盾构隧道下穿施工对高速桥梁影响分析

鲁桂强

41152619891010**** ，湖北 武汉 430000

摘要：盾构隧道施工会周围土体产生扰动^[1]，引起土体变形，影响周边建构筑物。以地铁盾构隧道穿越既有高速桥梁为依托，结合有限元分析软件MIDAS探讨盾构隧道施工对高速桥桩的影响。分析结果表明，采用盾构隧道施工对桥梁的影响较小，桥梁变形满足相关规范要求。

关键词：盾构隧道、桥梁、变形、影响分析

1概述

近年来，随着城市化进程的加快，城市轨道交通发展迅速，地铁以其运量大、速度快、安全可靠、准时舒适等优点成为了城市公共交通系统的重要组成部分。但是随着城市建设的发展，不可避免的出现了一些地铁隧道与既有桥梁相互交叉的情况。盾构隧道穿越施工产生地层损失，造成地表沉降，对周边土体产生扰动，引起周边土体变形，对既有桥梁基础产生影响，进而使桥梁结构产生变形，因此本文以某地铁7号线工程盾构隧道下穿既有高速桥梁为研究对象，通过理论公式计算及三维数值分析研究盾构隧道穿越施工对既有桥梁结构变形影响，为后续盾构隧道穿越既有桥梁及类似工程的设计提供参考。

2 工程背景

某市地铁7号线工程（设计最高时速为80km/h）盾构隧道下穿既有连霍高速桥梁，区间隧道采用盾构法施工，衬砌外径6200mm，内径5500mm，衬砌环宽度1500mm，厚度350mm，均采用钢筋混凝土制作。穿越桥梁上部结构采用预应力（后张）连续箱梁，下部结构采用柱式墩，墩台采用桩基。

区间先后两次穿越高速匝道桥梁，本文选取最不利工况穿越I匝道桥作为研究对象，左线隧道从高速I匝道桥1#～2#桥墩间穿过，右线隧道从高速I匝道桥2#～3#桥墩间穿过。下穿处隧道距高速I匝道桥桥桩最小水平净距约5.75m，隧道埋深约21.30m。地铁隧道与高速桥梁位置关系如图2-1~2。

图2-1 盾构隧道与高速I匝道桥梁平面位置关系图

图2-2 盾构隧道与I匝道桥梁剖面位置关系图

3 盾构隧道下穿连霍高速桥梁数值模拟分析

本次计算采用MIDAS-GTS有限元计算软件对盾构隧道穿越高速桥梁进行施工工况的三维模拟进行分析。

3.1 参数选取

考虑盾构通过过程中对5倍洞径以外的土体基本无影响，即5倍洞径以外的土体基本无变形。以此确定各模型尺寸，同时，考虑此范围外的土体无变形，故限制选取模型各面垂直面方向的位移。

假设围岩为理想弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb 屈服准则，围岩单元类型全部采用8 节点六面体三维实体单元和4 节点四面体三维实体单元。

围岩均采用实体单元模拟，计算中赋予弹塑性材料的属性。盾构隧道管片采用板结构单元模拟，桩基采用桩单元模拟。洞内常规注浆加固范围为管片外四周0.2m，加固后土体无侧限抗压强度0.8MPa，弹性模量70MPa，黏聚力取40KPa，内摩擦角取40°，容重20kN，泊松比0.3^[2]。

取下表土层参数作为数值计算模型的土层参数：

表3-1 模型计算参数

土层	名称	重度（KN/m3）	粘聚力 （Kpa）	内摩擦角 （°）	压缩模量（Mpa）	泊松比
①1	杂填土	18	5	5	3.2	0.3
②31	黏质粉土	19.1	12.8	23.9	6.6	0.3
②32	黏质粉土	19.1	13	22	8.3	0.3
②22	粉质黏土	18.8	22	11.5	5.2	0.3
②33	黏质粉土	19.6	14	21.5	9.9	0.3
②23	粉质黏土	19.0	9	21	5.9	0.3
②42	粉砂	20	3	28	16.5	0.3
②51	细砂	20	0	32	24.0	0.3
③21	粉质黏土	19.5	25.5	16	9.5	0.3
③31	黏质粉土	19.8	12	23	11.3	0.3

3.2 工况模拟

根据工程的施工顺序，计算时按左右线施工时序，采用全断面开挖：

3.3 盾构下穿高速高架桥桥桩模型

图3-1给出了盾构下穿连霍高速I匝道桥三维模型，（160X60X60）（长×宽×高,单位：m），除考虑盾构隧道两侧三个桥墩（1#、2#、3#）外，两侧各向外扩一个桥墩（0#、4#），共五个桥墩。具体模型详见图3-1。

图3-1 盾构下穿连霍高速桥梁三维数值模型

3.4 数值计算结果分析

在数值模拟中，提取桥墩顶部中心点处位移，具体结果详见图3-2~5。

图3-2 左线隧道贯通后I匝道桥桥墩水平位移云图

图3-3 左线隧道贯通后I匝道桥桥墩竖向位移云图

图3-4 双线隧道贯通后I匝道桥桥墩水平位移云图

图3-5 双线隧道贯通后I匝道桥桥墩竖向位移云图

通过计算分析可知，当左线隧道贯通时，地面最大沉降为-4.1mm；连霍高速I匝道桥桥墩最大水平位移为-1.2mmm，最大竖向位移为-2.1m，差异沉降最大值为1.7mm；当双线隧道贯通时，地面最大沉降为-4.6mm；桥墩最大水平位移为-1.7mmm，最大竖向位移为-3.0m，差异沉降最大值为1.8mm。

4结论

通过上述研究得到以下结论：

1. 盾构隧道施工扰动地层，使桥梁桥墩产生以沉降为主的变形，沉降变形最大的是左右线隧道中间的桥墩，桥梁位移均在控制标准以内。

2）在不采取加固措施通过合理控制盾构掘进参数，及时同步注浆，盾构隧道施工可以安全侧穿连霍高速桥。

参考文献：

[1].徐日庆，王涛，齐静静.盾构施工引起的土体损失对邻近桩基的影响中国土木工程学会第十届土力学及岩土工程学术会议

[2].朱颖，杨晓燕.密实粉土地层中盾构隧道下穿铁路的影响分析及风险控制研究［J］． 城市建设理论研究（电子版）