地铁盾构区间临近市政桥梁施工安全影响分析

地铁盾构区间临近市政桥梁施工安全影响分析

王梓晗

沈阳地铁集团有限公司，辽宁 沈阳 110011

摘要 地铁盾构区间近距离穿越运营的市政桥梁施工风险极高，为确保施工安全，以沈阳地铁某盾构区间穿越市政桥梁为例，通过理论分析和三维有限元模拟计算，对盾构区间临近市政桥梁施工安全进行分析，预测了隧道开挖过程中结构的变形趋势，结果表明在采用全断面洞内径向深孔注浆加固措施后，盾构隧道穿越过程中，地表最大沉降为5.92mm，桥梁墩台的最大竖向沉降为5.82mm，倾斜率为0.17‰，均满足变形控制指标的要求。

关键词 盾构区间 市政桥梁 安全风险 沉降 倾斜率

0 引言

近年来，随着城市化进程的加快和国民经济水平的提高，城市人口规模越来越大，城镇基础设施建设得到了迅猛发展，这对公共交通的发展提出了更高的要求。而为了缓解公共交通压力，最大化节约地面土地资源，充分利用地下空间，城市轨道交通得到了快速发展。在城市轨道交通建设过程中，区间隧道通常会穿越市政道路桥梁等敏感建筑物，施工过程中对既有桥梁结构的安全运营带来了极大的安全隐患，由此造成的安全事故屡见不鲜，因此，开展临近市政桥梁的隧道施工安全影响分析是非常必要的。

本文以沈阳地铁某盾构区间穿越市政桥梁为施工案例，通过理论分析和三维有限元模拟计算，对盾构区间临近市政桥梁施工安全进行分析，预测了隧道开挖过程中结构的变形趋势，为工程施工过程中隧道加固措施的选择提供了依据，同时也为类似条件下隧道穿越市政桥梁工程提供一定的参考。

1 工程概况

1.1 区间概况

图1 盾构区间断面形式

本盾构区间隧道采用平板型单层预制钢筋混凝土管片，管片外径6200mm，内径5500mm，宽度为1200mm，厚350mm。环向分6块，即3块标准块，2块邻接块和1块封顶块，环与环之间采用错缝拼装。下穿桥梁段区间主要穿越中粗砂和砾砂，局部夹杂粉质黏土，区间覆土最浅约18m。盾构断面形式如图1所示。

1.2 桥梁概况

桥梁上部结构采用预制钢筋混凝土斜空心板，桥墩墩厚70cm，顶端设置钢筋混凝土盖梁，桥台采用埋置式桥台，用直径为1000mm的桩直接与台帽相接。桥台锥坡坡度1:1.5，采用30cm厚M7.5水泥砂浆砌片石，下铺10cm厚度砂垫层，与地道桥引道的挡土墙相接。

图2 盾构区间与桥梁相对位置关系图

区间左、右线近似正交穿越桥梁，隧道位于桥墩下方，墩台底部与隧道顶竖向最小净距约16.4m，穿越段左右线线间距约4.8m，剖面相对位置关系如图2所示。

2 变形机理及变形控制标准

2.1 变形机理分析

区间隧道采用盾构法施工，盾构机掘进期间，一方面，由于盾构机外壳与土体、管片与土体存在间隙，以及注浆的不及时和浆液自身的收缩，导致土体产生地层损失，引起地层产生沉降；另一方面，盾构机对掌子面的预压力和土层的水土压力不一致，引起相应土体受拉、受压，出现沉降或隆起；同时，施工扰动、渗漏水、盾构机低头和抬头、超挖等亦引起地层的沉降或隆起，上述情况将不同程度的引起土体的隆起或沉降，从而引起桥梁墩台隆起或沉降。

2.2 变形控制标准

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）、《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）等相关规范规定，同时结合既有施工经验，市政桥梁变形控制指标如下表1所示。

表1 主要变形控制指标

3 数值模拟分析

3.1 模型条件

图3 整体模型网格示意图

为减小边界约束对计算结果的影响，各方向取值范围应不小于3~5D（D为盾构隧道直径），同时考虑桥梁的影响，本模型横向取值100m，竖向取值50m；桥长24m，为减少盾构掘进过程中对既有桥梁的不利影响，采用全断面洞内径向深孔注浆加固措施，加固圈厚度为3m，注浆加固区在桥长范围外各延长9m，则总注浆长度为42m，同时考虑到纵向边界的影响，隧道总长取90m，共75环。为尽可能模拟实际情况，模型中各部分均采用实体单元建模，网格模型见图3。区间隧道与桥梁结构相对空间关系见图4。模型除地表为自由表面外其它均为法向约束。

图4 区间隧道与桥梁结构的相对位置关系

3.2 计算参数

根据地勘资料，数值模型中的地层划分及土体力学参数取值见表2。

表2 土层力学参数

盾构管片、桥梁结构、注浆材料参数如表3所示：

表3 盾构管片、桥梁结构、注浆材料参数

3.3 模拟施工步序

a. 初始地应力平衡，位移清零；

b. 盾构隧道左线开挖，开挖进尺为1.2m（即一环管片宽度）；

c. 及时施做对应段管片，并完成深孔注浆加固；

d. 依次重复b ~ c步工序，直至左线隧道贯通；

e. 盾构调头，从另一侧开挖隧道右线，开挖进尺为1.2m；

f. 及时施做对应段管片，并完成深孔注浆加固；

g. 依此重复e ~ f步工序，直至右线隧道贯通。

3.4 计算结果分析

（1）地表沉降

地层模型的最终沉降云图，见图5。取Y=45m断面上地表各节点沉降值作出地表横向沉降曲线见图6。

图5 整体沉降云图

图6 地表沉降曲线

由图6可见：开挖结束后，在横向范围上，地表沉降槽为倒正态分布形状，地表沉降呈现两侧小，中间大的趋势，两条隧道轴线中垂线上方地表沉降最大，最大沉降值为5.92mm。

（2）桥梁变形分析

桥梁的竖向位移云图，见图7。最大沉降点（图7（b）中A点）的沉降历程曲线见图8。由图8可看出，随着隧道的开挖，桥的沉降值逐渐增大，左右线隧道开挖时的沉降趋势一致，左右线隧道开挖结束时的桥墩底部沉降分别为2.76mm和5.82mm。

取桥桥面板上最大沉降点（图7（b）中B点）与最小沉降点（图7（b）中C点）作横向差异沉降历程曲线，见图9（a）。由图可看出，其趋势与沉降趋势一致，随着隧道的开挖，桥横向的差异沉降值逐渐增大，左右线隧道开挖结束时的差异沉降分别为2.45mm和5.51mm，最大倾斜率为0.17‰。

取桥右侧桥墩前侧与后侧两点作纵向桥墩差异沉降历程曲线，见图9（b）。由图可看出，随着每条隧道的开挖，桥纵向的差异沉降值先增大后减小，隧道开挖到一半时，其值最大；隧道贯通后，其值基本降为零。左线隧道开挖时的最大差异沉降值为1.79mm，右线隧道开挖时的最大差异沉降值为1.91mm，最大倾斜率为0.080‰。

（a）左线贯通

（b）右线贯通

图7 桥竖向位移云图

图8 桥沉降历程曲线

（a） 横向差异沉降历程曲线

（b）纵向差异沉降历程曲线

图9 桥差异沉降历程曲线

3.5 计算结果汇总

隧道开挖引起桥最终沉降及最大倾斜率结果汇总如表4所示：

表4 区间隧道下穿桥数值计算结果汇总

从表4可以看出，经计算，隧道开挖过程中风险工程各项变形指标均在控制标准之内。

4 结论

本文以沈阳地铁盾构区间穿越市政桥梁为例，对区间临近市政桥梁施工安全进行分析，预测了隧道开挖过程中结构的变形趋势，主要得出了以下结论：

（1）盾构区间穿越过程中，地表沉降槽呈倒正态分布形状，地表沉降呈现两侧小，中间大的趋势，最大沉降值满足变形控制要求。

（2）在采用全断面洞内径向深孔注浆加固措施后，隧道穿越过程中，桥梁墩台的绝对沉降和倾斜率均在控制标准范围内，说明全断面深孔注浆加固对控制桥梁变形作用较为明显。

（3）建议施工单位加强监控量测，做到信息化施工。通过对桥梁墩台等的监控量测，及时反馈信息，采取措施优化盾构施工参数。

参考文献

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