摘要：基于某新建地鐵區(qū)間隧道盾構下穿國道高架橋的工程背景，通過三維數(shù)值模擬，分析了高架橋在地鐵區(qū)間隧道盾構下穿過程中的變形和內(nèi)力，并評估了其對國道高架橋的影響。研究結果表明：在盾構下穿過程中，橋梁墩臺及樁基最大豎向變形0.4 mm，最大水平位移2.3 mm。相鄰橋梁墩臺之間縱向差異沉降控制值0.21 mm，橫向差異沉降控制值0.19 mm，均小于對應的控制值。同時，橋梁樁基軸力和順橋向彎矩小幅增加，但均在橋梁設計預留的安全范圍內(nèi)。因此可以得出結論：該地鐵期間隧道盾構下穿具備可實施性。

關鍵詞：高架橋；區(qū)間隧道；內(nèi)力變形；地鐵

中圖分類號：U455.43"""" """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""" """"""""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：

Analysis of the Impact of Subway Section Tunnels Under Crossing National Highway Viaduct

LU Xisheng

（Guangzhou Metro Design amp; Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510000，China ）

Abstract： Based on the engineering background of a newly built subway tunnel under the national highway viaduct， the deformation and internal forces of the viaduct during the shield tunneling process of the subway tunnel were analyzed through three-dimensional numerical simulation， and its impact on the national highway viaduct was evaluated. The research results indicate that during the process of shield tunneling， the maximum vertical deformation of bridge piers and pile foundations is 0.4 mm， and the maximum horizontal displacement is 2.3 mm. The longitudinal differential settlement control value between adjacent bridge piers and abutments is 0.21 mm， and the transverse differential settlement control value is 0.19 mm， both of which are smaller than the corresponding control values. At the same time， the axial force of the bridge pile foundation and the bending moment along the bridge direction increased slightly， but both were within the safety range reserved in the bridge design. Therefore， it can be concluded that the tunnel shield tunneling under the subway during this period is feasiblem.

Keywords：viaduct;section tunnels;internal force distortion;subway

0 引言

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，地鐵網(wǎng)絡呈現(xiàn)從城市中心向邊緣延伸的放射狀格局，地鐵區(qū)間隧道頻繁穿越高速公路、國道及快速路等高架結構。高架橋對于變形非常敏感，其控制要求較高。當?shù)罔F隧道盾構進行下穿作業(yè)時，會導致高架橋發(fā)生變形并引起內(nèi)力的變化。通過精確的模擬計算和分析盾構下穿對高架橋的影響，可為實際施工提供專業(yè)依據(jù)，并在此基礎上進行合理優(yōu)化措施以減小對高架橋的影響[1-5]?；诮K省蘇州市新建區(qū)間盾構下穿國道高架的工程案例，本文采用midas GTS對盾構區(qū)間下穿國道高架過程中及施工后高架的內(nèi)力變形[5]化進行數(shù)值模擬，通過對比建模分析結果和控制指標，評估區(qū)間盾構下穿對道路正常運營的影響，并與實際施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，在分析結果基礎上探索減小盾構下穿對高架影響的優(yōu)化措施。

1 工程背景

該國道采用高架形式東西向敷設，地鐵區(qū)間以地下形式由南向北延伸，二者呈近90°夾角交叉。地鐵區(qū)間采用盾構法進行高架下穿，其中穿越段盾構掘進長度約為80 m。下穿段高架橋梁包括左右幅主橋和左側匝道橋，左右幅主橋寬度為16 m，各設有3車道；匝道橋寬度為9 m。上部結構采用裝配式預制小箱梁，下部結構采用樁柱式橋墩。蓋梁高度為1.6 m，墩柱由兩個尺寸為1.3 m×1.5 m的方柱組成，柱間距9 m?；A采用鉆孔灌注樁，直徑為1.8 m，長度為58 m。墩柱和樁基通過2.5 m×2.5m的承臺連接，并設置了尺寸為1.3 m×1.5 m的系梁。盾構隧道距高架左幅橋橋樁最小水平凈距分別約8.6 m和8.4 m；盾構隧道距高架右幅橋橋樁最小水平凈距分別約7.7 m和9.0 m；盾構隧道距高架匝道橋樁最小水平凈距分別約8.1 m和8.6 m。新建地鐵區(qū)間隧道與國道高架關系如圖1所示。

2 影響機理

盾構施工會引起一定范圍內(nèi)的土體位移和變形。對于受影響的地表建筑物，由于地基土體的變形，其外力條件和支承狀態(tài)發(fā)生變化。而外力條件的變化也會導致既有建筑物發(fā)生沉降、傾斜、斷面變形等現(xiàn)象。因此，鄰近建筑物的變形本質(zhì)上是由地層變形而引起的。地表變形是由盾構法施工引起隧道周圍土體的松動和沉陷，其直觀表現(xiàn)為沉降或隆起。

盾構施工引起地層變形的分布模塊是三維的，隨著盾構推進，隧道上方地表的沉降量逐漸增加，沉降區(qū)域的寬度也日趨擴展，如圖2所示。

盾構推進引起的地面縱向沉降變化規(guī)律可分為先行沉降、掌子面前的沉降與隆起、尾部沉降、尾部空隙沉降和長期延續(xù)沉降共五個階段。

3 數(shù)值分析模型建立

3.1 計算模型

對于已運營橋梁而言，其基礎的沉降和不均勻沉降是直觀反映橋梁樁基承載力及上部結構附加應力變化的重要性指標，根據(jù)擬建地鐵盾構隧道和國道高架之間的相對關系，并結合地質(zhì)資料等建立了三維仿真計算模型，用來模擬盾構開挖掘進過程。通過研究盾構隧道下穿施工對國道高架的沉降和變形影響，從而判定工程實施的可行性。

選取大型通用有限元軟件midas GTS作為計算平臺，考慮場地內(nèi)巖土特性，并采用修正摩爾-庫倫模型分析地基各土層；由于盾構隧道襯砌具有較高的剛度，因此可以假設認為這些結構仍處于彈性狀態(tài)，數(shù)值模擬中采用彈性模型來模擬其變形和受力特征。

根據(jù)盾構區(qū)間與國道高架的平縱關系，對盾構隧道、樁基承臺、地層等認真分析，把握各要素的特點，按實際情況，1：1建立幾何模型。

有限元計算模型的范圍確定為180 m×120 m×70 m（X×Y×Z），其中，模型上表面邊界取自地表（地表高差變化較小，簡化為水平面），Y方向邊界取國道高架以外約50 m處，下表面邊界取自隧道底部以下約50 m處，盾構隧道下穿國道高架處橋跨及東側一跨為25 m，其余國道高架橋跨均為30 m，三維計算模型如圖3所示

3.2 計算參數(shù)

根據(jù)巖土工程詳細勘察報告，擬建場地土體物理力學參數(shù)見表1。

根據(jù)各項結構構件的材料，同時考慮鋼筋和混凝土對材料的影響，參考有關文獻，鋼筋混凝土構件的材料物理力學參數(shù)按表2取值。

3.3 數(shù)值模擬過程

地鐵隧道盾構施工過程中，盾構機一邊控制開挖面及周圍土體的坍塌失穩(wěn)，同時進行隧道掘進和出渣，并在機內(nèi)拼裝管片形成襯砌及實施壁后注漿，在土體中逐步向前推進。然而，由于有限元法無法完全模擬盾構的連續(xù)推進過程，因此需要進行一定程度的簡化。

本次模擬分析中，將盾構推進作為一個非連續(xù)的過程來研究。假設盾構機以逐步跳躍式向前推進，每次向前推進的長度為N個襯砌單元環(huán)寬度（1.2 m）。在盾構機尾部一次性完成襯砌拼裝，并對盾構機和管片襯砌之間的超挖部分進行同步注漿。此外，在掌子面上施加均布土壓力，大小為原始地層隧道中心位置的側向靜止土壓力值。在盾構機內(nèi)土體開挖過程中，采用有限元軟件MIDAS/GTS提供的單元“鈍化”功能進行模擬。在模擬同步注漿時，首先激活超挖部分土體，并將該部分土體單元參數(shù)修改為注漿材料的屬性。

4 數(shù)值模擬結果分析

4.1 土體變形

盾構隧道開挖對地層造成擾動，引起上方地表及鄰近國道高架橋梁的位移和變形。有限元計算結果顯示，盾構隧道拱頂土體最大沉降值約為6.6 mm，地面土體最大沉降值約為3.4 mm，如圖4所示。

從圖5中可以看出，數(shù)值計算結果得到的地表沉降槽區(qū)間呈拋物線形狀，相比基于Peck公式的理論計算結果[1]，數(shù)值計算結果得到的最大沉降、施工影響范圍相對較小。根據(jù)相關研究，基于經(jīng)驗擬合的Peck公式計算結果相較實測值大，可見數(shù)值計算結果較為貼合實際。

4.2 橋梁變形

盾構下穿施工引起鄰近國道高架橋梁變形的影響如圖6～圖8所示，距離盾構隧道較近的橋墩及樁基變形相對較大，其余橋墩變形基本可忽略不計。

從圖6～圖8中可以看出，盾構隧道下穿施工引起國道高架最大順橋向水平位移為2.27 mm，最大橫橋向水平位移為0.23 mm，最大豎向位移為0.5 mm。此外盾構下穿的左幅橋橋墩橫向差異沉降較小，下穿的匝道高架橋橋墩橫向差異較大為0.09 mm，下穿的右幅橋橋墩縱向差異沉降最大為0.21 mm。

4.3 樁基內(nèi)力

盾構下穿施工前后，橋梁樁基內(nèi)力變化如圖9～圖11所示。

從圖9～圖11中可以看出，盾構施工后，會引起橋梁樁基產(chǎn)生向下的負摩阻力，樁基最大軸力由2 842 kN增長為2 869 kN，增幅約0.9%，可滿足樁基承載力要求；樁基順橋向最大負彎矩由-661 kN·m增長為-727 kN·m，增幅約10%，最大正彎矩由557 kN·m增長為602 kN·m，增幅約8.1%；樁基橫橋向最大負彎矩由-344 kN·m增長為-353 kN·m，增幅約2.6%，最大正彎矩由301 kN·m增長為310 kN·m，增幅約3%；樁基橫橋向彎矩影響較小。

5 結論及建議

本文以江蘇省蘇州市地鐵區(qū)間隧道下穿國道高架橋為例，采用有限分析軟件midas GTS對盾構下穿高架橋過程進行模擬，研究了盾構下穿施工對高架橋的影響。根據(jù)數(shù)值仿真計算結果，盾構隧道下穿施工引起的國道高架橋的變形和位移、內(nèi)力變化情況如下。

1） 橋梁墩臺及樁基最大豎向變形0.4 mmlt;控制值5 mm，滿足要求。

2） 橋梁墩臺及樁基最大水平位移2.3 mmlt;控制值5 mm，滿足要求。

3） 縱向相鄰橋梁墩臺間差異沉降控制值0.21 mmlt;控制值2 mm，橫向相鄰橋梁墩臺間差異沉降控制值0.19 mmlt;控制值1 mm。

4） 橋梁樁基軸力、順橋向彎矩出現(xiàn)一定程度的增加，但增長幅度較小，仍在設計預留的安全范圍內(nèi)。

5） 經(jīng)數(shù)值模擬過程表明，高架橋沉降主要發(fā)生在盾構下穿過程中及下穿后一周內(nèi)，占總沉降的比例為81%～88%；根據(jù)相似工程案例的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在實際盾構下穿高架橋工況中，主要沉降也發(fā)生在該時間段內(nèi)，因此數(shù)值模擬結果與實際情況較為接近。

根據(jù)以上分析結果，區(qū)間盾構下穿施工對國道高架橋影響在安全控制范圍內(nèi)，不影響其正常使用要求，盾構下穿具備可實施性。盾構下穿過程中至下穿后一周內(nèi)應加密施工監(jiān)測頻次。另外國道高架順橋向水平位移較大，建議在高架橋樁基東、西兩側預埋注漿管，施工過程中加強橋墩和地表監(jiān)測，監(jiān)測值超過預警值時及時通過預埋注漿管注漿加固。

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編輯：劉 巖

收稿日期：2024-07-11

作者簡介：盧喜勝（1991～），男，江西省贛州市人，工程師，碩士，主要從事地鐵結構設計研究工作。