地铁盾构隧道侧穿桥梁施工稳定性分析

杨利波

摘  要：盾构隧道施工过程中对原状土体扰动较大，导致地表产生位移和变形，影响既有桥梁受力状态。以青岛地铁2号线二期工程侧穿金水桥为工程背景研究对既有桥梁变形的影响，通过建立三维有限元模型，模拟分析盾构施工过程对地表、隧道、既有桥梁沉降的影响，研究既有桥梁的受力变化规律。结果表明，地表位移基本符合Peck修正公式的变化规律，隧道水平收敛位移峰值点出现在拱顶处；桥墩主应力随着桥墩深度增加而增大，桥墩竖向应力呈现为上部受拉、下部受压状态，桥墩轴力沿柱深均匀变化，且随深度增加而增大；基础剪应力沿着基础横向在桥墩范围内较小，向四周扩散时线性增大。

关键词：盾构隧道；既有桥梁；长距离侧穿；数值模拟；稳定性分析

中图分类号：U455.43      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）18-0067-04

Abstract： In the process of shield tunnel construction， the undisturbed soil is disturbed greatly， which leads to the displacement and deformation of the surface， which affects the stress state of the existing bridge. Taking the side crossing Jinshui Bridge of Qingdao Metro Line 2 as the engineering background， the influence on the deformation of the existing bridge is studied by establishing a three-dimensional finite element model to simulate and analyze the influence of the shield construction process on the settlement of the surface， tunnel and existing bridges. The results show that the surface displacement basically accords with the variation law of the Peck modified formula， and the peak point of the horizontal convergence displacement of the tunnel appears at the arch top， the principal stress of the pier increases with the increase of the pier depth， the vertical stress of the pier presents a state of tension at the upper part and compression at the lower part， and the axial force of the pier varies uniformly along the column depth， and increases with the increase of the depth. The shear stress of the foundation is small in the range of the pier along the transverse direction of the foundation， and increases linearly when it spreads around.

Keywords： shield tunnel; existing bridge; long distance side penetration; numerical simulation; stability analysis

新建双线盾构隧道在施工过程中会造成隧道周围土体扰动、地层原始地应力的重新分布等情况，进而会引起邻近桥梁基础周围的土体与既有桥梁基础之间发生一定程度的相对位移，桥梁上部结构会由于基础产生的位移变形而出现倾斜、开裂等情况[1]。

王腾[2]采用三维数值仿真分析的方法对某地铁区间下穿高架桥梁桩基进行了分析研究，徐前卫等[3]根据对盾构侧穿桥梁基础施工过程的动态模拟分析，得出了盾构穿越施工导致地层和桥梁结构变形过大的结论，周鑫等[4]通过研究盾构掘进过程对地层沉降及邻近桥梁桩基影响规律得出双线盾构隧道开挖对地层临近中间桩基沉降影响较大的结论，张秀山等[5]采用三维计算模型对比分析有无注浆2种工况下桥墩变形特征得出注浆加固对控制桥梁变形起到很好的效果，龚兴旺等[6]针对双线盾构隧道侧穿高铁桥梁桩基的影响研究提出了盾构掘进过程中对于桥梁桩基需要采取的防护措施。

不同地质条件下盾构隧道施工对原状土体扰动具有一定的差异，因此，需要根据具体工况具体分析。以青岛地铁2号线二期工程佛合区间盾构隧道侧穿金水桥为背景，通过建立三维数值模型，研究盾构隧道施工过程中对既有桥梁的影响性分析。

1  工程概况

青岛地铁2号线二期工程佛合区间全长960 m，左、右隧道间距13 m；区间自佛耳崖站引出，双线沿金水路直行，以700 m曲线半径折向东北方向，而后以800 m曲线半径下穿侯家庄河侧穿金水桥。金水桥全长约165 m，宽约40.5 m，桥梁上部为普通混凝土连续桥板，下部为直径1.1 m的混凝土桥墩和扩大基础，区间与基础最小水平净距为1.85 m。侯家庄河为城市景观河道，水深约2.5 m，距离河底设计高程最小净距7.7 m，桥隧位置关系图如图1所示。

区间隧道主要穿行于强风化花岗岩上亚带、强风化花岗岩下亚带、中风化花岗岩和微风化花岗岩，各地层主要物理力学参数见表1。

2  数值模拟方法与过程

2.1  数值模拟方法

通过考虑盾构隧道施工区间内既有桥梁位置及盾构施工的影响区域，将盾构施工的三维模型的尺寸选取为200 m×160 m×60 m（长×宽×高），模拟右线隧道开挖141环、左线隧道开挖137环，右线隧道开挖50环后开挖左线隧道。模型边界以外区域的位移和应力变化与盾构施工几乎不会相互影响，盾构模型整体示意图如图2所示。

模型中盾构区间所穿越地层简化为水平匀质分布地层，采用摩尔-库伦本构建立3D单元模型，根据建筑物的实际尺寸及隧道与既有桥梁的位置关系，采用各相同性本构建立桥梁的3D单元模型，通过建立实体模型得到了隧道的注浆区域和开挖区域，分别对其外表面进行单元析取的操作，采用各相同性本构得到盾构外壳和管片的2D板单元模型。模型建立所需构件材料见表2。

对模型整体施加自动边界条件，默认约束模型底部X、Y方向位移，左右约束X方向位移，前后约束Y方向位移。同时，对注浆层土体设置改变属性条件，使其原有的土层属性改变为注浆属性。除重力外与等效水压力外，荷载分为隧道掘进压力0.12 MPa、管片千斤顶力0.1 MPa、管片注浆压力0.15 MPa。荷载布置示意图如图3所示。

2.2数值模拟过程

数值分析软件施工阶段的模拟是通过激活/钝化相关网格组、荷载组及边界条件等，模拟盾构施工中的隧道开挖、管片拼接、同步注浆等施工过程。具体施工步骤如下。

计算初始应力场，激活桥梁、所有土层与隧道开挖区域，激活自重、等效水压力与边界条件，清零位移；激活右线第1环盾壳与掘进压力，钝化第1环开挖区域；激活右线第2环盾壳、掘进压力、第1环管片与千斤顶力，钝化第2环开挖区域与第1环盾壳；激活右线第3环盾壳与掘进压力、第2环管片与千斤顶力、第1环管片注浆与注浆压力和第1环管片注浆属性，钝化第3环开挖区域、第2环盾壳与第1环管片千斤顶力。以此循环掘进，当右线隧道掘进至第51环时，开始掘进左线隧道第1环。

3数值计算结果分析

3.1盾构施工对地层的影响分析

盾构隧道开挖后引起土体应力释放，土体应力发生重分布现象，近隧道周围土体应力变化较大，远隧道土体应力变化较小，由于应力变化而引起土体变形。地表位移如图4所示，由图4可知，盾构双线隧道贯通后，右线隧道正上方地表沉降量最大，最大值为3.8 mm。

3.2  盾构施工对隧道围岩的影响分析

3.2.1隧道竖向位移分析

隧道竖向位移等值线图如图5所示，由图5可以看出左右线隧道贯通后，距离开挖面越近的土体所受扰动越大，竖向位移最大值出现在右线隧道拱顶处约6.2 mm，随着远离开挖面竖向位移逐渐减小。

3.2.2隧道水平收敛位移分析

选取模型开挖完成后的中点处隧道断面，绘制隧道水平收敛位移曲线，如图6所示。从图6中可以看出，在左右线隧道中心线上方各有一个峰值点，最大位移值为6.15 mm，双线隧道中心线中间土体沉降小于该值。

3.3  盾构施工对桥梁的受力特性影响分析

3.3.1  桥墩受力特性分析

桥墩主应力的分布规律为随着桥墩深度增加而逐渐增大，最大主应力出现在桥墩与扩大基础交界处约为5.34 MPa；桥墩的竖向应力呈现为上部受拉、下部受压状态，最大拉应力出现在桥墩顶端约4.43 MPa，最大压应力出现位置与最大主应力相同位置约5.06 MPa。由图7桥墩轴力变化曲线示意图可知，桥墩轴力沿柱深均匀变化，且随深度增加而逐渐增大。

3.3.2  桥梁扩大基础受力特性分析

基底反力分布规律[7]表现为柱墩垂直部位基底反力较大，向四周逐渐减小，到边缘处又有所增大。图8为横向基底反力变化曲线图，从图8可以看出，基础墩柱处和边缘处反力具有明显的突变现象，符合基底反力分布规律。模型中采用的桥梁墩柱为四墩结构，由图9可知，沿着基础横向的剪应力在柱墩范围内较小，向四周扩散时呈现线性增大，直到到达最大值处，向边缘处或基础中心部位移动则剪应力减小，趋势明显。

3.4  盾构施工对桥梁的变形特性影响分析

3.4.1  桥板竖向变形分析

左、右线隧道掘进完成后桥板最大竖向沉降值约为0.49 mm，出现在右线盾构隧道的桥板中后部；最小竖向位移沉降值约为0.35 mm，桥板最大差异沉降为0.14 mm。由于右线隧道距离桥板较近，故开挖对其影响更大；左线盾构距离桥板较远，开挖时其变形不明显。

3.4.2  桥墩竖向变形分析

隧道贯通后桥墩竖向位移最大值为0.60 mm，沿着隧道掘进方向出现在第4个桥墩处，桥墩距隧道越远沉降值越小；掘进方向首个桥墩距离隧道最近，其竖向位移值为0.57 mm。

3.4.3  桥梁扩大基础竖向变形分析

隧道掘进完成后扩大基础最大值约为0.64 mm，出现在桥梁中部位置，最小值约为0.18 mm，扩大基础距离隧道越远其沉降值越小。

4  结论

通过建立数值分析模型，模拟地铁盾构隧道侧穿既有桥梁施工，针对性地分析盾构施工过程对地表、地层、既有桥梁沉降的影响，研究既有桥梁的受力变化规律，得出以下结论。

1）隧道竖向位移最大值出现在右线拱顶处约6.2 mm，隧道水平收敛位移在左、右线中心上方各出现峰值点，桥墩与桥梁扩大基础最大变形位置出现在桥梁中部。

2）桥墩主应力随着桥墩深度增加而逐渐增大，最大主应力出现在桥墩与扩大基础交界处；桥墩竖向应力呈现为上部受拉、下部受压状态。

3）基础墩柱处和边缘处具有明显的应力集中现象，且基础角点处基底反力更为集中；基础剪应力沿着基础横向在桥墩范围内较小，向四周扩散时呈现线性增大趋势明显。

参考文献：

[1] 饶靖鹏.地铁双线盾构隧道斜穿既有桥梁及铁路路基的影响分析与研究[D].合肥：合肥工业大学，2022.

[2] 王腾.盾构隧道侧穿既有桥梁桩基的相互影响研究[J].中国安全生产科学技术，2023，19（S1）：144-149.

[3] 徐前卫，崔越榜，王尉行，等.盾构侧穿桥梁基础的施工影响分析及其控制研究[J].城市轨道交通研究，2021，24（5）：26-30，36.

[4] 周鑫，杨建辉，刘涛.盾构法施工对近距离侧穿桥梁桩基的影响分析[J].地下空间与工程学报，2022，18（2）：586-595.

[5] 张秀山，吴镇，王磊，等.富水卵石层桩底小净距盾构下穿京台高速公路桥梁变形控制措施[J].科学技术与工程，2021，21（29）：12710-12717.

[6] 龚兴旺，龚伦，钟健，等.双线盾构隧道侧穿对高铁桥梁桩基的影响研究[J].铁道建筑技术，2021（12）：105-110.

[7] 李东轩.岩石地基公路桥梁与扩大基础及下穿盾构隧道整体受力数值分析[D].重庆：重庆大学，2018.