盾构区间下穿铁路框构桥有限元计算与应力分析

赵 瑾

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

地铁建设对周边环境的安全性影响与建(构)筑物保护之间的矛盾已日益突显，有必要在施工前对既有建(构)筑物的受力情况进行模拟计算，提前发现问题。以沈阳地铁9号线盾构区间下穿公铁框构桥为例，进行相应的分析。

1 工程概况

沈阳地铁9号线皇姑屯站至北一路站区间为双线盾构隧道，区间全长右807.050延长米。区间线路线间距最大为15.09m，最小为14m，在区间隧道结构底最大埋深25.96m(覆土厚度19.96m)，最小埋深15.71m(覆土厚度9.71m)。隧道内经5.4m，外径6.0m。管片材料为300mm厚的C50钢筋混凝土预制管片。

兴华街公铁地道桥为2-15.5m钢筋混凝土框架结构，其中1号桥桥长51.7m，宽20.8m，高9.1m，2号桥桥长83.4m，宽20.8m，高7.73m，结构尺寸均为顶板0.8m,侧墙1.1m,底板1.1m。区间正线与兴华街公铁地道桥1、2号桥分别在DK3+325.54、DK3+224.36处相交，桥基底距隧道顶最小埋深6.9m。框构桥下穿秦沈上下行、沈山上下行，动车组4条停车线及皇姑车辆车厂线11条线路。框构桥与隧道的位置关系如图1所示。

2 工程地质与水文地质概况

2.1 地形、地貌

地形变化平缓，地面标高介于42.78～44.42m之间。地貌类型为浑河高漫滩及古河道。

①填土：主要由黏性土、碎石及砂类土组成，局部含少量建筑垃圾、生活垃圾(个别地段为垃圾填埋场)，马路地段表层为沥青路面，沥青路面下为碎石垫层，稍湿，松散。

③-5-2细砂：灰褐色，局部黄褐色，石英-长石质，次棱角形，均粒结构，颗粒级配差，含约15%黏性土，湿，稍密。

③-6-3中砂：黄褐色，石英-长石质，次棱角形，均粒结构，颗粒级配差，含约10%黏性土，局部为粗砂夹层，湿，稍密～中密。

③-8-3砾砂：黄褐色，石英-长石质，棱角形，混粒结构，颗粒级配较好，含约20%黏性土，局部为圆砾薄层，湿，水下饱和，稍密～中密，局部密实。

④-1-33粉质黏土：灰褐色，含铁锰质结核，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，摇震反应无，可塑～硬塑。

④-7-4粗砂：黄褐色，石英-长石质，次棱角形，均粒结构，颗粒级配差，含少量黏性土，湿，水下饱和，中密～密实。

④-9-4圆砾：主要由结晶岩组成，颗粒呈微风化状，亚圆形，混粒结构，坚硬，颗粒级配较好，一般粒径2～20mm，约占总质量的70%，最大粒径100mm，充填约20%的混粒砂和黏性土，局部为卵石层，中密～密实。

⑤-9-4圆砾：主要由结晶岩组成，颗粒呈微风化状，亚圆形，混粒结构，坚硬，颗粒级配较好，一般粒径2～20mm，约占总质量的70%，最大粒径100mm，充填约20%的混粒砂和黏性土，局部为卵石层，中密～密实。

2.2 水文地质

本区间位于冲洪积扇尾部，沉积的地层颗粒不均，局部沉积有黏性土层，分布不连续。因此区间沿线路仅存在一层地下水，赋存于圆砾、砾砂等强透水层中，按埋藏条件划分，属第四系孔隙潜水。局部地段存在由地下管道、工业及生活用水入渗形成的上层滞水。地下水类型为孔隙潜水，稳定水位埋深在11.8～13.0m。地下水水温10～12℃。地下水主要补给来源为浑河侧向补给及大气降水垂直入渗补给。主要排泄方式为径流排泄和地下水的人工开采。地下水总体上沿含水层向下游径流运移，即地下水流向总的方向是由东向西。但由于受人工开采地下水的影响，局部地下水流向会有所变化。

3 计算模型

采用三维有限元对盾构施工进行了模拟,采用的软件为大型有限元通用软件Midas-GTS。数值计算模型范围：模型长度为93.6m，宽度为68.4m，高度为50.8m；模型约束：前、后及左、右面边界均采用水平约束，底边界受竖向约束，顶面为自由面；计算模型共划分40438个单元，40561个节点。土层、既有框构桥均采用实体单元，不同的土层采用不同的材料参数模型，土体采用摩尔-库伦弹塑性本构模型，既有框构桥结构采用弹性本构模型。计算恒荷载考虑自重、轨道荷载、公路路面铺装；计算活荷载考虑列车荷载(满载)、汽车荷载。分析模型如图2所示：

4 计算参数

由于地层变化的原因。相近土体进行合并，并取多个钻孔土层参数资料进行加权平均。土层主要是细砂、中砂、砾砂、粉质黏土、圆砾及粗纱。具体计算参数如表1、表2、表3所示。

5 计算分析

在原始地层条件下，模拟盾构施工过程框构桥桥体受力分析。

(1)盾构机未临近框构桥时，框构桥主应力分布情况如图3、图4。

(2)左线下穿桥体(盾构刀盘到达桥体端部)后，框构桥主应力分布情况如图5、图6。

表1 地基土变形参数、粘聚力及内摩擦角推荐值表

表2 基床系数、静止侧压力系数及泊松比一览表

表3 不同距离爆破所允许的最大同时起爆药量

(3)左线盾构刀盘离开桥体18环(21.6m)后，框构桥主应力分布情况如图7、图8。

(4)右线下穿桥体(盾构刀盘到达桥体端部)后，框构桥主应力分布情况如图9、图10。

(5)右线盾构刀盘离开桥体18环(21.6m)后，框构桥主应力分布情况如图11、图12。

6 结语

在原始地层条件下，进行盾构施工。从盾构施工各阶段框构桥主应力分布云图可以看出，左线下穿桥体(盾构刀盘到达桥体端部)后，既有框构桥最大拉应力由1.43MPa减小至1.41MPa，最大压应力由3.1MPa减小至3.09MPa；左线盾构刀盘离开桥体18环(21.6m)后，框构桥最大拉应力和最大压应力分别变为1.42MPa和3.09MPa，表明桥体受力状态变化均较小；右线下穿桥体(盾构刀盘到达桥体端部)后，框构桥最大拉应力由1.42MPa下降至1.16MPa，最大压应力由3.09MPa下降至2.74MPa，右线盾构刀盘离开桥体18环(21.6m)后，框构桥最大拉应力和最大压应力分别变为1.15MPa和2.64MPa，对既有桥内力影响反而减少。根据以上分析数据，盾构区间左右线分别下穿既有框构桥引起应力变化较小，从受力分析来看无需对框构桥下地层进行加固。