地铁盾构隧道侧穿高铁桥梁影响研究

周慧超

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300142）

近年来城市轨道交通发展迅速，地铁线路穿越高铁桥梁的情况频繁出现，盾构隧道穿越高铁桥梁势必会对高铁运营产生一定影响[1～2]。盾构下穿铁路引起铁路变形，导致线路不平顺，道床不均匀沉降；因此应严格控制盾构施工对高速铁路产生的变形[3～4]。

诸多学者[5～7]对地铁盾构隧道下穿高铁桥梁已有部分研究并取得了一定的成果，但对近距离穿越高铁桥梁桩基的研究还较少。

1 工程概况

天津某地铁区间为双洞单线隧道，区间依次下穿京山铁路路基段、津秦客专及京津城际延伸线高架桥。盾构区间侧穿高架桥桩基，左线与桥桩基最小水平净距约5.99 m，右线与桥桩基最小水平净距约2.90 m。京山铁路为普速有砟道床铁路，基础为路基结构，路基高度约地面上1.45 m，盾构区间结构顶距离路基面约17.1 m；秦客专及京津城际延伸线为高速铁路，为预应力混凝土简支箱梁，桥跨24 m，单个承台下8～11根直径1 m桩基，桩长60 m。

因此本工程的难点是盾构法下穿桥梁结构是否满足铁路的运营要求，评估盾构下穿高铁的安全性。

2 模型建立

采用有限元软件Midas GTS 模拟盾构施工。模型横向、纵向均为100 m，竖向70 m，隧道外径6.2 m，埋深为17 m。模型底部固定约束，四周法向约束，顶面为自由边界。见图1。

盾构隧道管片采用壳单元模拟，桩基采用梁单元模拟，桥梁承台、围岩采用实体单元模拟，各地层参数见表1。

3 位移场分析

1）承台位移见图2。

由图2 可以看出：隧道左侧桥梁承台位移主要为竖向沉降，在左右线隧道施工完成后达到最大，竖向位移最大值位于邻近隧道侧，为0.47 mm，水平位移最大值为-0.40 mm；隧道中间桥梁承台位移主要为竖向沉降，在左右线隧道施工完成后达到最大，竖向位移最大值位于邻近隧道侧，为0.67 mm，水平位移最大值为0.13 mm。

2）桩体位移见图3。

图3 桥桩水平位移

由图3可以看出：在盾构到达前，由于土仓压力作用，盾构对线路前方土体呈现一定的挤压趋势，一般情况下该趋势在一定程度上导致桩体弯曲变形，但影响量较小；因土体受压，在一定程度上侧摩阻力有增大的趋势，对桩体竖向受力（侧摩阻力及桩端阻力）基本没有影响；盾构到达时，由于土体开挖，桩周土体应力释放，松弛后，导致桩体产生位移变形；由于管片的变形和注浆压力的影响，桩体两侧受力不均，桩身体现为水平向远隧道方向移动。

因此，在盾构施工过程中要控制桩身位移及变形，土仓内压力、掘进速度及出土速度的控制尤为关键。

3）路基变形分析。沿京山铁路轨道方向，提取4个施工步中的路基沉降变形数值：左线通过京山铁路；右线通过京山铁路；左线贯通；右线贯通。见图4。

图4 基结构各阶段沉降

由图4可以看出：当盾构左线通过京山铁路后，左线正上方的路基沉降变形最大，约为3.1 mm；当盾构右线通过京山铁路后，右线上方的路基沉降变形渐渐增大；左右线贯通后，随着土层应力的重分布，路基变形趋于稳定，最大变形处位于左右线中心处。

4 结论

1）地铁盾构施工对既有高铁桥梁会产生一定的影响，但承台、桩体的变形均在安全控制要求范围内。

2）三维数值分析能够较好反映结构开挖对既有结构体位移、变形的影响，其计算结果能够与实际工程经验更好吻合，但由于有限元模型及土体本构关系的特点，计算值及影响范围可能会与实际值有一定差异。

3）为确保施工安全，应采取一定的预处理及应急措施，以控制隧道施工对既有桥梁的影响。