施工荷载对既有高铁隧道群的影响数值分析

王学广 邹中权

(1.中国华西工程设计建设有限公司广州分公司，广东 广州 510080； 2.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

近年来，随着我国城市化的发展，城市交通拥堵情况日益严重，地铁已成为缓解城市地面交通压力的重要手段。然而，地铁施工过程中容易与其他地上、地下结构物之间发生相互影响。因此，为了确保地铁建设顺利进行，防止发生安全风险，需仔细研究其与邻近建筑的影响[1-8]，并据此采取适当的工程措施。

本文以某地铁运营库上跨高铁隧道群工程为例，运用有限元数值分析的方法，对地铁运用库桩基础和上部结构施工时大型施工机械作业施工荷载对既有高铁隧道结构受力和变形的影响进行了分析。

1 工程概况

某地铁停车场运用库上跨三条既有高铁隧道群，分别用高铁1正线隧道、高铁1联络线隧道、高铁2隧道表示。停车场运用库采用房桥合一的结构形式，上部由两跨简支钢桁架桥组成，主桁最小跨度55 m，最大跨度110 m，共16座, 需要完成16 000 t钢构件加工拼装、70万颗高强度螺栓安装。下部采用承台加桩基础形式，涉铁桩基共138根，其中隧道间桩基共有24根，距离既有铁路隧道结构净距3 m～13.8 m，桩径为1.6 m～2.2 m，同时近距离跨越三条高铁隧道群属全国首例，施工难度大。地质情况为素填土、碎石土、花岗岩。为最大程度降低对桩基、桁架施工对既有高铁隧道群的影响，加快施工进度，减少扰动，确保既有高铁隧道安全，保证高铁行车安全，桩基采用全回转液压钻机、旋挖钻机大型施工机械施工，桁架现场焊接拼时采用履带吊车吊装、顶推滑移施工。

2 施工荷载

涉铁区域施工荷载统计见表1。其中基础施工阶段，荷载较大的工程机械有全回转液压机，位于桩顶正上方，履带吊车，涉及整个区域，另外旋挖钻机、汽车吊、混凝土输送泵及钢结构自重均较小，可以不考虑其影响。上部结构施工时，最大荷载为履带吊车，荷重3 500 kN，涉及整个区域，因此重点分析上部结构施工时履带吊车荷载的影响。

高铁隧道1的埋深较浅，当施工机械(履带吊车)位于隧道正上方时，对隧道的影响最大。本次分析选取图1所示的A，B，C三处作为施工机械荷载的作用位置，分析大型施工荷载对高铁的影响。A处位于高铁2隧道正上方、B处位于高铁1联络线隧道一侧、C处位于高铁1正线隧道正上方。

表1 涉铁区域施工荷载统计

主要的施工荷载为履带吊车的重载作用，其重3 500 kN，作用面积21.6 m2，换算为作用压强为162 kPa，考虑到其他机械的影响及安全储备，施工荷载采用均布荷载200 kPa加载计算。

3 模型的建立

为分析施工荷载对既有高铁隧道群的影响，根据设计图纸，建立有限元模型进行数值分析。施工机械荷载作用位置平面图见图1，模型整体示意图见图2。模型大小为400 m×120 m×80 m，单元数约20万，节点数约21万。模型采用固定边界条件。

4 计算成果及分析

4.1 A处施工机械荷载作用下高铁1联络线隧道变形

如图3～图6所示，A处施工机械荷载作用下，下部土体产生的最大土体变形为17.24 mm(由于填土承载力较低，地基已接近破坏)，高铁隧道衬砌产生的最大变形为1.15 mm，位于隧道拱顶，两腰的最大变形为0.6 mm～0.8 mm，拱底的变形约为0.3 mm，最大隧道横向方向的变形小于0.2 mm。

4.2 B处施工机械荷载作用下高铁1正线隧道变形

如图7～图10所示，B处施工机械荷载作用下，下部土体产生的最大土体变形为12.67 mm(由于填土承载力较低，已接近破坏)，高铁隧道衬砌产生的最大沉降变形为1.34 mm，位于隧道拱顶偏左处，左腰的最大变形为1.1 mm，右腰最大变形为0.6 mm，拱底的沉降变形约为0.4 mm，最大隧道横向方向的变形为0.34 mm。

4.3 C处施工机械荷载作用下高铁1正线隧道变形

如图11～图14所示，C处施工机械荷载作用下，下部土体产生的最大土体变形为15.57 mm(由于填土承载力不足，已接近破坏)，高铁隧道衬砌产生的最大沉降变形为1.76 mm，位于隧道拱顶，两腰的最大变形为0.6 mm～0.8 mm，拱底的沉降变形约为0.2 mm，最大横向变形0.38 mm。汇总A，B，C三处的沉降变形量，见表2，从表2可知，当施工机械位于高铁隧道正线正上方时变形最大，最大值为1.46 mm。

表2 施工机械荷载作用下隧道衬砌变形汇总表 mm

5 结论

1)由于素填土结构松散，承载力低，重型施工机械荷载作用下，地基土体接近破坏，土体产生很大变形，建议施工前对填土地基进行注浆加固处理。

2)在最不利施工荷载作用下(荷载作用于高铁隧道正上方)，高铁1隧道正线隧道拱顶最大变形约1.76 mm，高铁1隧道联络线隧道拱顶最大变形约1.15 mm，施工荷载对隧道结构产生影响，但数值满足规范[9,10]，可控。