何懷峰，耿 招

(1北京巖土工程勘察院有限公司，北京100022；2中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京100083)

隨著城市規(guī)模和人口密度的逐漸增大，各大城市建設(shè)軌道交通的需求也日益增長(zhǎng)。盾構(gòu)法為目前修建地鐵隧道的主流施工方法，由于線路走向的限制，在施工中難免出現(xiàn)盾構(gòu)隧道穿越既有橋梁的情況。盾構(gòu)的掘進(jìn)會(huì)改變周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)土體造成擾動(dòng)，從而引起橋梁樁基內(nèi)力和位移的變化。對(duì)鐵路橋梁而言，還會(huì)引起橋上軌道變形，導(dǎo)致軌道不平順，加大輪軌之間的作用力，加速軌道結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響到鐵路的運(yùn)營(yíng)安全[1-3]。因此，科學(xué)、合理地評(píng)價(jià)地鐵隧道施工對(duì)鐵路橋梁的影響尤為重要。

對(duì)于地鐵隧道施工對(duì)鄰近橋梁的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的成果。研究方法主要有理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等，研究結(jié)論較為統(tǒng)一，隧道的施工會(huì)引起橋梁樁基產(chǎn)生一定的沉降與側(cè)移，且橋梁變形規(guī)律與隧道圍巖變形保持高度的相關(guān)性[4-8]。但由于場(chǎng)地工程地質(zhì)條件和實(shí)際施工技術(shù)的差異，仍然需要對(duì)特定工程進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)分析。對(duì)此，本文將以鄭州地鐵1號(hào)線某區(qū)間隧道下穿鄭西客運(yùn)專線橋梁為工程依托，研究分析地鐵隧道施工對(duì)既有客運(yùn)專線橋梁變形規(guī)律的影響，為實(shí)際施工提供合理建議。

1 工程概況

鄭州地鐵1號(hào)線某區(qū)間隧道在里程K6+655～K6+675段穿越鄭西客運(yùn)專線特大橋（圖1），橋梁上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支梁，橋跨32.6m，基礎(chǔ)采用10?100mm的鉆孔樁，樁長(zhǎng)48m。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道間距31m，埋深15.6m，斷面直徑6m。場(chǎng)地巖性主要為第四系雜填土、沖積層粘質(zhì)粉土、沖洪積層粘質(zhì)粉土、坡洪積層粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土。

圖1 隧道平面圖

2 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際工程地質(zhì)條件建立三維數(shù)值模型，采用FLAC 3D對(duì)隧道的施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬。如圖2所示，計(jì)算模型的三維尺寸為93m×60m×50m，共劃分了52416個(gè)單元，29767個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型左、右邊界x=0m和x=93m僅約束邊界面法向位移；前、后邊界y=0m和y=60m僅約束邊界面法向位移；模型底部z=0m采用固定約束；地表設(shè)定為自由面。

圖2 模型整體示意圖

數(shù)值計(jì)算中考慮土體的分層，對(duì)于含水層以下的土體采用飽和密度計(jì)算，從而不考慮孔隙水的影響。土體和混凝土均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，盾構(gòu)管片采用shell單元模擬，橋樁采用pile單元模擬。根據(jù)地勘報(bào)告詳細(xì)計(jì)算參數(shù)如表1和表2所示。

3 模擬計(jì)算結(jié)果

3.1 隧道圍巖變形

圖3為隧道開挖完成后的圍巖豎向和水平變形云圖，可以看出：隧道施工過程中主要沉降區(qū)域分布在地表下部一定范圍內(nèi)的拱頂圍巖中，隧道底部產(chǎn)生小幅度回彈隆起，水平變形影響范圍大約為1倍洞徑。開挖完成后洞室拱頂圍巖最大沉降值為22.8mm，拱底圍巖最大隆起量為3.5mm；側(cè)壁圍巖最大水平收斂11.2mm，且具有明顯的對(duì)稱性。

表1 巖土計(jì)算參數(shù)

表2 鉆孔樁參數(shù)

3.2 既有橋梁變形

圖4為隧道開挖完成后的地表和橋墩承臺(tái)沉降云圖，從圖4中可以看出，沉降變形具有明顯的三維效應(yīng)，地表沉降主要發(fā)生在隧道穿越的正上方，最大沉降值為8.4mm，沿隧道兩側(cè)方向，沉降值逐漸減小。由于隧道開挖的連拱效應(yīng)，兩隧道中間的橋墩（60#）沉降值大于其他2個(gè)橋墩（59#、61#）的沉降值。

圖5為隧道開挖完成后橋墩承臺(tái)基礎(chǔ)的沉降值監(jiān)測(cè)曲線，從圖5中可以看出，59#、60#和61#橋墩的最大沉降值分別為22mm、4.5mm、3.2mm。橋梁產(chǎn)生了一定的不均勻變形，最大沉降差造成的折角為：

圖3 圍巖變形云圖

沉降差滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621-2014)限定的折角要求。實(shí)際施工中，應(yīng)加強(qiáng)橋梁關(guān)鍵部位的變形監(jiān)測(cè)，與鐵路運(yùn)營(yíng)部門保持聯(lián)系，必要時(shí)調(diào)整軌道標(biāo)高，確保鐵路運(yùn)營(yíng)和施工安全。

圖4 地面沉降云圖

4 結(jié)論

根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，建立了三維數(shù)值模型，通過FLAC 3D對(duì)地鐵隧道下穿既有鐵路橋梁的施工過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了地鐵隧道圍巖變形和既有橋梁的變形規(guī)律，得到以下結(jié)論：①圍巖豎向變形主要集中在隧道拱頂和拱底，水平變形主要分布在隧道兩側(cè)，影響范圍約1倍洞徑；②地表沉降主要分布在隧道正上方，且由于橋樁的支護(hù)作用，橋墩附近地表沉降相對(duì)較小；③隧道開挖過程中，既有鐵路橋梁產(chǎn)生了不均勻沉降，兩隧道中間的橋墩沉降值較大，橋墩沉降造成的最大沉降差滿足相關(guān)規(guī)范要求；④實(shí)際施工中應(yīng)加強(qiáng)關(guān)鍵部位的變形監(jiān)測(cè)，與鐵路運(yùn)營(yíng)部門保持聯(lián)系，確保鐵路運(yùn)營(yíng)和施工安全。

圖5 橋墩沉降監(jiān)測(cè)曲線