■ 昆明軌道交通集團(tuán)有限公司 成俊 曹勇 劉飛

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)和地鐵建設(shè)的高速發(fā)展，橋梁穿越既有地鐵線路的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。由于新建工程易對(duì)地層形成再次擾動(dòng)，勢(shì)必會(huì)引起既有地鐵結(jié)構(gòu)周邊應(yīng)力的重分布，導(dǎo)致既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的變形。因此，掌握跨線橋施工和運(yùn)營過程中地鐵結(jié)構(gòu)的變形和受力規(guī)律，對(duì)保障地鐵運(yùn)營安全具有重要的意義。

馮龍飛等[1]采用三維模型分析了近距離橋梁施工和通車階段對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響；蘭憲鋼[2]采用有限元模型分析了典型跨度承臺(tái)梁的施工及使用階段的受力，并提出了保證結(jié)構(gòu)安全的設(shè)計(jì)及施工措施；呂寶偉[3]通過數(shù)值模擬防范分析了橋梁樁基施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的影響，并用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了論證；閆靜雅等[4]采用有限元方法對(duì)隧道剛度、樁長以及樁隧凈距等單因素敏感性進(jìn)行了分析，得出群樁對(duì)已建隧道變形和彎矩的影響規(guī)律；徐亞光等[5]以跨地鐵高架橋?yàn)橐劳校治隽藰蛄夯A(chǔ)施工引起的既有隧道結(jié)構(gòu)變形，并進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算；安建勇等[6]分析了樁基施工對(duì)鄰淺埋近隧道地表沉降及應(yīng)力重分布的影響；路平等[7]通過三維有限元數(shù)值模型模擬立交橋橋墩樁基的成孔施工、運(yùn)營期樁基承擔(dān)荷載在土中產(chǎn)生的應(yīng)力擴(kuò)散對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)與軌道變形產(chǎn)生的影響。上述研究主要考慮了橋梁上跨地鐵結(jié)構(gòu)施工對(duì)既有地鐵隧道的影響，由于擬建跨線橋工程位于地鐵隧道上方，工程的施工及運(yùn)營可能對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，為分析跨線橋?qū)Φ罔F結(jié)構(gòu)帶來的不利影響及跨線橋方案跨越既有地鐵結(jié)構(gòu)的可行性，本研究將在上述研究的基礎(chǔ)上，采用Midas GTS 對(duì)工程的施工過程及其影響進(jìn)行模擬分析，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1.工程概況

該跨線橋項(xiàng)目位于昆明經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)洛羊物流片區(qū)呈東路南端，從地鐵1號(hào)線區(qū)間隧道上方跨過。全橋設(shè)計(jì)為1m～35m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋，橋梁全長41m，橋梁中心線與彩云中路前進(jìn)方向正交，橋面全寬34m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用1m ～35m 簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土多柱埋置式橋臺(tái)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)平行布置，鉆孔灌注樁樁長30m、樁徑1.5m。地鐵一號(hào)線斗南站至春融街站區(qū)間為高架至地下的過渡區(qū)間，其地下段主要穿越彩云中路及兩側(cè)的山坡。跨線橋下方設(shè)有箱型隧道、盾構(gòu)始發(fā)井及盾構(gòu)隧道，埋深1.84m ～3.51m。

圖1 項(xiàng)目與地鐵平面位置關(guān)系示意圖

跨線橋修建需要開挖箱型隧道及盾構(gòu)始發(fā)井部分上覆土。基坑開挖深度為跨線橋箱梁結(jié)構(gòu)底板下方0.3m 處。基坑底位于箱型隧道及盾構(gòu)隧道始發(fā)井結(jié)構(gòu)頂板上方約1.6m處，跨線橋橋樁距離箱型隧道結(jié)構(gòu)外邊線的最小水平距離為5.3m～10.9m，跨線橋箱梁結(jié)構(gòu)底板位于箱型隧道及盾構(gòu)始發(fā)井結(jié)構(gòu)頂板上方約1.9m 處。該項(xiàng)目場(chǎng)地平面圖見圖1。

2.動(dòng)態(tài)施工過程模擬

2.1 有限元模型的建立

圖2 三維有限元模型

根據(jù)緊鄰地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)和跨線橋的空間關(guān)系以及跨線橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工特點(diǎn)，本研究采用三維有限元軟件Midas GTS 建立三維有限元計(jì)算模型，模擬跨線橋施工和運(yùn)營，并分析緊鄰地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形情況，進(jìn)而分析呈東路跨線橋施工及運(yùn)營對(duì)緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響。模型中盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)采用殼單元，橋梁樁基、承臺(tái)、箱型隧道和土體采用實(shí)體單元，土體采用摩爾—庫倫本構(gòu)模型，樁基礎(chǔ)、箱型隧道、承臺(tái)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，三維模型見圖2。

地鐵隧道周邊地層的力學(xué)性質(zhì)對(duì)約束跨線橋施工過程地鐵結(jié)構(gòu)的受力和變形起著關(guān)鍵作用，對(duì)此，進(jìn)行三維模擬分析計(jì)算時(shí)須充分考慮本項(xiàng)目的地層分布特點(diǎn)并合理選取計(jì)算參數(shù)。模型中的地層主要根據(jù)緊鄰地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)附近的工程地質(zhì)資料以及跨線橋靠近地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)附近的工程地質(zhì)資料進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。地層自上往下依次為人工填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖和強(qiáng)風(fēng)化砂巖。各地層的計(jì)算參數(shù)取值主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和工程地質(zhì)勘察報(bào)告綜合分析確定，具體土層參數(shù)取值詳見表1。地鐵隧道以及跨線橋結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)計(jì)算參數(shù)經(jīng)綜合考慮相關(guān)因素后確定。三維有限元計(jì)算模型的邊界條件為模型底部Z 方向位移約束，模型前后面Y 方向約束，模型左右面X 方向約束。

表1 模型土層參數(shù)

2.2 施工模擬

為了分析跨線橋不同施工工序和正常運(yùn)營條件下對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，此次計(jì)算分析中將按照表2中的幾個(gè)步驟進(jìn)行：

表2 模擬施工工序

3.結(jié)果分析

3.1 計(jì)算結(jié)果分析

表3為呈東路跨線橋施工和運(yùn)營條件下地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的計(jì)算位移，表4為地鐵箱型隧道結(jié)構(gòu)的計(jì)算位移。由表3數(shù)據(jù)可知，呈東路跨線橋施工和運(yùn)營荷載誘發(fā)地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移為0.2mm、最大豎向位移為0.8mm、最大總位移為0.8mm。由表4數(shù)據(jù)可知，跨線橋施工和運(yùn)營荷載誘發(fā)地鐵箱型隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移為0.4mm、最大豎向位移為3.3mm、最大總位移為3.3mm。盾構(gòu)隧道和箱型結(jié)構(gòu)的最大水平位移和豎向位移均出現(xiàn)在開挖地鐵隧道部分上覆土及承臺(tái)基坑時(shí)，原因是基坑開挖破壞了原有土體的應(yīng)力平衡狀態(tài)和土體處于超固結(jié)狀態(tài)，使得結(jié)構(gòu)周圍土體產(chǎn)生位移，進(jìn)而引起隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移。

表3 呈東路跨線橋盾構(gòu)隧道計(jì)算位移匯總表（mm）

表4 呈東路跨線橋箱型隧道計(jì)算位移匯總表（mm）

圖3 地鐵隧道沿水平側(cè)向位移和豎向位移曲線

圖3為地鐵隧道沿水平側(cè)向位移和豎向位移曲線，由圖3可知，地鐵隧道豎向位移受跨線橋施工影響較大，水平位移受跨線橋施工影響較小；箱型隧道段受跨線橋影響較大，盾構(gòu)隧道由于距離跨線橋較遠(yuǎn)，受施工和運(yùn)營荷載影響很小。在跨線橋范圍內(nèi)，隧道水平位移先增大后減小，在橋中隧道水平位移達(dá)到最大值；隧道豎向位移隨里程增加呈增加趨勢(shì)，但總的變化量較小，為3.3mm，遠(yuǎn)小于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》 （CJJ/T202）中隧道水平豎向位移小于20mm 的控制要求。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

表5為呈東路跨線橋施工和運(yùn)營條件下地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)位移，表6為地鐵箱型隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)位移。圖4、圖5分別為不同施工工序下地鐵隧道結(jié)構(gòu)的計(jì)算位移和監(jiān)測(cè)位移變化曲線。通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)結(jié)果變形規(guī)律基本一致，但監(jiān)測(cè)結(jié)果偏大。盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果平均為計(jì)算結(jié)果的2.1倍，箱型隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果平均為計(jì)算結(jié)果的2.3倍，原因在于數(shù)值計(jì)算中采用了理想狀態(tài)假定，使計(jì)算值偏小。

表5 呈東路跨線橋盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)位移匯總表（mm）

表6 呈東路跨線橋箱型隧道監(jiān)測(cè)位移匯總表（mm）

圖4 不同施工工序下隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算位移變化曲線

圖5 不同施工工序下隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)位移變化曲線

隧道結(jié)構(gòu)位移變化曲線顯示，在即開挖地鐵隧道部分上覆土及承臺(tái)基坑時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)位移變化量最大，同時(shí)隧道的位移變形值也達(dá)到最大值，隨著后續(xù)橋樁、承臺(tái)、箱梁的施工，地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移不斷減小，在施加運(yùn)營荷載后，隧道結(jié)構(gòu)位移量趨近于0。

圖6 箱型隧道監(jiān)測(cè)總位移時(shí)程曲線

圖6為箱型隧道監(jiān)測(cè)總位移時(shí)程曲線，由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，箱型隧道位移隨開挖深度增加，位移不斷增大，在開挖完成后箱型隧道位移達(dá)到最大值，并隨后續(xù)工序的施工，隧道位移不斷減小。因此，在施工過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注土方開挖時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的位移情況，選擇合適的開挖方式，制定合理的開挖方案，并做好位移控制措施及應(yīng)急預(yù)案，防止隧道結(jié)構(gòu)因位移過大影響地鐵運(yùn)營安全。

4.結(jié)論及建議

結(jié)合呈東路跨線橋設(shè)計(jì)方案、施工工序及運(yùn)營荷載，根據(jù)數(shù)值計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析，得到的具體結(jié)論如下：

（1）在工程施工階段，開挖地鐵隧道部分上覆土及承臺(tái)基坑對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道和箱型隧道的位移和內(nèi)力的影響最大，最大計(jì)算值為3.3mm，最大監(jiān)測(cè)值為7.3mm；其他施工工序及運(yùn)營荷載對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力影響都很小。

（2）監(jiān)測(cè)結(jié)果及計(jì)算結(jié)果表明，最大位移量均滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)規(guī)范》 （CJJ/T202） 中對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形的控制要求，跨線橋設(shè)計(jì)及施工方案可行。

（3）根據(jù)施工過程中隧道位移情況，認(rèn)為在全強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖條件下，應(yīng)充分注意隧道上部土方開挖時(shí)對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的保護(hù)，制定合理的開挖方案，避免因結(jié)構(gòu)位移過大影響地鐵安全。