尚繼科，方建平，馬 亮，李國權(quán)

（1、衢州市交通設(shè)計有限公司 浙江衢州 324000；2、中鐵二院華東勘察設(shè)計有限責(zé)任公司 杭州 310004；3、成都華豐工程勘察設(shè)計有限公司杭州分公司 杭州 310000）

0 引言

隨著人們對交通舒適性與便捷性要求的不斷提高，軌道交通的覆蓋范圍越來越廣，逐漸成為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展主要的支撐性建設(shè)。截止2020 年12 月31 日，我國大陸城市中軌道交通線路達近200 條，運營總里程達到7 715 km，覆蓋了大中型城市共44個。2021年是我國“十四五規(guī)劃”的開局之年，我國城市軌道交通的建設(shè)進入新的發(fā)展階段。

地下城市軌道交通網(wǎng)隨地下空間的開發(fā)和利用而逐漸形成，當(dāng)在地面上建造建筑物時，不可避免地會引起地層應(yīng)力的重分布，并對臨近既有地下建筑造成不利影響［1-4］。新建項目的施工往往會使已受力穩(wěn)定的地下結(jié)構(gòu)和周圍土體產(chǎn)生附加應(yīng)力與位移，可引起地下軌道交通結(jié)構(gòu)的過度沉降或變形，改變原區(qū)間隧道的受力狀態(tài)，從而對城市軌道交通的安全運營造成威脅［5-7］。

針對以上問題，BENTON 等人［8］從樁和群樁兩個方面，分別就樁基施工與承受荷載時對隧道變形的影響進行了研究。POTTS 等人［9］研究了在加載階段，相對位置關(guān)系不同時群樁對隧道變形產(chǎn)生的影響，并由分析結(jié)果確定了合理的樁隧凈距。閆靜雅等人［10］通過數(shù)值分析模型對隧道剛度、樁長以及樁隧凈距等對已建隧道變形和彎矩的影響進行了單因素敏感性分析，并總結(jié)出了相關(guān)因素的影響規(guī)律。路平等人［11］對立交橋樁基施工和運營對既有隧道的影響進行了研究，得到了樁基施工和承載運營對既有地鐵隧道位移及內(nèi)力的影響機制和影響規(guī)律。胡乾［12］利用Midas∕GTS 建立了擬建機動車4S 店項目對臨近隧道結(jié)構(gòu)影響的有限元分析模型，得到了擬建項目引起隧道結(jié)構(gòu)的水平和豎向位移，對隧道結(jié)構(gòu)的安全性進行了評估。

本文以合肥市某道路改造中新建人行天橋項目為工程實例，采用Midas∕GTS NX有限元分析軟件對近距離鉆孔灌注樁施工、人行天橋上部結(jié)構(gòu)施工、人行天橋運營等對既有地下隧道的影響進行分析，以期為處理橋隧相交的工程問題提供參考。

1 工程概況

新建人行天橋的主橋為平行四邊形鋼桁架結(jié)構(gòu)，簡支于平臺之上，該鋼桁架結(jié)構(gòu)長62.87 m，寬46.41 m。在主橋的4 個角點上設(shè)置引橋，引橋采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)與地面固定連接。主橋與引橋的寬度均為4.1 m。

新建人行天橋與既有隧道結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系的立面如圖1 所示。主橋與A 隧道的水平距離較近，為了避免橋墩施工對隧道結(jié)構(gòu)造成不利影響，橋梁采用能夠垂直跨越A 隧道的大跨度承臺結(jié)構(gòu)。承臺下分兩排設(shè)置共6 根鉆孔灌注樁，兩排樁的外邊緣與隧道結(jié)構(gòu)外邊緣的垂直距離分別為2.1 m 和3.7 m，盡量避免樁基施工對隧道產(chǎn)生不利影響。主橋橋墩為直徑80 cm 的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，引橋與主橋固定連接并通過圓形墩支撐與地面之上，承臺采用明挖法施工，開挖深度為4.0 m。

圖1 人行天橋與地鐵結(jié)構(gòu)立面Fig.1 Elevation of Pedestrian Bridge and the Tunnel（m）

擬建工程地處合肥斷陷盆地，為巨厚的中、新生代陸源碎屑巖堆積區(qū)，場地地表均被第四系全新統(tǒng)南淝河組、上更新統(tǒng)下蜀組沉積物所覆蓋，其下伏地層為中新生界紅色碎屑巖系。場區(qū)內(nèi)地下水類型主要有孔隙潛水、空隙承壓水及基巖裂隙水，水位埋深一般在0.3～8.5 m。

2 數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型與網(wǎng)格劃分

采用巖土與隧道專用有限元分析軟件Midas∕GTS NX 建立新建人行天橋與既有隧道結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值分析模型，為簡化計算，現(xiàn)作如下基本假設(shè)：

⑴ 計算模型中，地層按自上而下的順序簡化為等厚的成層土，土層的厚度根據(jù)場地內(nèi)各土層埋深的變異性與起伏性綜合確定。

⑵距離較遠的隧道結(jié)構(gòu)受人行天橋樁基的影響較小，因此僅對距人行天橋樁基水平凈距50 m范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)進行分析，數(shù)值模型建立200 m隧道結(jié)構(gòu)。

土體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫模型；隧道、主梁和樓梯均用板單元模擬；鉆孔灌注樁采用梁單元模擬。

為模擬樁體與土體之間的相互作用，在樁-土交界面上設(shè)置接觸單元。數(shù)值分析按實際的施工順序模擬，數(shù)值模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型與網(wǎng)格劃分Fig.2 Numerical Modeling and Meshing

2.2 土體材料參數(shù)

為加快模型收斂，將材性相近的土層合并。模型中的土體可劃分為5個土層，其參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)Tab.1 The Soil Parameters

2.3 施工過程模擬

將整個受力過程分為3 個階段，階段1 為基坑開挖與樁基施工，階段2為上部結(jié)構(gòu)施工，階段3為人行天橋運營。鉆孔灌注樁施工的模擬可分為鉆孔開挖與混凝土注入成樁2 個階段，其中鉆孔開挖通過樁單元模擬土體的卸載；混凝土成樁中通過樁-土接觸單元模擬混凝土與土體的相互摩擦作用；上部結(jié)構(gòu)施工和人行天橋運營階段的分析均根據(jù)設(shè)計方案通過在主梁和樓梯頂面施加均布荷載來模擬。

2.4 數(shù)值分析結(jié)果

通過數(shù)值分析得到人行天橋施工的3個階段對隧道結(jié)構(gòu)及其周邊土體結(jié)構(gòu)的影響。

2.4.1 土體位移

不同施工階段土體豎向位移和水平位移的分析結(jié)果如圖3 和4 所示。不同施工階段土體的最大位移如表2所示。

表2 土體最大位移Tab.2 Maximum Displacement of Soil（mm）

圖3 土體豎向位移云圖Fig.3 Vertical Displacement Cloud Diagram of Soil

由分析結(jié)果可得，階段1 對土體的豎向和水平位移均有明顯影響，階段2 對土體位移的影響較階段1小，階段3對土體位移的影響最小，對土體的水平位移幾乎沒有影響。

圖4 土體水平位移云圖Fig.4 Horizontal Displacement Cloud Diagram of Soil

2.4.2 隧道位移

不同施工階段的隧道位移如圖5 和6 所示。隧道豎向位移分析結(jié)果表明，四邊形鋼桁架人行天橋的橋墩位置處，隧道位移豎直向下，位移最大。橋墩以外的位置隧道位移豎直向上，發(fā)生反拱現(xiàn)象。

圖5 隧道豎向位移云圖Fig.5 Vertical Displacement Cloud Diagram of Tunnel

數(shù)值模型中，除橋墩位置處隧道的水平位移為負外，隧道的其他位置水平位移為正。在橋墩位置處隧道結(jié)構(gòu)受較大拉應(yīng)力作用，因此需重點分析此處的水平應(yīng)力。

不同施工階段隧道的最大位移如表3所示。隧道結(jié)構(gòu)在階段一的豎向與水平位移均較明顯；階段2 對隧道豎向位移的影響與階段1 相當(dāng)，對水平位移的影響較階段1 更明顯；在階段3，隧道的位移幾乎沒有增大。

表3 隧道最大豎向位移Tab.3 Maximum Vertical Displacement of Tunnel（mm）

《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范：CJJ∕T 202—2013》中對城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全的控制指標(biāo)值做出了具體要求，其中隧道水平和豎向位移的預(yù)警控制值均為10 mm。數(shù)值計算結(jié)果顯示：隧道位移滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范：CJJ∕T 202—2013》要求。

圖6 隧道水平位移云圖Fig.6 Horizontal Displacement Cloud Diagram of Tunnel

2.4.3 隧道內(nèi)力

不同施工階段隧道的彎矩如圖7所示。隧道的彎矩分析結(jié)果表明，隧道距離樁較近的位置彎矩較大，遠離樁的位置彎矩較小。拱腰位置所受彎矩較大，且彎矩最大值僅在隧道較小的范圍內(nèi)出現(xiàn)。

圖7 隧道彎矩Fig.7 The Bending Moment of Tunnel

不同施工階段隧道的最大彎矩如表4 所示，隧道結(jié)構(gòu)在階段1 的彎矩變化較大；階段2 對隧道彎矩的影響更明顯；在階段3，隧道的彎矩變化很小。

表4 隧道最大彎矩Tab.4 The Maximum Bending Moment of Tunnel （kN·m）

3 結(jié)論

本文以合肥市某道路改造中新建人行天橋項目為工程實例，通過Midas∕GTS NX 有限元分析軟件分析了不同施工階段新建人行天橋?qū)Φ叵录扔兴淼篮椭車馏w的位移影響。計算結(jié)果表明：

⑴基坑開挖與樁基施工、上部結(jié)構(gòu)施工兩階段對隧道結(jié)構(gòu)和土體的位移影響明顯；在運營階段，隧道結(jié)構(gòu)和土體的位移幾乎沒有變化。

⑵基坑開挖與樁基施工、上部結(jié)構(gòu)施工兩個階段對隧道的彎矩影響明顯；在運營階段，隧道的彎矩變化很小。

⑶隧道結(jié)構(gòu)在人行天橋各施工階段的水平和豎向位移均在安全控制值的范圍內(nèi)，滿足地鐵安全運營的要求。