地铁隧道下穿施工对桥梁地上结构的影响研究

姜 伟

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概述

自从中国第一条地铁线路北京地铁1号线于1971年开通以来，地铁建设在全国范围内进行的如火如荼。由于地表及浅埋地下建筑物种类繁多，情况复杂，地铁建设下穿既有建(构)筑物的情况非常普遍。国内外学者对地铁隧道下穿车站[1-4]、建筑物[5-7]、高速铁路[8,9]等等进行了很多研究。

随着隧道下穿城市桥梁的现象越来越普遍，关于隧道施工对桥梁的影响进行了深入研究。王树英[10]采用Midas软件对隧道下穿临近扩大基础桥梁进行数值模拟，对不同种类桥梁的地表位移和变形规律进行了研究。李奎等[11]、黄银钉[12]及李明[13]对地铁隧道下穿既有桥梁施工方案、桩基托换技术进行了研究。

目前针对隧道施工对既有桥梁影响的研究主要是针对桥梁地下结构进行的，鲜有对桥梁地上结构的影响进行研究。本文结合具体工程实例，建立ABAQUS数值计算模型，模拟矿山法地铁隧道下穿施工全过程，重点分析隧道施工对桥梁地上结构的影响。研究分析结果可以对今后类似下穿工程桥梁结构保护起到一定积极作用。

2 工程概况

深圳地铁环中线南延段赤湾站—大南山站区间隧道采用矿山法施工，左线长2.162 km，右线长2.163 km。其中，区间隧道下穿兴海大道立交桥。兴海大道立交桥修建于20世纪80年代，为连续3跨简支梁桥，桥梁左右幅为分离式，相互独立。隧道与桥梁位置关系如图1所示，隧道轴线与桥梁中线的夹角为62°。

桥梁桩基础采用钻孔灌注桩，桩径1.0 m，属摩擦型桩。为方便分析，对1号桥墩桩基按从左到右顺序依次编号，如图2所示。本文将重点对1号桥墩桩基进行分析。表1为1号墩各结构的参数信息，地梁高度为1.5 m。

区间隧道采用单线单洞、马蹄形断面形式，净高6.47 m，净跨6.2 m，双线隧道内侧边墙净距7.8 m。土体沿埋深方向依次为人工填土层、强风化花岗岩地层、微风化花岗岩地层。其中，隧道位于强风化花岗岩地层中，覆土厚度为12.2 m，拱顶距离4号，5号等桩端仅0.2 m。

为保证桥梁结构变形不影响正常使用功能，本工程采取以下技术措施：使用φ42 mm、壁厚3.5 mm的无缝钢管进行超前小导管注浆；对隧道断面范围开挖轮廓线以外3.0 m范围内地层进行注浆加固；采用厚度为0.2 m,C25喷射混凝土+格栅钢架作为初期支护结构；二衬采用厚度0.3 m、混凝土强度为C35的模筑钢筋混凝土。

表1 桥梁结构物理参数

3 数值模拟

本文采用ABAQUS建立三维有限元模型，经过多次试算，最终确定地层模型的合理尺寸为长110 m×宽81 m×高40 m。工程所在地地形较为平坦，建模时将地表简化为平面。从图1可知，2号桥台到右线隧道距离较远，将不考虑隧道施工对2号桥台的影响。图3，图4分别为三维模型及桥梁与隧道相对位置关系示意图。采用实体单元对模型进行离散化，生成的单元总数为1 095 906，节点总数为494 325。

在隧道下穿施工过程中，为减少汽车动载对桩基的不利影响，采取临时交通封闭。因此建模时，不考虑外部荷载作用，仅考虑结构自重荷载。为了降低模型复杂程度，将简支梁简化为均布荷载作用在盖梁上。地层物理力学参数及结构材料力学参数如表2，表3所示。

表2 地层物理力学参数

表3 结构材料力学参数

4 结果分析

图5为1号桥墩地梁沿长度方向在不同工况下的沉降曲线。地梁左端同时受左线、右线隧道施工影响导致左端沉降变形较右端大。当右线隧道开挖至40 m(即掌子面位于4号桩下方)之前时，左幅地梁沉降曲线近似呈线性关系，说明在掌子面到达桩端下方时，桥梁地上结构自身刚度足以承受地层变位对桥梁产生的不利影响，地上结构以整体沉降变形为主。随着右线隧道逐渐穿过1号桥墩，地梁的自身刚度不足以抵抗地层变位引起的附加变形，沉降曲线呈现出中间大、两侧小的非线性规律。随着右线隧道通过1号桥墩且开挖面距离4号桩25 m时，地梁沉降变形逐渐趋稳。

在穿越施工过程中，隧道净跨范围内对应的地梁沉降变形较大，尤其在隧道正上方处沉降变形最大，其值为14.7 mm，表明隧道净跨范围内对应的地表结构受隧道施工影响较大，拱顶正上方受影响最大。由图5a)可知，右幅桥梁位于右线隧道中心线右侧，地梁沉降曲线近线性变化，表明右幅地梁自身刚度足够承受施工引起的不利影响，值得注意的是右幅地梁右侧小范围内产生了轻微的上抬变形，最大值为0.8 mm。地梁左端受右线隧道影响较大，沉降值最大，其值为4.1 mm。

由上可知，地梁沉降过程可分为两个阶段：均匀沉降阶段和局部加速沉降阶段。当掌子面到达桥梁结构正下方之前时，地梁表现为整体沉降变形；当开挖面从桥梁正下方至完全穿过桥梁结构时，地梁结构的自身刚度不足以抵抗附加变形，隧道净跨范围内的地梁沉降变形急剧增大，表现为局部加速沉降变形。因此，在隧道下穿施工过程中阶段，可以通过桩基托换、地层加固等措施增强结构刚度，或采取分部开挖法降低施工对周围地层的影响。

图6为1号桥墩盖梁沉降变形曲线。将图5与图6进行对比，可以发现盖梁与地梁的沉降曲线变化规律相同：左幅盖梁沉降变形过程也可以分为两阶段，3号桩对应盖梁沉降变形最大，其值为14.4 mm；右幅盖梁沉降曲线呈线性，左端沉降变形值最大，其值为4.3 mm，右端盖梁有轻微上抬变形。

图7为1号墩地梁、盖梁矢量位移分量沿长度方向的对比曲线。从图7中可以看出，地梁与盖梁沉降变形U3曲线吻合度非常高，最大差值为0.4 mm，发生在桥梁左幅4号桩；地梁与盖梁沿隧道纵向的变形差值略大，左、右幅最大差值分别为0.5 mm，0.3 mm；地梁与盖梁沿隧道横向的水平变形U2相差最大，相同部位左幅、右幅最大差值分别为1.3 mm，2.3 mm。表明：当隧道与桥梁斜交时，在隧道穿越施工过程中，地梁与盖梁沿隧道横向变形受影响程度最大，右幅沉降最大差值大于左幅；沿隧道纵向位移U1和沉降变形U3受隧道施工影响程度较小。因此，当桥梁与隧道斜交时，可以采用地梁沉降值近似代替盖梁沉降值；地上结构在高度方向沿隧道横向变形差值最大，对于大高度的桥梁结构，建议考虑墩柱在隧道横向的倾斜变形。

5 结论

1)桥梁结构受隧道施工影响程度与桥—隧位置有紧密联系。隧道施工影响范围内桥桩主要以沉降变形为主，横向挠曲变形次之。桩身水平位移变形随桩—隧水平距离增大而减小。

2)通过对隧道下穿施工过程中的地上结构沉降变形规律进行研究，可将沉降变形过程分为两阶段：均匀沉降阶段和局部加速沉降阶段。在开挖面到达桥桩下方之前，上部结构沉降变形为均匀沉降阶段；开挖面到达并穿越桥梁之后属于局部加速沉降阶段。