成都地铁4号线下穿铁路桥三维数值模拟分析

房 师 涛

(中电建成都建设投资有限公司， 四川 成都 610212)

0 引 言

随着城市轨道交通建设发展的需要，地铁盾构隧道施工不可避免地会临近各种建筑物或构筑物，如下穿铁路桥梁。一般而言，根据地铁盾构隧道与铁路桥梁的相对位置关系，可分为下穿或侧穿两类。

近年来一些学者已就地铁盾构隧道下穿铁路桥梁进行了研究。马伟斌等[1]以钻爆法隧道下穿群桩铁路桥为对象，采用有限元和现场监测相结合的手段，研究了下穿时铁路桥沉降变形规律，研究工作偏重于数值分析，未涉及到控制措施施加后的计算分析；祁辉等[2]采用有限差分原理对区间隧道下穿铁路桥影响进行了分析，该文献隧道为浅埋暗挖隧道，铁路桥为框架桥，且未考虑加固工况，与笔者所做工作有很大差异；毛学锋等[3]对于区间隧道穿越高速铁路桥梁桩基托换工程，详细介绍铁路连续梁和连续刚构桥梁桩基托换主要设计难点、 要点和施工监测及线形调整设计等内容，该文献偏重设计与施工要点，与笔者采用数值计算方法在研究方向上有不同之处；张迪等[4]以有限元为手段，分析不加固与加固两种工况下盾构下穿掘进中造成的铁路桥的沉降及应力变化，但研究对象为框架桥，笔者研究对象为桩基铁路桥；张学钢等[5]同样采用数值模拟方法分析了隧道对上部铁路桥桩基受力与位移的影响规律，但研究对象为上下台阶法的浅埋暗挖隧道，与盾构隧道工法有区别；佘才高等[6]以实测数据为基础，分析盾构下穿对高速铁路桥的影响，所做的工作针对深埋地铁盾构隧道在岩层中的穿越，依托工程则为土层穿越，性质不同；王体广[7]在数值模拟与监测分析的基础上，认为盾构采取土体加固、加强同步注浆等措施可以控制其所下穿的铁路桥沉降，提出了下穿需全过程监测，但该文献所研究的对象为浅基础铁路桥，与依托工程的桩基础铁路桥不同。综上所述，目前对隧道下穿铁路桥研究，按照隧道类型，可分为除盾构隧道外的暗挖隧道(钻爆或浅埋暗挖)和盾构隧道两类；按照下穿铁路桥类型，又可分为框架桥、浅基础桥、单桩或群桩基础桥等；按照穿越岩土层类型，可分为土层穿越和岩层穿越。笔者所依托的工程虽为较普遍的土层穿越，但所涉及到盾构隧道下穿群桩基础铁路桥，与前人所做的大部分研究工作存在一定的差异，故存在研究价值与意义。

笔者以成都地铁4号线二期工程区间下穿桩基础型式的铁路桥为工程背景，运用有限元差分法动态模拟盾构开挖过程，分析盾构周围土体变形以及对上部铁路桥梁的影响，并对盾构与桥桩间土体加固和不加固方案进行对比分析。

1 工程背景

1.1 下穿概况

成都地铁4号线二期工程万年场站～东三环站区间为双线盾构隧道，该区间YDK38+ 640.258～YDK38+791.162段下穿铁路群，铁路群包括成绵乐客运专线、动4线、 东环线、动2线、动3线、达成线、动1线共10股铁路线，其中成绵乐客运专线、东环线、动2、3线、达成线为双股铁路线，其余线路为单股。盾构左线距离动2、3线的54号桥墩最小距离为10.4 m，右线距离动2、3线的55号桥墩最小距离为10.7 m，盾构顶部与成洛路U型槽底部距离为18.7 m。下穿段的平面和立面位置关系如图1、图2。

图1 地铁与铁路群平面位置关系Fig. 1 Plane position relation of shield tunnel and railway group

图2 盾构隧道与动2、3线剖面位置关系Fig. 2 Vertical position relation of shield tunnel and railways

1.2 工程地质与水文地质条件

工程场地处于成都平原区与龙泉山低山丘陵区过渡带的成都东部台地区，属川西平原岷江水系III级阶地，主要为山前台地地貌。图3为下穿段工程地质剖面，下穿动2、3线地质情况从上到下依次为：(1-1)杂填土层、(3-2-1)粉质黏土层、(5-1-1)全风化泥岩层、(5-1-2)强风化泥岩层和中风化泥岩层(5-1-3)，其中盾构隧道顶部与动2、3线桩底距离约为12 m，洞身位于中风化泥岩层中，该层埋深18.7 m，岩层为水平走向，洞顶中风化岩层厚达5.8～10.6 m，岩层强度达到15.79 MPa。区间范围内地下水主要有赋存于黏土层之上的上层滞水、赋存于黏土和卵石土中的孔隙水及基层裂隙水，基岩溶孔溶隙裂隙潜水，本区间地下水主要为基层裂隙水。

1.3 铁路桩基参数

动2、3线铁路桥是连续梁桥结构，与4号线盾构隧道走向垂直。盾构在54、55号桥墩间下穿，桥墩的高度为18.5 m，承台的厚度为3 m，桥桩深度为20.5 m (54号墩)和23 m(55号墩)，桥梁宽度约为4 m。其中54、55号桥墩参数如图4。

图3 下穿段工程地质剖面Fig. 3 Engineering geological profile of crossing section

2 计算模型

2.1 计算假定

计算假定如下：

1)在4号线双线盾构隧道临近动2、3线桩基施工期间，既有铁路桥仅考虑结构自重(包括桥梁上部结构、道咋及部分桥墩的自重)、列车竖向静活载、列车竖向动力作用及制动力或牵引力，不考虑地震等因素。

2)初始地应力在模型计算只考虑土体和既有结构的自重应力，不考虑地下水的影响。忽略岩土体构造应力，使岩土体和既有结构在自重作用下，土体达到平衡，而后再进行盾构隧道的掘进。

3)动2、3线铁路桥的既有桥桩结构为线弹性材料。

4)4号线双线盾构隧道、动2、3线铁路桥的既有桥桩结构与土体之间符合变形协调原则。

2.2 计算模型

采用Flac3D软件建立三维模型有限差分模型，本构模型为Mohr-Coulomb模型。模型尺寸参数为：底部(Z向)距隧道中心43 m，左右两侧(X向)距双线盾构中线50 m，上部(Z向)为地表，考虑隧道施工过程对桩基的动态影响，模型纵向(Y向)取45 m。模型约束条件为：底面(Z=-43)，限制其Z方向位移；侧面(X=-50、50)，限制其X方向位移；平面(Y=0、45)，限制其Y方向位移；表面(Z=32)为地面，表示自由边界；桥墩表面(Z=40)，施加竖直向下的应力(-9.296 MPa)，模拟铁路桥梁上部结构可能出现的荷载组合及部分桥墩的自重，其中汽车荷载(不计冲击力)系数为0.4，人群荷载和风荷载系数分别为0.4和0.75。完整计算模型和模型中各构筑物位置关系如图5、图6。

图5 计算模型Fig. 5 3D numerical model

图6 计算模型中盾构与54、55号桥墩及成洛路U型槽位置关系Fig. 6 Relational position of shield tunnel, piers 54 and 55 and “U” type of Chengluo road in 3D numerical model

2.3 计算参数

计算模拟对象主要有土层、桥墩、承台、桩基、U型槽、盾构管片及同步注浆层，土层和结构的模型参数分别列于表1、表2，其中岩土体实际模拟中弹性模量取压缩模量的5倍。

表1 土体物理力学参数Table 1 Physical-mechanical parameters of soil

表2 结构参数Table 2 Structure parameters

2.4 计算施工步

隧道开挖共分45步模拟，每步进尺1.5 m，并一次性施作衬砌及同步注浆。为便于分析，提取6个典型开挖步(图7)：开挖步11为左线隧道掘进至54号桥墩，开挖步19为左线隧道掘进跨越54号桥墩，开挖步26为右线隧道掘进至55号桥墩，开挖步30为左线隧道完成掘进，开挖步34为右线隧道掘进跨越55号桥墩，开挖步45为右线隧道完成掘进。

图7 计算施工步Fig. 7 Construction steps of simulation

3 桥梁桩基沉降控制标准

目前对隧道穿越桥梁尚未有明确标准或规范，只能在已有道路桥梁规范情况下，结合具体工程实践经验和相关规范标准，由专家论证施工过程中需采取的控制措施和桥梁沉降值是否合理，以保证隧道安全施工。制定邻近桩基的沉降值控制标准，通常用允许位移值进行控制，但其涉及的因素很多，既需要满足承载力要求，又需要满足桩基上部结构的允许沉降值。国外也有相关经验和数据，如日本规定新干线高架桥[8]的相对竖向位移允许值为5 mm，水平位移为3 mm，道路立交桥允许的水平位移为10 mm，竖向位移为10 mm。结合国内相关规范规定，本次数值计算中，考虑到国内桥梁实际情况，提供控制标准更能确保施工安全，故邻近盾构隧道的桥梁桩基沉降值控制标准竖向位移按3 mm控制，竖向位移按2 mm控制。

4 计算结果与分析

4.1 地表沉降

地表横向沉降曲线如图8，呈“U型槽”状。从图8中可看出，随着盾构掘进，地表沉降逐渐增大。根据施工方案，盾构隧道左线先行于右线30 m，在开挖步11、19和26中，地表最大沉降值发生在左线隧道拱顶附近；随着右线隧道掘进，地表最大沉降值位置不断向右线拱顶附近移动；当左、右线隧道接近贯通时(即隧道掘进面距研究断面33 m时)， 地表沉降变化很小，其最大竖向位移为1.05 mm，小于地表沉降30 mm控制值要求。

图8 地表沉降槽Fig. 8 Surface settling tank

4.2 围岩变形

盾构隧道施工不可避免地会引起地层扰动，由于掘进以后，隧道上方围岩松动及孔隙水压力的消散，产生上部地层损失，从而引起地层变位和地面沉降。围岩竖向位移云图如图9，盾构隧道拱顶最大向下位移为4.7 mm，小于隧道拱顶下沉20 mm控制值要求。

图9 围岩竖向位移(单位：m)Fig. 9 Rock vertical displacement

4.3 铁路桥群桩变形

4.3.1 水平位移

盾构隧道进行开挖步11时，正好位于54号桥墩①、⑦号桩体所在位置，从54号桥墩水平位移云图(图10)中可以看出，距盾构左线掘进面较远的①、④号桩体水平位移大于距离盾构较近的⑦、⑩号桩体，笔者认为这是因为过大的盾构推力对开挖面土体产生挤压，并扩散至邻近桩基，对其位移有限制影响。

图10 开挖步11后54 号桥墩水平位移云图(单位：m)Fig. 10 Horizontal displacement cloud of pier 54 after excavation step 11

图11为开挖步19后54号桥墩水平位移云图，从图11可看出①、④号桩体的最终水平位移几乎相同，相对位移几乎为0，其对桥梁结构是有利的。

盾构隧道右线施工时(开挖步30、34)，55号桥墩桩基也会出现内外侧桩基相对位移几乎为0。

图12为开挖步45后54、55号桥墩水平位移云图。由图12可见，桩基最大水平位移发生在55号桥墩⑧号桩体处，其值为0.907 mm。

图11 开挖步19后 54 号桥墩水平位移云图(单位：m)Fig. 11 Horizontal displacement cloud of pier 54 after excavation step 19

图12 开挖步45后54、55 号桥墩水平位移云图(单位：m)Fig. 12 Horizontal displacement cloud of pier 54 and 55 after excavation step 45

4.3.2 竖向位移

盾构隧道进行开挖步26正好位于55号桥墩①、⑦号桩体所在位置，图13、图14分别为开挖步30、34后55号桥墩竖向位移云图。从图13中可看出距离盾构左线掘进面较近的④、⑦号桩体竖向位移要大于距离盾构较远的①、⑩号桩体；而当隧道进行开挖步30时，从图14中可以看出①、④号桩体的最终竖向位移几乎完全相同；同理，当盾构隧道右线施工时(开挖步11、19)，54号桥墩桩基也会出现上述竖向位移趋势。

图13 开挖步26后55号桥墩竖向位移云图(单位：m)Fig. 13 Vertical displacement cloud of pier 55 after excavation step 26

图14 开挖步30后55号桥墩竖向位移云图(单位：m)Fig. 14 Vertical displacement cloud of pier 55 after excavation step 30

图15为开挖步45后54、55号桥墩竖向位移云图，桩基最大竖向位移发生在55号桥墩⑧号桩体处，最大值为3.56 mm，最大差异沉降值为0.36 mm。左线盾构距离54号桩基最小距离为10.4 m，右线盾构距离55号桩基最小距离为10.7 m，但盾构与55号桩基在平面上整体距离更近，所以掘进造成的影响更大，55号桩基水平位移和竖向沉降大于54号桩基。

图15 开挖步45后54、55号桥墩竖向位移云图(单位：m)Fig. 15 Vertical displacement cloud of pier 55 after excavation step 45

5 加固措施与效果分析

5.1 加固措施

盾构隧道邻近桥梁桩基施工时，常用的加固措施主要从桥梁桩基与隧道空间位置、 隧道施工工法效应对桩基周边土的扰动、桥梁桩基和隧道之间的土体作用力以及土体加固4个方面入手，保护邻近桩基在隧道开挖时的安全。

本次加固工况采用在隧道与桩之间地表注浆的方法来减小盾构施工对桩基的影响，其实质是对岩土体的胶结、增强、充填与加固，注浆对岩土的加固效果主要表现在岩土体黏聚力c值和内摩擦角值的提高。因此，在数值模拟分析时，鉴于加固区位于中风化泥岩中，文献[9]根据公路、水利部门进行的大量统计资料，认为岩体隧道加固数值模拟时，加固区材料的黏聚力c值、内摩擦角和弹性模量E值可相应提高20%，本次加固计算时，加固体参数选取采用此原则。

在距承台 1 m 靠近隧道侧进行地表注浆，加固区顶部距地表17 m，加固区尺寸为：厚3 m(X向),高 19 m(Z向)，纵向 22 m(Y向)。根据上述加固对策，在Flac3D软件中建立如图16、图17所示的加固区，来模拟在隧道与桩之间设置隔断时，盾构隧道施工对邻近桩基产生沉降影响的程度。

5.2 加固效果

从大量计算结果数据中提取出双线盾构全部贯通(即Y方向 45 m全部贯通)之后，动 2、3 线铁路桥梁的54 、55号桥墩桩基的水平位移和竖向位移云图，如图18、图19。通过对桩基在加固前后的变形对比可知，注浆后桩基最大水平位移约为0.38 mm，降低了约58%；桩基最大竖向沉降约为0.75 mm，降低了约79%，注浆后桩基变形可以保证施工过程中动2、3线铁路桥梁的正常使用。

图16 隧道与桩之间进行加固剖面示意Fig. 16 Sketch map of reinforcement condition between and shield tunnel and piles

图17 模拟中隧道与桩之间加固的示意Fig. 17 Reinforcement condition between and shield tunnel and piles

图18 盾构隧道贯通后54、55 号墩桩基水平位移云图(单位：m)Fig. 18 Horizontal displacement cloud of piers 54 and 55 after whole undercrossing

图19 盾构隧道贯通后54、 55 号墩桩基竖向位移云图(单位：m)Fig. 19 Vertical displacement cloud of piers 54 and 55 after whole undercrossing

6 结 论

笔者以成都地铁4号线二期工程区间下穿铁路群为工程背景，运用有限元差分法动态模拟盾构开挖过程，分析盾构周围土体变形以及对上部铁路桥梁的影响，并对盾构与桥桩间土体加固和不加固方案进行对比分析。结论与建议如下：

1)54 、55 号墩为群桩基础，在同一个承台下，前、后排的桩基在竖向沉降分布形式方面比较相似，后排桩基水平位移在数值上略大于前排桩基的竖向沉降。

2)因桩基相对于其周围土体有很大的轴向刚度，故桩基从桩顶开始到桩端其竖向变形没有太大差别，最大的桩基竖向变形为3.56 mm。桩基与盾构隧道的位置关系也会影响桩基竖向位移，靠近隧道开挖侧的桩基竖向沉降要大一些，55号墩中靠近盾构隧道侧的桩基平均竖向沉降约为3.55 mm，而远离隧道侧的桩基平均竖向沉降约为3.25 mm，比前者少9.23%。

3)隧道开挖后，桩基最大水平位移发生在55号桥墩8号桩体处，最大值为0.907 mm。

4)采用注浆加固后，桩基沉降得到了较好地控制，最大水平位移值和沉降值至少降低了58%、79%。计算中注浆加固对象为盾构隧道与桥桩间土体，加固厚度所设定的3 m对桥桩位移控制效果明显，但缺乏对不同加固厚度的对比，需在下一步研究中予以重点补充。在实际注浆过程中，务必要注意注浆压力的控制，避免对桥桩产生不利影响甚至是破坏。

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