾構區(qū)間徑向位移而導致橋下樁基礎向盾構區(qū)間方向產(chǎn)生位移，但位移變化較??；盾構區(qū)間管片底以下2倍洞徑到橋下樁基礎區(qū)域，橋下樁基礎位移變化大體體現(xiàn)在向盾構區(qū)間方向產(chǎn)生水平方向位移變化，但豎向沉降位移很小。

4)盾構區(qū)間左、右線線路施工打破了地層初始應力自平衡穩(wěn)定狀態(tài)，造成初始地層應力動態(tài)調(diào)整，再次趨向于新平衡狀態(tài)進行調(diào)整，考慮到左、右線盾構區(qū)間施工引起臨近地層初始應力重新分布區(qū)域范圍有限，隨著區(qū)間穿越施工完成后一段時間，臨近影響范圍內(nèi)地層應力進行趨向于新平衡狀態(tài)動態(tài)調(diào)整，進而達到平衡。