盾构近距穿越施工影响下地铁桥梁变形控制

武润利

（北京市轨道交通建设管理有限公司，北京100068）

随着城市轨道交通的快速发展和城市空间的利用，相继出现了新建隧道近距离下穿既有桥梁的情况[1]。城市存在包括市政、公路桥梁与铁路、地铁桥梁在内的大量桥梁。隧道施工下穿桥梁，会对桥梁产生一定影响，如果不加以预防控制，则可能影响列车正常行驶和旅客乘坐舒适性，轨道沉降过大，则甚至会危及到行车安全[2]。

一些学者开展了一定的盾构隧道邻近高铁桩基施工的研究工作：文献[3]通过数值模拟与离心机试验结果的对比分析，验证并分析了数值模拟研究盾构邻近隧道施工对桥梁临近桩基的影响是可靠的；文献[4]以采用两阶段分析法为基础，对分析了盾构隧道施工中桥梁桩基力学状态进行了分析；文献[5]采用正交试验的方法，研究了盾构邻近掘进施工对桥梁临近桩基沉降的影响因素，并按照桩基邻近度方法对桩基分类；文献[6]通过分析现场实测数据,，研究对了隧道侧穿桥梁桩基过程中隧道与桩相互作用进行了研究。文献[7]在苏州某地铁盾构下穿沪宁城际铁路施工时，结合原加固措施，采用析桩组合结构的形式对地基进行加固，并分析了不同应力释放率下盾构施工引起的地表沉降规律。

目前，针对北京地层环境条件下盾构穿越既有地铁高架区间桥梁的工程经验较少，开展此类工程的盾构施工影响规律的研究对保证既有地铁正常运营具有较大的工程意义。

为此，本文以北京市南水北调东干渠盾构隧道穿越地铁5号线高架桥工程为背景，使用ANSYS 有限元分析软件，模拟盾构施工穿越既有桥梁的过程，结合监测数据分析施工影响下桥梁的变形规律，分析有隔离措施等不同工况下桥梁变形规律，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

新建东干渠工程隧洞为外径6m、内径4.6m 的圆形暗涵，一次衬砌为C50 预制管片(幅宽1.2m，厚0.3m)，二次衬砌为C35模筑钢筋混凝土(厚0.4m)。施工采用小松Φ6340 加泥式土压平衡式盾构机，主机全长11.4m，盾壳厚70mm，盾尾间隙30mm，刀盘开口率40%，刀盘直径6.37m。盾构由东向西沿着北五环南从两桩之间侧穿越地铁桥梁，下穿工程平面图和剖面图如图1、图2 所示。

图1 东干渠穿越5 号线平面图

图2 东干渠穿越5 号线剖面图

既有地铁5 号线北苑路北站～大屯路东站区间线路为18.25m 跨简支梁高架桥结构，基础为4 桩承台基础，桩径1m，桩间距3.2m。隧道埋深18.1m，距既有桥桩最近距离3.8m。穿越工程处于清河冲洪积平原，地形较为平坦，地基土自上而下依次为粉土③1，粉质黏土③，细中砂④，细中砂⑥。

2 数值分析模型的建立

采用ANSYS 建立土体范围为纵向90m、竖向40m、横向72m 的模型，选取三跨简支梁，将桥墩和梁进行编号。桥梁与隧道位置关系如图3 所示。

图3 盾构桥梁位置关系示意图

材料结构及土体参数如表1 及表2 所示。

表1 材料结构参数

表2 土体参数

3 数值模拟结果分析

通过模拟盾构在相同地质条件下进行穿越，比对桥梁下部结构及轨道结构在有无隔离桩条件下的的变化规律。

3.1 盾构施工对桥梁下部结构的影响

3.1.1 不同工况盾构施工时下部结构沉降如图4 所示。可得到以下结论：①在盾构施工时，会对周围土体造成土体扰动，土体是结构物的媒介，因此隧道周围土体开始向隧道方向移动时，桩基受土体传导也会向隧道方向产生变形，施工完成后下部结构最大沉降约为2.22mm。②通过对比有隔离桩和无隔离桩工况，发现有隔离桩工况的下部结构最大沉降要明显小于无隔离桩工况，并且最大变形值较无隔离桩工况小1.27mm 说明隔离桩能有效减小盾构施工对既有结构物造成的影响。③通过对盾构施工过程中下部结构变形增量和变形速率的分析，得出盾构施工对桥梁下部结构影响最大的时刻是盾构正下穿桥梁的时刻，当完成穿越后沉降速率开始降低，距离桥梁中线30m 左右时施工对下部结构的影响已经很小。

3.1.2 不同工况盾构施工时下部结构竖向沉降如图5 所示。可得到以下结论：①盾构施工对结构横向变形的影响没有竖向沉降大，预计为0.547mm，但横向变形对线路的安全运营同样有重大意义，不能忽视。②盾构施工使桥墩产生横向变形，主要变形发生在靠近盾构隧道的桥墩。③沉降速率呈先增加后降低，当盾构穿越既有桥梁时变形值和变形速率都明显增加，穿越结束后降低，最后趋近于0。有隔离桩工况各阶段变形值要比无隔离桩工况小0.455mm，说明隔离桩能有效地限制土体和桩基的横向变形。

图4 下部结构施工竖向沉降图

图5 下部结构施工横向变形图

3.2 盾构施工对轨道结构沉降的影响

既有左右线轨道结在施工完成后的最大沉降值如图 6 所示。

图6 轨道沉降最大值对比

轨道测点沉降值如图7、图8 所示。

图7 有隔离桩轨道各阶段沉降

从图7 中发现，各阶段的变形趋势大致形同，大变形发生在盾构距离36m 和48m 处，在桥梁正下方穿越时，变形速率也显示在距离桥梁中线越近速率越大，中心线处速率达到最大，通过后速率开始降低，最后逐渐趋向于0，这时沉降也趋于稳定，左右线沉降值也趋于接近。

无隔离桩各阶段对比如图8 所示。

图8 无隔离桩轨道各阶段沉降

从不同工况的左右线轨道的沉降数据和对比图中可以得出以下结论：盾构初始开挖面靠近左线，因此，在施工过程中，左线轨道沉降先大于右线沉降，在施工结束时趋于接近。左右线轨道在施工过程中，最大沉降值随开挖推进逐渐增大，沉降速率呈现先增大后减小的趋势，最终趋近于0。盾构施工位于2、3号墩之间，主要对2、3 号墩产生影响，各阶段的轨道最大沉降也发生在2、3 号墩的对应位置，2 号梁产生了比较均匀的沉降，轨道最大沉降发生在对应的3 号墩位置。从有隔离桩沉降与无隔离桩沉降数据对比发现，有无隔离桩对轨道竖向沉降值有显著影响，有隔离桩条件下轨道最大沉降要比无隔离桩沉降少1.2mm。

4 现场变形监测及效果分析

4.1 监测概况

在盾构近距离下穿既有地铁高架区间施工时，为了评价下穿过程中的掘进参数和控制措施的合理性，同时准确反应盾构施工对既有地铁桥梁影响的动态变化，实现信息化施工，保证地铁运行安全[6]。在既有桥梁梁体上布设变形监测点，现场监测点布设如图9 所示。

图9 梁体沉降监测测点布置图

4.2 监测结果分析

在盾构施工中，盾构接近高架区间时，轨道已经发生隆起变形，最大变形为0.26mm，发生在2 号梁上，由于盾构起始开挖面距离左线较近，因此变形左线大于右线。之后，随着盾构不断地接近桥梁，沉降和沉降速率逐步增大，最大沉降发生在轨道对应3 号墩对应位置。在盾构施工至桥梁中线时，轨道沉降和沉降速率明显增大，最大沉降发生在2 号梁上，由于盾构隧道距离3 号墩略近，因此轨道沉降值在3 号墩位置处略大于2 号墩，最大沉降0.94mm。盾构穿越桥梁中线后，左右线轨道继续沉降，但沉降差开始缩小，最大沉降1.09mm，发生在对应的3 号墩处。在盾构穿越过桥梁后，轨道沉降趋于稳定，左右线沉降接近，最大沉降1.76mm，发生在对应的2 号梁处。

图10 为轨道最终沉降的沉降槽对比，现场监测数据与数值模拟结果基本吻合。

图10 数值模拟与现场检测沉降对比图

5 结论

结合盾构穿越既有地铁桥实例，采用数值模拟、现场监测等方法，分析了受盾构影响既有高架区间结构变形的规律，总结了若干沉降控制的经验措施。得出如下结论：

5.1 盾构开挖离桥梁越近，变形值增长速度加快，穿越后减慢，结束施工后趋于0；各轨在开挖过程中最大沉降值随开挖推进逐渐增大，沉降速率呈现先增大后减小的趋势，最终趋近于0。

5.2 有离桩模型与无隔离桩的变形趋势基本相同，但沉降量不同，有隔离桩沉降量和变形量要小于无隔离桩模型，隔离桩能有效地减小由于盾构穿越既有桥梁造成的沉降和变形。

5.3 在穿越施工时要严格控制技术参数，控制掘进速度，盾构的正面平衡土压力，盾尾同步注浆和二次注浆，必须严格控制盾构的掘进姿态。采取隔离措施，桥梁加固等措施来进行沉降控制。

5.4 数值模拟与监测数据相印证，证明数值模拟可以有效地反映盾构隧道下穿既有地铁桥梁区间结构变形趋势及影响程度。