地铁暗挖区间下穿铁路框构桥的数值模拟

摘要：文章针对新建地铁暗挖区间下穿既有铁路框构桥的施工过程，采用三维有限元模型进行了模拟计算。模型中考虑了双线区间施工影响及管棚初期支护的作用。通过模拟计算表明，下穿施工不会影响铁路框构桥的正常使用。

关键词：地铁；暗挖区间；下穿施工；铁路框构桥；数值模拟 文献标识码：A

中图分类号：U231 文章编号：1009-2374（2015）23-0117-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.060

1 概述

随着城市的发展，地面交通的拥堵问题成为制约经济发展的一个瓶颈。作为地下交通代表的地铁对于公共交通的重要性也因此逐渐凸显。

欧美及日本等发达国家地铁建设较早，在20世纪70～80年代就已开始了地铁隧道施工对于周边环境、建筑影响的研究。我国的地铁建设在20世纪90年代末期逐渐起步，近几年随着地铁网络的形成，新建地铁区间的施工对周边环境、建筑物的影响越来越显著，如何减轻施工造成的地面沉降、建筑物基础变形等不良影响成为亟待解决的研究课题。

哈尔滨西客站地铁联络线工程的汽车齿轮厂站～哈尔滨西客站站区间线路需要近距离下穿一个正常使用中的铁路框构桥，为保证铁路正常运营及地铁区间的施工安全，下穿段区间结构设计采用了“大管棚+小导管”的超前支护方案，并对该方案进行了数值模拟。

2 工程概况

本段地铁区间位于哈尔滨市南岗区，起自汽车齿轮厂站，沿齿轮路向东南方向敷设，下穿既有铁路框构桥及框构桥“U”型槽段，沿线构筑物较少。

铁路框构桥其上设置两条线路，两条专用线和长滨铁路上下行正线，其中长滨铁路为电气化铁路，有碴道床，设计时速200km/h，线间距8.12m，两线高差0.6m。框构桥全长110m，净跨19.5m、净高7.6m，分三部分：两端分别长31.8m和40.31m，现浇施工；中间段长37.89m，采用顶管法施工；中间部分两端设变形缝。桥顶板距铁路轨顶最小净距为1.97m。铁路框构桥现状见图1。

区间下穿铁路框构桥段采用矿山法施工，左右线均为单洞单线马蹄形断面，宽度为6.24m，高度为6.47m，左右线路中线间距约为17m。区间平面设置单曲线，曲线半径为350m；区间竖曲线为单面坡，坡度为约2%；区间与框构桥净距最小约为0.8m。

3 工程安全风险控制

3.1 控制标准

区间下穿铁路施工时，隧道开挖会引起铁路路基一定的竖向变形。为保证列车运营安全，根据《铁路线路修理规则》（铁运[2006]146号）中Ⅲ级临时补修标准所对应的变形要求制定变形控制指标，对施工过程进行控制。

根据表1规定，当路基静态沉降小于8mm时，通过临时补修，能够保证列车正常运营。

3.2 工程措施

区间下穿铁路框构桥段采用“大管棚+小导管”进行超前支护，在超前支护的保护下进行隧道开挖，以确保全过程的施工安全和框构桥、运营铁路线正常使用。

区间隧道采用台阶法开挖施工，施工中严格遵照“管超前，严注浆，短开挖，强支护，勤量测，早封闭”的原则进行施工和管理，循环进尺长度为0.5m。

4 下穿施工模拟计算

4.1 计算模型

采用MIDAS-GTS计算软件，针对在铁路线路正常运营的情况，对区间下穿施工过程进行了数值模拟，以研究施工过程对框构桥结构以及铁路线路的影响。

根据以往工程经验，区间开挖施工的影响范围为3倍隧道宽度范围以内。因此确定计算模型边界至区间隧道的距离应大于3倍隧道宽度。

区间宽约6.24m，左右线路中线间距约17m。计算模型沿区间线路方向长130m，垂直于线路方向水平宽137m，竖直方向高48m，如图5。采用四面体单元划分网格，共划分14255个节点和94273个单元，如图6。

其中土体采用摩尔库伦理想弹塑性本构模型，实体单元。从上至下土体划分为5层，材料参数按照地质资料选取。

框构桥结构采用线弹性本构模型、实体单元，材料参数按照C35混凝土材料参数选取。

区间初期支护采用线弹性本构模型、板单元模拟。初支材料为C25混凝土，考虑施工影响，对其刚度进行一定的折减。管棚采用线弹性本构模型、梁单元模拟，材料参数按照钢材选取，考虑施工搭接，对其刚度进行一定的折减。

4.2 荷载及边界条件

施加在计算模型上的荷载有重力荷载、铁路轨道荷载以及列车荷载。

计算模型中的六个边界面，除地面为自由边界条件外，其他五个边界面均施加法向位移约束。

4.3 模拟计算

施工过程模拟方法如下：（1）激活管棚单元模拟施作管棚超前支护；（2）钝化土体单元模拟开挖过程；（3）激活初支单元模拟施作初期支护。至此为一个完整的施工开挖步骤；（4）每个施工步骤为沿线路方向开挖1.5m，当左线开挖15m后进行右线开挖。整个计算过程，划分为97个施工步骤。

4.4 计算结果分析

经过模拟计算，双线区间完成后，整体计算模型竖向位移云图如图7所示。模型中最大沉降值约为7.6mm，最大隆起值约为3.4mm。

图8显示双线区间完成后，地表最大沉降值约为4.5mm，满足地表沉降限值8mm的要求。

根据图9中计算结果显示铁路轨道沉降最大值约为1.3mm，满足铁路正常运营要求。

根据图10、图11结果显示，管棚最大弯矩约为0.05kN·m，区间初支最大位移变形量约为7.6mm，根据计算均满足强度要求。

5 结语

（1）模拟计算表明，采取“大管棚+小导管”的超前支护措施，区间下穿施工对铁路框构桥结构以及铁路正常运营的影响满足控制标准的要求；（2）模拟计算中考虑到了区间左右线先后施工的影响，但并未考虑台阶法开挖以及地层注浆加固的影响。模拟计算有待于进一步完善，在工程实际施工中还应加强数据监测。

参考文献

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作者简介：何福渤（1984-），男，天津港航工程有限公司工程师，研究方向：市政工程施工。

（责任编辑：黄银芳）endprint