砂卵石地层盾构隧道下穿铁路桥施工影响分析

阳 超， 卢雅欣， 何锁宋， 张雪松， 张 浩， 王玉锁

(1. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031; 2.中铁北京工程局集团城市轨道交通工程有限公司，安徽合肥 230088)

近年来我国城市轨道交通迅速发展，受到地铁线路规划及地下空间的客观限制，越来越多的城市地铁面临着下穿铁路桥梁等既有工程。在盾构施工的过程中，地层受到扰动进而发生地面沉降。此时，桥梁桩基周围土体应力状态发生变化，产生不利变形，上部结构的安全也受到影响。盾构施工对邻近既有结构及地层的影响也受到了国内外学者的关注。文献[1]为了研究隧道施工对邻近桩基的影响范围，通过数值模拟发现地基沉降发生在隧道的顶部，距隧道工作面1.5倍的隧道直径区域桩基受到明显影响。文献[2]针对砂卵石地层中盾构隧道对邻近桩基的影响进行研究，分析了桩基周围的土壤颗粒运动特征。文献[3-4]利用三维有限元模拟了邻近桩基的盾构施工，分析了盾构掘进过程中桩身位移的变化。文献[5]采用经验公式估算双洞型盾构隧道施工引起的地表沉降。文献[6]结合正交试验和方差分析，得出盾构施工对邻近桩基的影响因素及程度，提出了桩基近邻度的概念。文献[7]分析不同加固方式下盾构隧道掘进对近接桩基位移和内力的影响。文献[8]建立了盾构隧道穿越既有桥梁精细化施工控制体系，确保了既有桥梁的安全。

综上所述，针对盾构施工对邻近既有结构及地层的影响的研究已取得一定成果，然而砂卵石地层具有分散性强、自稳性差的特点，盾构施工很容易破坏原始地层的平衡状态，对邻近既有结构的影响显著，不同阶段的施工对邻近结构的影响具有叠加效应，而目前研究施工全过程对既有结构的影响较少，因此进行全过程施工影响研究非常有必要。本文依托成都地铁9号线某盾构区间下穿既有铁路桥工程，利用数值模拟方法分析左线、右线盾构隧道施工全过程对地表沉降、桩基和桥墩变形的影响。

1 工程概况

成都地铁9号线盾构区间隧道与既有铁路桥的位置关系如图1所示。

图1 既有铁路桥与区间隧道位置关系

盾构区间隧道左线先后穿越64#、18#、65#桥墩，距离隧道分别为9.51 m、8.68 m、8.58 m，隧顶埋深21.35～22.77 m。盾构区间隧道右线先后穿越64#、17#、63#桥墩，距离隧道分别为10.87 m、9.47 m、8.10 m，隧顶埋深20.64～22.06 m。

穿越既有铁路桥段的地质情况由上至下依次为人工填土、细砂及卵石土，穿铁路桥段左线隧道主要穿越地层为全断面卵石土；右线隧道主要穿越地层为卵石土、局部为粉细砂。

2 盾构隧道下穿铁路桥施工影响数值分析

2.1 数值模型的建立

采用Midas GTX/NX建立地层结构模型，模型尺寸为102 m×74 m×40 m(长×宽×高)。模型沿Y轴负方向为左线隧道开挖前进方向，左线通过既有铁路桥之后右线沿Y轴正方向开挖右洞，X轴为平面垂直隧道开挖前进方向，Z轴为高度方向。管片和盾壳考虑为壳单元，桩基采用植入式梁单元，其他均采用三维实体单元。考虑管片的单幅宽度为1.5 m，取2倍幅宽3 m为一开挖步，左洞和右洞都为34个开挖步。模型顶面为自由面，无约束；模型底部进行固定约束；模型侧面进行水平约束。整体模型及位置关系模型如图2所示。

图2 整体模型及位置关系模型

2.2 计算参数

结合地质勘测资料及相关规范确定结构及土体参数，如表1、表2所示。

表1 结构物理力学参数

表2 土体物理力学参数

2.3 施工过程模拟

施工阶段模拟过程如下：

(1)生成地层初始应力场，激活桥墩及桩基并进行位移清零。

(2)左线开挖并进行管片支护模拟。进行左线逐环土体开挖、管片施作、掌子面土仓压力施加的施工过程的模拟，以此类推，直至左线掘进通过既有桥梁结构，掘进通过后，开始右线由反方向掘进施工模拟，循环过程同左线，直至左线、右线贯通。

按照上面的施工步骤循环进行，共计71个施工阶段。

2.4 测点布置

由于本次施工阶段较多，提取整个施工阶段中的九个具有代表性的施工阶段进行分析，按照施工的先后顺序编号1～9，其中，1是左线穿越桥墩前施工阶段，2～4分别是左线施工到距离64#、18#、66#桥墩最近位置处，5是左线施工完成，右线穿越桥墩前阶段，6～8则是右线分别施工到距离65#、17#、63#桥墩最近位置处，9是盾构施工完成后。首先进行左线施工，随后进行右线施工，其掘进方向及施工阶段如图3(a)所示。为了进一步分析整个施工阶段过程中桥墩及桩基位移的变化规律，分别在6个承台距离隧道最近的节点位置布置位移测点，测点布置如图3(b)所示。

图3 分析阶段及承台测点示意

上述分析阶段对应的施工阶段编号如表3所示。

表3 分析阶段对应的施工阶段编号

3 计算结果分析

3.1 地表沉降

左线、右线盾构施工完成后地表沉降如图4所示。

图4 盾构施工引起地表沉降云图

选取模型沿隧道纵向中部横断面，提取该位置地表节点的竖向位移，作出地表沉降变化曲线如图5所示。

图5 地表沉降变化曲线

由图4、图5可知：

(1)在盾构掘进的过程中，地表竖向位移主要集中在隧道上部的地层中，且随着隧道的掘进，发生位移的区域沿掘进方向向前扩展。这主要是由于盾构在掘进的过程中，盾构机对开挖面土体挤压，使开挖面土体移动，隧道盾构周围的土体受到施工扰动后，从而引起地层的隆沉。

(2)当左线隧道开挖完成时，发生位移的区域沿隧道纵向贯穿整个地层区域，此时地表沉降最大值为5.72 mm，在左线掘进终点位置处；右线隧道开挖完成时，地表沉降最大值为7.4 mm，位于两条隧道中心线处。根据铁运[2006] 146号《铁路线路维修规则》和相关设计要求，盾构隧道下穿期间地面最大累计沉降值不超过30 mm，最大累计隆起量不超过10 mm，地表沉降在限定控制标准范围内。

(3)当右线完全通过桥梁时，地表出现了较为明显的沉降槽，地表位移变化区域为左线、右线隧道上部一定范围的整个地表区域，即一条粗带状区域。

3.2 桥墩及桩基变形

3.2.1 桥墩竖向位移

左线、右线盾构施工完成后桥墩竖向位移如图6所示。

图6 桥墩竖向位移云图

提取各测点(见图3)整个施工阶段的竖向位移，并以施工阶段为横坐标，测点竖向位移为纵坐标，作出时程曲线如图7所示。

图7 测点竖向位移时程曲线

由图6、图7可知：

(1)随着盾构的掘进，沿掘进方向桥墩逐渐产生了竖向位移，且当盾构施工接近桥墩时，相应承台测点处沉降变化较为明显。左线开挖时，测点6所在的63#桥墩在纵向上距离左线开挖面最近，因此最先产1.5 mm左右的沉降值。

(2)桩基础在竖直方向上发生变形且最大位移主要出现在桩顶的位置，大多均产生的是向下的位移，这说明桩顶发生了沉降。右线隧道施工后，桩基及桥墩进一步沉降，桩基础最大竖向位移为3.78 mm，位于17#桥墩内侧。

(3)根据GB 50157-2013《地铁设计规范》规定的墩台沉降量不超过50 mm，相邻墩台的差异沉降不超过20 mm。结合本工程，取差异沉降值20 mm作为墩台沉降允许位移值。根据数值分析结果，桥墩竖向沉降在限定控制标准范围内。

3.2.2 桥墩水平位移

左线、右线盾构施工完成后引起的桥墩水平(图2中X方向，即垂直于隧道轴向)方向位移如图8所示。

图8 桥墩水平(垂直于隧道轴向)方向位移云图

提取各测点在整个施工阶段的沿X(垂直于隧道轴向)方向的水平位移，并以施工阶段为横坐标，测点沿X方向的水平位移为纵坐标，作出时程曲线如图9所示。

图9 测点X(垂直于隧道轴向)方向位移时程曲线

由图8、图9可知：

(1)隧道左线贯通时，桥墩最大水平位移值为3.5 mm，位于66#桥墩外侧；右线掘进完成，桥墩最大水平位移值为5.4 mm，位于63#桥墩外侧。说明盾构施工扰动土体发生位移后，桥墩下桩基础周围土体对桩本身产生了挤压，使桩身及桥墩开始发生垂直于隧道轴向水平方向位移，这样可能使桩基础发生一定程度的剪切破坏。

(2)随着盾构的开挖掘进，左右侧桥墩均产生垂直于隧道轴向水平水平位移，方向背离隧道，且近似呈对称分布；盾构掘进完成后，测点最大水平位移为2 mm左右，分别在测点6(63#)和测点3(66#)。

(3)测点6(63#)由于纵向上距左线起始开挖最近，因此最先产生水平位移，然后沿着盾构隧道掘进方向，依次是测点1(64#)、测点5(17#)等。

3.2.3 桩基水平位移

图10 桩基水平(垂直于隧道轴向)方向位移

左线、右线盾构施工完成后引起的桩基水平(垂直于隧道轴向)方向位移如图10所示。

由图10可知：

(1)左线隧道开挖完成后桩基最大水平位移值为1.3 mm，位于63#桥墩内侧的桩基顶部；右线掘进结束，桩基最大水平位移值为2.0 mm，位于63#桥墩内侧的桩基顶部。由此可见，右线盾构隧道施工引起的桩基水平位移出现叠加现象。

(2)盾构施工引起桩基的最大水平位移都出现隧道中线附近，方向背离隧道，且距离隧道越近，水平位移越大。由于隧道开挖是卸荷过程，隧道埋深以上土体会产生沉降，隧道下方土体会产生隆起，土体竖向应力传递路径被切断，土体中主应力方向由竖直方向变成水平方向，对于隧道中心线两侧土体产生挤压的作用，使桩基产生背离隧道方向的位移。

(3)近接桩基础水平位移控制标准，根据JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》桩基地面处水平位移允许值为10 mm，对于水平位移敏感的建筑物取为6 mm的规定，结合本工程特点，取单桩水平位移允许值为6 mm。根据数值分析结果根据数值分析结果，桥桩基础竖向沉降在限定控制标准范围内。

4 结论

利用数值模拟，分析了盾构隧道下穿既有铁路桥施工过程地表沉降、桥墩及桩基的竖直和水平位移的变化规律，得出以下结论：

(1)盾构隧道左线、右线施工完成后，地表沉降最大值位于两区间隧道中部。

(2)随着盾构的掘进，沿掘进方向桥墩及桩基逐渐产生竖向位移，且距离左线开挖面最近处最先产生沉降。桩基础在竖直方向上发生变形且最大位移主要出现在桩顶的位置， 右线开挖后，桩基及桥墩进一步沉降，桩基础最大竖向位移为3.78mm，桩基础竖向沉降在限定控制标准范围内。

(3)左、右线盾构施工引起桩基的最大水平位移都出现隧道中线附近，方向背离隧道，且距离隧道越近，水平位移越大。右线掘进结束，桩基最大水平位移值为2.0 mm，取单桩水平位移允许值为6 mm，桩基础水平位移在限定控制标准范围内。

(4)通过本次数值分析表明，桩基和墩台的最不利位置分别为位于63#桥墩内侧的桩基顶部、63#桥墩外侧。因此盾构施工时，应重视对掌子面土仓压力的控制，同时加强监控量测，以保证施工安全。