地铁区间盾构隧道侧穿城市重要桥梁安全影响分析

区杨荫

（广州地铁设计研究院有限公司 广州 510010）

1 前言

城市轨道交通的发展，对拉开城市布局，支持城区发展建设，进一步提升城市地位，都起到重要作用。而城市的过江大桥，也是连接城市交通干道的重要市政设施。由于条件所限，地铁隧道不可避免需侧穿桥梁桩基，如何确保地铁隧道施工不影响桥梁安全，是亟需解决的一个重要问题。

某城市地铁区间盾构隧道，下穿江河后转入城市道路，进入了既有城市过江大桥的桥梁安全保护区内（保护区范围包括桥梁主体垂直投影面两侧各100m的区域，引桥垂直投影面两侧各30m的区域）。

基于以上背景，本文进行了侧穿城市重要桥梁安全影响分析。

2 工程概况及地质水文

2.1 区间隧道概况

某市区间隧道工程下穿江河后转入沿城市道路敷设，同时侧穿既有城市过江大桥，区间隧道埋深约40m。区间隧道采用盾构法施工，为单洞单线圆形断面，盾构隧道管片圆环外径6m，内径5.4m，管片厚度0.3m，环宽1.5m，采用错缝拼装，管片环间及管片分块间采用M24弯螺栓连接，为C50钢筋混凝土预制管片。

区间线路为V型坡，设置联络通道兼废水泵房，侧穿过江大桥区段位于V型坡一侧上。

区间隧道掘进盾构机采用泥水式盾构，盾构刀盘直径6.28m。

2.2 过江大桥概况

过江大桥采用双向六车道，城市主干路I级标准，设计行车速度为50km/h，主桥长300m，引桥长419.022m，引道长580.27m，桥宽35m。主桥为300m跨径曲线梁非对称肋拱桥，由两条倾斜的钢箱梁拱肋、桥面曲线钢箱梁、倾斜的吊杆、系杆及肋间平台构成。两岸引桥采用预应力混凝土连续箱梁。主、引桥箱梁在肋间平台处设置伸缩缝断开，肋间平台主桥侧设置牛腿及拉压型球形支座用以支承主桥箱梁，肋间平台引桥侧设置牛腿及盘式支座用以支承引桥箱梁。

2.2 工程地质及水文概况

区间隧道侧穿桥梁范围地层主要为成岩程度较深的泥岩、粉砂质泥岩⑦1-3，泥质粉砂岩⑦2-3，地层表层土为黏土层及砾砂层。场地内隧道围岩分级为Ⅴ级。根据收集到地勘资料，有以下岩土物理力学参数。

各岩土主要物理力学参数表如表1。

表1 岩土层物理力学参数表

区间在钻探深度范围内，场地内地下水主要为上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水：上层滞水主要接受大气降水、农田灌溉和自来水、雨水、污水等地下管线的垂直渗漏补给，排泄方式为大气蒸发及下渗。第四系松散岩类孔隙水主要来源于大气降水和地表水补给；碎屑岩类孔隙裂隙水，主要接受大气降水和冲积砂砾或砾石层越流补给，沿含水层渗流排泄。

3 区间隧道与过江大桥桩基关系

地铁区间隧道从过江大桥引桥东侧穿过，距离引桥桥台及桥墩桩基的水平净距约20.7～56.2m。其中区间隧道与过江大桥A1桥台桩基水平净距最小，盾构隧道右线距引桥A1桥台桩基水平净距为20.7m。区间隧道对引桥A1桥台影响最大，故本文主要分析区间隧道施工对A1桥台及桩基的影响。

图1 区间隧道与过江大桥A1桥台剖面关系图

4 隧道施工对A1桥台及桩基的影响分析

4.1 分析技术路线

将运用Midas NX的地层-结构模型的二维数值模拟方法评估区间隧道工程对过江大桥的影响，采用的技术路线如下：

（1）在获得区间隧道盾构施工前场地初始地应力场和桥梁初始受力状态的基础上，进行区间左右线隧道盾构掘进过程的二维动态模拟。

（2）分析盾构施工过程中桥梁墩基结构的受力及变形过程，确定盾构施工过程桥梁墩基结构的最大位移增量并评估对其影响的程度大小。

同时，盾构隧道掘进引起土层损失时，将扰动地层改变土体物理力学参数，破坏土体原有平衡状态，导致地面出现沉降[1～3]。通过peck公式可以计算盾构隧道沉降槽影响范围，预测沉降槽影响范围内地表的沉降量。本文同时采用peck公式进行计算，并结合数值模拟结果评估区间隧道盾构施工对过江大桥的影响。

4.2 MIDASGTS二维建模计算

桥梁承台及桩基为C30钢筋混凝土，其容重为23kN/m3，变形模量30000MPa，泊松比0.2；盾构区间隧道管片为C50钢筋混凝土，其容重为25kN/m3，考虑管片分块拼装的影响，其变形模量27600MPa，泊松比0.18。桥梁承台及桩基本构采用弹性模型，土层本构采用修正摩尔库伦模型。以此建立二维模型分析。有限元分析网格图如图2。

模拟分析流程如下：

（1）模拟桥梁桩基承台修建及施加上部荷载后，将位移清零，得到盾构隧道掘进前初始应力场；

图2 有限元分析网格图

（2）右线隧道及左线隧道先后从引桥A1桥台东侧掘进穿越。

经模拟分析得到：区间左右线隧道开挖后，引桥A1桥台桩基最大水平位移约2.7mm，最大沉降量为0.28mm。

4.3 peck公式计算

盾构从过江大桥引桥A1桥台侧边穿过，右线隧道中心线离桥台桩基最小水平净距约23.7m，可通过peck公式计算盾构隧道沉降影响范围，判断盾构施工对过江大桥的影响。

图3 沉降槽示意图

Peck公式：

式中，x-距隧道中心线的距离；S-距隧道中心线为x的地表沉降量；Smax-隧道中心线处最大沉降量；i-沉降槽宽度系数，可由下列经验公式计算：

其中，H-覆土厚度；R-隧道外半径。

W为沉降槽宽度，根据莫尔－库仑理论，推导出W与i满足W=3～5i的关系，又：

其中V（s）为沉降槽体积，可近似认为横向沉降槽体积等于地层损失VL。

A1桥台处覆土厚度约39.6m，地层损失率取1%，通过计算，盾构施工产生的地层最大沉降为10.72mm（位于左右线沉降槽叠加影响范围），隧道线间距为13m，沉降槽宽度为123.34m，即区间隧道线路中心线两侧各55.17m范围为沉降槽范围。考虑左右线隧道叠加的影响，距右线隧道中心线西侧23.74m的A1桥台处地面沉降为4.56mm。

4.4 计算结果分析

通过数值模拟，区间盾构隧道施工导致引桥A1桩基产生水平最大位移2.7mm及竖直最大位移0.28mm，盾构隧道掘进对过江大桥引桥A1桩基的影响极小。采用PECK公式预测地面沉降，可知距离隧道最近的引桥A1桩基处地表沉降为4.56mm。引桥桥台沉降量及桩基变形量在控制值范围内。

盾构隧道在泥岩、泥质粉砂岩中掘进，地层自稳性较好；盾构掘进过程中，同步注浆的及时跟进，快速填充了管片脱出盾尾后与地层的间隙，减少了地层损失率，从而减小了对地层的扰动；盾构隧道与引桥A1桩基距离约20.7m，距离相对较大，盾构掘进对周边地层的扰动，反映到对桥梁桩墩的影响较小。因此，区间隧道盾构施工，对过江大桥的影响可控，安全风险低。

5 结论

本文通过分析研究，评估了区间盾构隧道侧穿过江大桥施工对桥梁的影响。通过有限元软件建模分析及PECK公式计算分析，可知区间隧道盾构施工侧穿过江大桥，对桥梁基础影响小，安全风险可控。另外，从分析过程可知，严格控制盾构掘进过程地层损失，可减小盾构施工对桥梁的影响。

对盾构施工提出以下措施要求：

（1）盾构施工中，应控制泥浆质量，合理保持泥水压力，保持掌子面稳定；

（2）侧穿过江大桥前应优化掘进参数，减少超挖；

（3）应严格控制盾构姿态，减小偏差；

（4）应加强同步注浆及二次注浆，减小地层损失；

（5）加强信息化管理，施工期间对过江大桥进行监测，并将监测结果及时反馈，指导优化调整掘进参数；施工后持续监测过江大桥直至监测数据稳定。

本文的分析研究，为区间隧道侧穿过江大桥提供了理论及技术支撑。通过切实落实技术方案关键点和施工过程进行严格把控，最终区间隧道顺利侧穿过江大桥，对过江大桥沉降及变形的影响较小，风险可控。