地铁盾构隧道下穿护城河拱桥沉降数值模拟及控制措施

文保军 侯莉娜

地铁盾构隧道下穿护城河拱桥沉降数值模拟及控制措施

文保军 侯莉娜

摘 要：针对西安地铁1号线盾构隧道下穿朝阳门外护城河拱桥文物区工程，通过建立三维有限元模型，模拟分析盾构机掘进过程中土层沉降机理，对护城河桥受力进行理论分析，并提出护城河桥的沉降控制标准，制定出具有针对性的拱桥加固方案。同时，通过施工过程中对护城河拱桥的沉降监测，验证文中提出的沉降控制标准，为今后类似工程提供理论参考。

关键词：地铁；盾构隧道；下穿拱桥；加固技术；研究

西安市地铁1号线盾构区间隧道穿越朝阳门外护城河老拱桥，地铁隧道施工会不可避免地引起地层位移和地面沉降，并导致老拱桥基础不均匀沉降、桥体砌块和灰缝开裂、脱落，甚至局部坍塌，因此，必须对地铁穿越影响范围内的护城河老拱桥采取相应的预防和保护措施。本文主要对护城河老拱桥沉降控制标准和施工期间的加固处理措施进行研究。

图1　隧道与城河桥平面关系图

1　工程概况

西安市朝阳门外现有2座护城河桥（护城河老拱桥和护城河新桥）。西安地铁1号线盾构区间隧道，右线从护城河老拱桥下方穿越，左线从护城河新桥北侧绕行（图1）。护城河新桥为钢筋混凝土单拱桥，桥台下为钢筋混凝土桩基础，盾构隧道施工对其影响较小，故本次主要研究对象为护城河老拱桥。护城河老拱桥为单跨拱形桥，修建于20世纪60年代，南北宽约为37 m，其中两边9 m处各有1道变形缝将桥台分为3部分。桥拱圈为预制200号混凝土砌块，拱脚为预制350号混凝土砌块，桥台基础为80号水泥砂浆砌块石，桥台护坡及河底采用500 mm厚水泥砂浆砌块石（图2）。

图2　朝阳门外护城河老拱桥

朝阳门外护城河河岸及河床用混凝土砂浆块石保护，护城河河宽17.4 m，水深0.65 m，水面高程397.55 m，河面相对地面高差约为7.15 m。地貌单元属黄土梁洼，地表分布有厚薄不均的全新统人工填土、新黄土（局部为饱和软黄土）、残积古土壤、中更新统风积老黄土、中更新统冲积粉质黏土、粉土、细砂等。

2　拱桥加固技术原则

(1）加固设计应达到国家文物保护部门相关规定和要求，既满足老拱桥保护要求，又确保老拱桥安全。

(2）加固设计应尽可能减小施工期间盾构对老拱桥产生的影响。

(3）加固设计应尽可能减小对周边环境、地面交通的影响，尽量减少建筑物的拆迁和管线的改移。

(4）通过加固设计，使得隧道盾构施工所引起的地面沉降和隆起均应控制在规范允许的范围以内。

图3　拱桥-隧道-地层计算模型

图4　隧道与老拱桥的位置关系

表1　地层土物性参数表

3　拱桥沉降数值模拟

3.1老拱桥模型的建立

本文建立拱桥-隧道-地层三者相互作用的三维数值模型，以考查隧道的修建对老拱桥的影响，建立的拱桥-隧道-地层三维数值模型如图3所示。模型长72 m，宽74 m，高47.45 m，共11 408个单元，12 488个节点。计算中采用的应力释放率，参考将要穿越重要建筑物情况下的施工控制标准及既有的工程实例取值。隧道与老拱桥的三维位置关系如图4所示。

表2　拱桥及隧道结构物性参数表

表3　隧道开挖对拱桥沉降的影响

表4　隧道开挖对桥拱应力的影响

3.2地层及桥体结构参数

拱桥-隧道-地层三者相互作用的三维数值计算模型中，地层土物性参数取值见表1，主要结构参数见表2。

3.3计算结果及分析

(1）区间隧道的修建将对老拱桥产生影响，最直接的影响体现在老拱桥基础的沉降上。计算结果表明，当左线贯通时，老拱桥基础产生的沉降最大为4.6 mm，位置靠近左线隧道侧，桥基础最大倾斜为0.075‰；当双线隧道贯通后，老拱桥基础沉降继续增大，最大沉降为6.8 mm，位于右线隧道上方，桥基础最大倾斜为0.125‰，见表3。

(2）区间隧道的修建还将使老拱桥应力产生改变，计算结果表明，左线隧道开挖后，桥拱结构应力由初始的13.1 MPa增加到13.135 MPa，增加1.92%；双线隧道贯通后，桥拱结构应力由初始的13.1 MPa增加到13.428 MPa，增加2.5%。桥拱结构应力改变区域主要集中在左线隧道侧的桥拱边缘部分，见表4。

(3）以上计算结果表明，盾构下穿老拱桥将引起拱桥基础沉降，最大值约6.8 mm，最大倾斜率为0.125‰，小于JTG D61-2005《公路圬工桥涵设计规范》2‰的容许值要求，并且对桥拱结构应力的改变也较小，仅增加了2.5%，故在正常施盾构工情况下，施工不会对老拱桥结构造成严重影响。

4　拱桥沉降控制措施

4.1盾构机自身控制措施

地铁施工时，对老拱桥的保护应主要从盾构掘进时参数的调整入手，适时调整盾构相关掘进参数（推力、掘进速度）并及时纠偏，及时压浆、二次注浆，尽可能减小地面沉降。

4.2拱桥加固措施

由于老拱桥为单跨拱桥，且桥拱圈由预制混凝土砌块组成。因此，任何微小的沉降都将导致老拱桥瞬间坍塌。为避免盾构在掘进过程中由于意外原因而导致的拱脚相对沉降过大，从而发生老拱桥坍塌的严重后果，在盾构掘进至护城河老拱桥下方时，应提前对老拱桥进行必要的加固，防止对老拱桥产生破坏。

(1）满堂脚手架加固方案。在老拱桥桥拱内采用满堂脚手架支护，脚手架管材采用Ф48 mm×3.5 mm钢管。立杆间距双向0.8 m，步距1.2 m，架底设置纵、横向扫地杆，扫地杆距地200 mm。脚手架立杆底部设置通长16号槽钢垫板，桥拱底部设16号槽钢垫板与脚手架顶托相连，空隙处打入木楔楔紧，确保槽钢垫板与拱桥底部砌块密实（图5）。

(2）网喷混凝土加固方案。在护城河老拱桥桥拱内喷射C25混凝土，内置四肢格栅钢架，在网喷混凝土与老拱桥桥拱之间铺设一隔离层，以便盾构施工完成后拆除加固体，还老拱桥原貌（图6）。

(3）加固方案比选。为更好地分析以上2种方案的优劣，将2种方案的优缺点列表5。经表5比选，盾构机在通过朝阳门外护城河老桥时，采用对环境影响小、施工成本低的满堂脚手架加固方案。

图5　满堂脚手架加固方案图 （单位：m）

图6　网喷混凝土加固方案图 （单位：m）

表5　护城河老桥加固方案对比表

5　拱桥沉降监测

西安地铁1号线于2011年2～3月完成盾构机穿越朝阳门外护城河老公桥及朝阳门，根据《西安地铁一号线第三方监测工程》监测成果报告，护城河老桥基础沉降监测点共设6处，6处沉降监测点中最大沉降值为5.1 mm，对应的倾斜率为0.028‰，小于JTG D61-2005《公路圬工桥涵设计规范》2‰的容许值要求。监测成果报告还表明，老拱桥监测数据稳定，桥体未出现裂缝等破损现象，桥基及桥身未出现较大沉降，基本满足原设计要求，并与数值模拟分析结果相一致。

参考文献

[1] GB50175-2003 地铁设计规范[S].北京: 中国计划出版社, 2003.

[2] JTG D61-2005 公路圬工桥涵设计规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2005.

[3] 王文斌, 刘维宁, 丁德云, 等. 盾构隧道施工对西安钟楼影响的数值模拟预测[J]. 北京交通大学学报, 2011, 35(4).

[4] 冯超, 王喆, 潘娜娜. 地铁隧道施工过古城墙的地表变形及控制措施[J]. 现代隧道技术, 2011, 48(4).

[5] 王梦恕. 中国隧道及地下工程修建技术[M]. 北京: 人民交通出版社, 2010.

[6] 喻波, 王呼佳. 压力拱理论及隧道深浅埋划分方法研究[M]. 北京:中国铁道出版社, 2008.

责任编辑 朱开明

Settlement Numerical Simulation and Control Measures of Metro Shield Tunnel Passing beneath Moat Arch Bridge

Wen Baojun, Hou Lina

Abstract:Aiming at Xi'an metro line 1 project, the shield tunneling passing beneath the moat arch bridge outside of Chaoyangmen cultural relics area. By establishing three-dimensional fi nite element model, the paper makes simulation analysis on soil settlement mechanism in shield tunneling, carries out theoretical analysis on the moat bridge stress, and puts forward the settlement control standard for moat bridge, develops schemes for arch bridge reinforcement. At the same time, through monitoring of moat arch bridge settlement in construction process, settlement control standards are presented.

Keywords:metro, shield tunnel, passing beneath arch bridge, reinforcement technology, study

收稿日期2014-06-05

中图分类号：U452