跨线桥穿越地铁对隧道结构的影响分析

■ 昆明轨道交通集团有限公司 成俊 曹勇 刘飞

随着我国城镇化建设和地铁建设的高速发展，桥梁穿越既有地铁线路的现象时有发生。由于新建工程易对地层形成再次扰动，势必会引起既有地铁结构周边应力的重分布，导致既有地铁结构产生不同程度的变形。因此，掌握跨线桥施工和运营过程中地铁结构的变形和受力规律，对保障地铁运营安全具有重要的意义。

冯龙飞等[1]采用三维模型分析了近距离桥梁施工和通车阶段对既有地铁结构的影响；兰宪钢[2]采用有限元模型分析了典型跨度承台梁的施工及使用阶段的受力，并提出了保证结构安全的设计及施工措施；吕宝伟[3]通过数值模拟防范分析了桥梁桩基施工对隧道结构内力及位移的影响，并用现场监测结果进行了论证；闫静雅等[4]采用有限元方法对隧道刚度、桩长以及桩隧净距等单因素敏感性进行了分析，得出群桩对已建隧道变形和弯矩的影响规律；徐亚光等[5]以跨地铁高架桥为依托，分析了桥梁基础施工引起的既有隧道结构变形，并进行了数值模拟计算；安建勇等[6]分析了桩基施工对邻浅埋近隧道地表沉降及应力重分布的影响；路平等[7]通过三维有限元数值模型模拟立交桥桥墩桩基的成孔施工、运营期桩基承担荷载在土中产生的应力扩散对既有隧道结构与轨道变形产生的影响。上述研究主要考虑了桥梁上跨地铁结构施工对既有地铁隧道的影响，由于拟建跨线桥工程位于地铁隧道上方，工程的施工及运营可能对地铁结构产生不利影响，为分析跨线桥对地铁结构带来的不利影响及跨线桥方案跨越既有地铁结构的可行性，本研究将在上述研究的基础上，采用Midas GTS 对工程的施工过程及其影响进行模拟分析，并将监测结果与计算结果进行对比，为类似项目的设计和施工提供参考。

1.工程概况

该跨线桥项目位于昆明经济技术开发区洛羊物流片区呈东路南端，从地铁1号线区间隧道上方跨过。全桥设计为1m～35m装配式预应力混凝土小箱梁桥，桥梁全长41m，桥梁中心线与彩云中路前进方向正交，桥面全宽34m。桥梁上部结构采用1m ～35m 简支结构预应力混凝土小箱梁，下部结构采用钢筋混凝土多柱埋置式桥台、钻孔灌注桩基础，桥台平行布置，钻孔灌注桩桩长30m、桩径1.5m。地铁一号线斗南站至春融街站区间为高架至地下的过渡区间，其地下段主要穿越彩云中路及两侧的山坡。跨线桥下方设有箱型隧道、盾构始发井及盾构隧道，埋深1.84m ～3.51m。

图1 项目与地铁平面位置关系示意图

跨线桥修建需要开挖箱型隧道及盾构始发井部分上覆土。基坑开挖深度为跨线桥箱梁结构底板下方0.3m 处。基坑底位于箱型隧道及盾构隧道始发井结构顶板上方约1.6m处，跨线桥桥桩距离箱型隧道结构外边线的最小水平距离为5.3m～10.9m，跨线桥箱梁结构底板位于箱型隧道及盾构始发井结构顶板上方约1.9m 处。该项目场地平面图见图1。

2.动态施工过程模拟

2.1 有限元模型的建立

图2 三维有限元模型

根据紧邻地铁区间隧道结构和跨线桥的空间关系以及跨线桥结构设计及施工特点，本研究采用三维有限元软件Midas GTS 建立三维有限元计算模型，模拟跨线桥施工和运营，并分析紧邻地铁隧道结构的变形情况，进而分析呈东路跨线桥施工及运营对紧邻地铁结构可能产生的不利影响。模型中盾构隧道结构采用壳单元，桥梁桩基、承台、箱型隧道和土体采用实体单元，土体采用摩尔—库伦本构模型，桩基础、箱型隧道、承台结构采用线弹性模型，三维模型见图2。

地铁隧道周边地层的力学性质对约束跨线桥施工过程地铁结构的受力和变形起着关键作用，对此，进行三维模拟分析计算时须充分考虑本项目的地层分布特点并合理选取计算参数。模型中的地层主要根据紧邻地铁区间隧道结构附近的工程地质资料以及跨线桥靠近地铁区间隧道结构附近的工程地质资料进行合理简化。地层自上往下依次为人工填土、粉质黏土、全风化粉砂质泥岩和强风化砂岩。各地层的计算参数取值主要依据工程经验和工程地质勘察报告综合分析确定，具体土层参数取值详见表1。地铁隧道以及跨线桥结构体系的力学计算参数经综合考虑相关因素后确定。三维有限元计算模型的边界条件为模型底部Z 方向位移约束，模型前后面Y 方向约束，模型左右面X 方向约束。

表1 模型土层参数

2.2 施工模拟

为了分析跨线桥不同施工工序和正常运营条件下对地铁隧道结构的影响，此次计算分析中将按照表2中的几个步骤进行：

表2 模拟施工工序

3.结果分析

3.1 计算结果分析

表3为呈东路跨线桥施工和运营条件下地铁盾构隧道结构的计算位移，表4为地铁箱型隧道结构的计算位移。由表3数据可知，呈东路跨线桥施工和运营荷载诱发地铁盾构隧道结构的最大水平位移为0.2mm、最大竖向位移为0.8mm、最大总位移为0.8mm。由表4数据可知，跨线桥施工和运营荷载诱发地铁箱型隧道结构的最大水平位移为0.4mm、最大竖向位移为3.3mm、最大总位移为3.3mm。盾构隧道和箱型结构的最大水平位移和竖向位移均出现在开挖地铁隧道部分上覆土及承台基坑时，原因是基坑开挖破坏了原有土体的应力平衡状态和土体处于超固结状态，使得结构周围土体产生位移，进而引起隧道结构产生位移。

表3 呈东路跨线桥盾构隧道计算位移汇总表（mm）

表4 呈东路跨线桥箱型隧道计算位移汇总表（mm）

图3 地铁隧道沿水平侧向位移和竖向位移曲线

图3为地铁隧道沿水平侧向位移和竖向位移曲线，由图3可知，地铁隧道竖向位移受跨线桥施工影响较大，水平位移受跨线桥施工影响较小；箱型隧道段受跨线桥影响较大，盾构隧道由于距离跨线桥较远，受施工和运营荷载影响很小。在跨线桥范围内，隧道水平位移先增大后减小，在桥中隧道水平位移达到最大值；隧道竖向位移随里程增加呈增加趋势，但总的变化量较小，为3.3mm，远小于《城市轨道交通结构安全保护技术规范》 （CJJ/T202）中隧道水平竖向位移小于20mm 的控制要求。

3.2 监测结果分析

表5为呈东路跨线桥施工和运营条件下地铁盾构隧道结构的监测位移，表6为地铁箱型隧道结构的监测位移。图4、图5分别为不同施工工序下地铁隧道结构的计算位移和监测位移变化曲线。通过数值计算结果和监测结果的对比发现，数值模拟和监测结果变形规律基本一致，但监测结果偏大。盾构隧道监测结果平均为计算结果的2.1倍，箱型隧道监测结果平均为计算结果的2.3倍，原因在于数值计算中采用了理想状态假定，使计算值偏小。

表5 呈东路跨线桥盾构隧道监测位移汇总表（mm）

表6 呈东路跨线桥箱型隧道监测位移汇总表（mm）

图4 不同施工工序下隧道结构计算位移变化曲线

图5 不同施工工序下隧道结构监测位移变化曲线

隧道结构位移变化曲线显示，在即开挖地铁隧道部分上覆土及承台基坑时，隧道结构位移变化量最大，同时隧道的位移变形值也达到最大值，随着后续桥桩、承台、箱梁的施工，地铁隧道结构位移不断减小，在施加运营荷载后，隧道结构位移量趋近于0。

图6 箱型隧道监测总位移时程曲线

图6为箱型隧道监测总位移时程曲线，由监测结果可知，箱型隧道位移随开挖深度增加，位移不断增大，在开挖完成后箱型隧道位移达到最大值，并随后续工序的施工，隧道位移不断减小。因此，在施工过程中，应重点关注土方开挖时隧道结构的位移情况，选择合适的开挖方式，制定合理的开挖方案，并做好位移控制措施及应急预案，防止隧道结构因位移过大影响地铁运营安全。

4.结论及建议

结合呈东路跨线桥设计方案、施工工序及运营荷载，根据数值计算与监测结果及分析，得到的具体结论如下：

（1）在工程施工阶段，开挖地铁隧道部分上覆土及承台基坑对地铁盾构隧道和箱型隧道的位移和内力的影响最大，最大计算值为3.3mm，最大监测值为7.3mm；其他施工工序及运营荷载对地铁隧道结构的位移和内力影响都很小。

（2）监测结果及计算结果表明，最大位移量均满足《城市轨道交通结构安全保护规范》 （CJJ/T202） 中对地铁结构变形的控制要求，跨线桥设计及施工方案可行。

（3）根据施工过程中隧道位移情况，认为在全强风化砂质泥岩条件下，应充分注意隧道上部土方开挖时对地铁隧道结构的保护，制定合理的开挖方案，避免因结构位移过大影响地铁安全。