地铁隧道下穿客运专线桥梁稳定性分析

何怀峰，耿 招

(1北京岩土工程勘察院有限公司，北京100022；2中国地质大学〈北京〉，北京100083)

随着城市规模和人口密度的逐渐增大，各大城市建设轨道交通的需求也日益增长。盾构法为目前修建地铁隧道的主流施工方法，由于线路走向的限制，在施工中难免出现盾构隧道穿越既有桥梁的情况。盾构的掘进会改变周围土体的应力状态，对土体造成扰动，从而引起桥梁桩基内力和位移的变化。对铁路桥梁而言，还会引起桥上轨道变形，导致轨道不平顺，加大轮轨之间的作用力，加速轨道结构破坏，严重时还会影响到铁路的运营安全[1-3]。因此，科学、合理地评价地铁隧道施工对铁路桥梁的影响尤为重要。

对于地铁隧道施工对邻近桥梁的影响，国内外学者进行了大量的研究，并取得了一定的成果。研究方法主要有理论分析、数值模拟、模型试验等，研究结论较为统一，隧道的施工会引起桥梁桩基产生一定的沉降与侧移，且桥梁变形规律与隧道围岩变形保持高度的相关性[4-8]。但由于场地工程地质条件和实际施工技术的差异，仍然需要对特定工程进行施工风险分析。对此，本文将以郑州地铁1号线某区间隧道下穿郑西客运专线桥梁为工程依托，研究分析地铁隧道施工对既有客运专线桥梁变形规律的影响，为实际施工提供合理建议。

1 工程概况

郑州地铁1号线某区间隧道在里程K6+655～K6+675段穿越郑西客运专线特大桥（图1），桥梁上部结构为简支梁，桥跨32.6m，基础采用10∅100mm的钻孔桩，桩长48m。区间隧道采用盾构法施工，隧道间距31m，埋深15.6m，断面直径6m。场地岩性主要为第四系杂填土、冲积层粘质粉土、冲洪积层粘质粉土、坡洪积层粉质粘土、粘质粉土。

图1 隧道平面图

2 计算模型及参数

根据场地实际工程地质条件建立三维数值模型，采用FLAC 3D对隧道的施工过程进行动态数值模拟。如图2所示，计算模型的三维尺寸为93m×60m×50m，共划分了52416个单元，29767个节点。计算模型左、右边界x=0m和x=93m仅约束边界面法向位移；前、后边界y=0m和y=60m仅约束边界面法向位移；模型底部z=0m采用固定约束；地表设定为自由面。

图2 模型整体示意图

数值计算中考虑土体的分层，对于含水层以下的土体采用饱和密度计算，从而不考虑孔隙水的影响。土体和混凝土均采用Mohr-Coulomb本构模型，盾构管片采用shell单元模拟，桥桩采用pile单元模拟。根据地勘报告详细计算参数如表1和表2所示。

3 模拟计算结果

3.1 隧道围岩变形

图3为隧道开挖完成后的围岩竖向和水平变形云图，可以看出：隧道施工过程中主要沉降区域分布在地表下部一定范围内的拱顶围岩中，隧道底部产生小幅度回弹隆起，水平变形影响范围大约为1倍洞径。开挖完成后洞室拱顶围岩最大沉降值为22.8mm，拱底围岩最大隆起量为3.5mm；侧壁围岩最大水平收敛11.2mm，且具有明显的对称性。

表1 岩土计算参数

表2 钻孔桩参数

3.2 既有桥梁变形

图4为隧道开挖完成后的地表和桥墩承台沉降云图，从图4中可以看出，沉降变形具有明显的三维效应，地表沉降主要发生在隧道穿越的正上方，最大沉降值为8.4mm，沿隧道两侧方向，沉降值逐渐减小。由于隧道开挖的连拱效应，两隧道中间的桥墩（60#）沉降值大于其他2个桥墩（59#、61#）的沉降值。

图5为隧道开挖完成后桥墩承台基础的沉降值监测曲线，从图5中可以看出，59#、60#和61#桥墩的最大沉降值分别为22mm、4.5mm、3.2mm。桥梁产生了一定的不均匀变形，最大沉降差造成的折角为：

图3 围岩变形云图

沉降差满足《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)限定的折角要求。实际施工中，应加强桥梁关键部位的变形监测，与铁路运营部门保持联系，必要时调整轨道标高，确保铁路运营和施工安全。

图4 地面沉降云图

4 结论

根据场地工程地质条件，建立了三维数值模型，通过FLAC 3D对地铁隧道下穿既有铁路桥梁的施工过程进行了模拟计算，分析了地铁隧道围岩变形和既有桥梁的变形规律，得到以下结论：①围岩竖向变形主要集中在隧道拱顶和拱底，水平变形主要分布在隧道两侧，影响范围约1倍洞径；②地表沉降主要分布在隧道正上方，且由于桥桩的支护作用，桥墩附近地表沉降相对较小；③隧道开挖过程中，既有铁路桥梁产生了不均匀沉降，两隧道中间的桥墩沉降值较大，桥墩沉降造成的最大沉降差满足相关规范要求；④实际施工中应加强关键部位的变形监测，与铁路运营部门保持联系，确保铁路运营和施工安全。

图5 桥墩沉降监测曲线