隧道盾构下穿施工对既有铁路桥梁的影响研究

摘要：为研究下穿隧道盾构施工对既有铁路桥梁变形的影响，文章依托某实际工程，采用FLAC3D软件进行施工全过程模拟，对隔离墙的防护作用进行研究，并通过现场监测试验进行验证。结果表明：顺桥向地表沉降变形呈“W”形分布，隧道正上方地表变形值最大；桥墩竖向位移表现为沉降，随着隧道盾构开挖施工，其值先缓慢增大后快速增长，最后逐渐平稳；隔离墙起到了较好的防护作用，可有效控制地表、桥梁墩台和桩基的变形，使其满足安全控制标准；现场监测结果与数值模拟所得变形规律基本一致，可为类似工程提供参考。

关键词：盾构隧道；铁路桥梁；数值模拟；现场监测

中图分类号：U455.43" " " " "文献标识码：A" " " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.056

文章编号：1673-4874（2024）11-0192-04

0引言

随着我国城市化进程的不断发展，城市交通压力不断增大，为方便居民出行，提高城市交通运输能力，开发地下空间，建设城市轨道交通势在必行。但地铁施工不可避免会遇到临近或下穿既有桥梁的情况，如何控制既有桥梁变形，保障其运营安全，是一个亟待解决的问题，已有众多专家学者就此进行研究。王腾［1］为探究隧道盾构施工侧穿既有桥梁时对桥梁桩基的影响，基于工程实例，采用数值模拟方法进行分析，并通过现场监测对结果的可靠性进行验证。耿大新等［2］以南昌市某隧道盾构下穿既有高铁桥梁工程为背景，采用MidasGTS软件对其施工全过程进行模拟，分析了桥梁变形规律，并提出了相应的加固措施。周智［3］采用MidasGTS软件模拟了广州地铁18号线下穿广深港高铁桥的隧道开挖全过程，研究了隧道盾构下穿对地面沉降及桥桩变形的影响。蒋小锐等［4］基于某实际工程探讨了隧道明挖施工下穿对既有高铁桥梁变形和位移的影响，并进行了车-轨动力响应分析。赵江涛等［5］为控制盾构隧道施工对上部桥梁的扰动，建立了相应的精细化施工控制体系。陈聪等［6］依托某实际工程，研究了盾构隧道下穿既有铁路桥梁时的加固措施，认为注浆和隔离桩防护均能满足既有结构物变形控制要求。为研究下穿隧道盾构施工对既有铁路桥梁变形的影响，本文依托某实际工程，采用FLAC3D软件进行施工全过程模拟，进一步研究了隔离墙的防护作用，并通过现场监测试验进行验证。

1工程概况

铁路运营期间行车速度较高，需要轨道具有高平顺性，故需要对结构受力和变形进行严格控制。隧道盾构下穿施工改变了土层原始的应力平衡状态，致使应力重分布，极易引发上层铁路桥梁变形。此外，由于桩基与隧道开挖面的净距不同，盾构隧道施工对两侧桥墩的影响程度也不同，而施工对土体的扰动极易导致桩基侧摩阻力下降，从而引发桩基、桥墩的不均匀沉降，对铁路运营安全造成严重影响。

依托工程左线隧道自某城际铁路211#～212#墩间穿过，与两桥墩最小净距分别为5.24m和5.01m，右线隧道自212#～213#墩间穿过，与两桥墩最小净距分别为4.77m和6.33m；埋深约27m，处于平均含水率20.35%的细砂层。根据相关规范要求，需控制墩顶横向水平位移引发的桥面水平折角≤1.0[WTB3]‰，墩顶顺桥方向弹性水平位移≤28.5mm，墩顶各方向位移及相邻墩台差异沉降≤3mm。综合考虑实际地质情况和施工经济性，工程选用土压力平衡式盾构机，采用稳坡法、缓坡法推进，其各项施工参数如表1所示。

2数值模型及参数

考虑到需对桥墩变形进行严格控制，故针对上述工程，为研究隧道盾构下穿施工引发的地表及既有铁路桥梁桩基的变形，探究隔离墙防护措施的效果，采用FLAC3D软件，基于工程实际情况进行一定简化，建立三维数值模型，如图1所示。顺211#至213#桥墩连线方向设置共22个监测点。

模型长×宽×高=180m×70m×55m，设置模型底部为全约束，四周为法向约束。土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，桥墩、桥台和隔离墙采用弹性模型模拟，相应参数如表2所示。桥梁桩基采用桩单元模拟，桩长40m，用1单元模拟隧道开挖过程。为提高模型的可靠度，将桥墩上部结构自重荷载施加于桥墩上。

3结果分析

3.1地表及桥墩竖向位移分析

在左右线隧道同时盾构施工时，地表监测点横向位移较小，其竖向位移均表现为沉降，其数值较大，故对其竖向位移进行分析，可得无隔离墙时地表及桥墩各监测点数值模拟结果如图2所示。由图2（a）可知，当双线隧道盾构施工结束后，地表监测点最大竖向变形值高达6mm，顺桥向地表竖向变形曲线呈“W”型，隧道正上方的土体竖向变形最大。随着隧道盾构施工的不断进行，其对地层扰动也不断增大，地表监测点的竖向变形也不断增大。由图2（b）可知，当隧道开挖面远离桥梁时，三个桥墩的竖向位移均未发生明显的增长；当隧道开挖面逐渐逼近桥梁时，三个桥墩受到较大的扰动，其竖向位移均发生明显的增长，且增长速率较快；当隧道开挖面再次远离后，三个桥墩的竖向位移增长速度逐渐变缓，竖向位移区域稳定。由于212#桥墩位于两线隧道之间，而左右线隧道同时开挖对中间桥墩的扰动最大，故而212#桥墩的竖向位移远大于211#和213#桥墩，其最大差值分别为2.7mm和3.3mm。而三个桥墩的变形已超出相应的控制标准，不利于铁路线路的安全运营，故应当设置一定的安全防护措施。

设置隔离墙后，地表及桥墩各监测点数值模拟结果如下页图3所示，比较有无隔离墙时的地表变形情况可知，两者地表监测点竖向变形均表现为沉降且分布趋势基本不变，依然呈“W”型，但有隔离墙时地表竖向变形值有明显减少，最高值减少约46.3%。故可认为隔离墙可起到一定的防护作用，减少隧道盾构施工过程中对周围土层的扰动。由图3（b）可知，有无隔离墙时三个桥墩的竖向变形规律基本一致，但其变形值有明显降低，211#～213#桥墩的竖向位移值分别降低了25%、42%、30%。最终差异沉降均未超过3mm的控制标准，212#和211#、213#桥墩的最大差异沉降分别为0.7mm和1.2mm，较无隔离墙时，分别下降了74.1%和63.6%。故认为隔离墙的存在可有效减少既有铁路桥梁的变形，使其满足安全限制要求。故为减小隧道盾构施工对既有铁路桥梁的影响，在实际工程中需设置隔离墙，分担盾构施工产生的侧向土压力和摩擦力，控制地表和桥墩的竖向变形。

3.2桥梁桩基变形分析

提取有无隔离桩时，各监测桩桩顶最大竖向位移、顺桥向位移、横桥向位移结果如下页表3所示。由数值模拟可知，当开挖面逐渐靠近桥梁桩基时，其桩顶各方向的变形速率均逐渐增大；当开挖面逐渐远离时，桩基各方向变形速率逐渐降低；当隧道开挖面通过桥墩后再次远离时，桩基各方向变形值逐渐趋于稳定。212#桥墩因位于左右线隧道之间，其竖向位移、顺桥向位移变形最为明显。设置隔离墙可以有效阻碍桥梁桩基在各个方向上的变形，起到了有效的阻隔作用，降低了隧道盾构施工对既有铁路桥梁的影响。

3.3现场监测对比

参考既往工程经验，为及时判断周围土体及既有铁路桥梁的安全状况及变形发展规律，下穿隧道盾构施工期间需要进行严格的现场监测试验，地表监测点及桥墩监测点设置与数值模拟一致，所得地表监测点结果如图4所示。由图4可知，现场监测所得地表监测点的变形趋势与数值模拟基本一致，其竖向变形值略大于数值模拟结果，现场监测所得最大地表竖向变形为3.1mm，相较于数值模拟结果增加了0.13mm。究其原因主要是数值模拟时对工况进行了一定程度的简化。

各桥墩竖向位移监测结果如图5所示，由图5可知，现场监测所得桥墩竖向变形趋势与数值模拟结果基本一致，现场监测所得211#～213#桥墩的最大竖向变形值分别为2.6mm、3.2mm、2.1mm。212#和211#、213#桥墩的最大差异沉降分别为1.1mm和1.5mm，其值略大于数值模拟结果，但依然在安全标准范围内，因此可认为隔离墙防护措施得当。桥墩监测过程中，局部位置出现竖向变形的回弹现象，究其原因可能是隧道盾构施工期间进行了二次注浆造成的。数值模拟与现场监测结果高度吻合，可认为数值模拟参数取值及仿真过程合理，其结果具有一定的参考价值，可为类似工程提供一定的借鉴和参考。

4结语

为研究下穿隧道盾构施工对既有铁路桥梁变形的影响，本文依托某实际隧道工程，采用FLAC3D软件建立了相应的隧道下穿既有铁路桥梁的三维模型，模拟了在不设置和设置隔离墙的情况下，隧道盾构施工的全过程，对地表、桥墩以及桥梁桩基的变形进行分析，并通过现场监测试验进行验证，得到如下结论：

（1）地表监测点竖向位移表现为沉降，无论是否设置隔离墙，均呈“W”型分布，左右线隧道正上方地表竖向位移值最大，设置隔离墙可有效减少地表监测点的竖向位移值；

（2）桥墩竖向位移表现为沉降，当隧道盾构开挖面较远时，其增长速率较慢，随着隧道开挖面的不断靠近，桥墩竖向位移增长加快，开挖面通过桥墩后再次远离时，桥墩竖向变形逐渐趋于稳定；

（3）隔离墙的存在可有效分担隧道盾构施工产生的侧向土压力和摩擦力，控制铁路桥梁墩台和桩基的变形，使得桥梁墩台竖向位移及相邻墩台差异沉降均能满足安全控制标准；

（4）现场监测试验所得地表监测点及桥梁墩台的变形规律与数值模拟基本一致，现场监测结果略大于数值模拟结果，主要是因为数值模拟过程进行了一定程度的简化。

参考文献：

［1］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.

［2］耿大新，谭成，王宁.盾构隧道下穿对既有高铁桥梁的影响及其加固方案［J］.城市轨道交通研究，2023，26（8）：30-35.

［3］周智.地铁盾构隧道下穿既有高铁桥数值模拟及实测施工影响分析［J］.城市轨道交通研究，2023，26（5）：140-144，150.

［4］蒋小锐，黄杰，李楠.城际铁路明挖隧道下穿既有高铁施工控制技术及标准探讨［J］.铁道标准设计，2020，64（6）：104-111.

［5］赵江涛，牛晓凯，崔晓青，等.盾构隧道下穿既有桥梁精细化施工控制［J］.铁道建筑，2017，57（10）：63-66，77.

［6］陈聪，蹇蕴奇，鲁茜茜，等.盾构隧道下穿既有铁路桥梁桩基的加固措施［J］.铁道建筑，2019，59（3）：60-63.

作者简介：杨生明（1989—），讲师，主要从事铁道工程施工与维护相关工作。

收稿日期：2024-05-06