摘要：為研究下穿隧道盾構施工對既有鐵路橋梁變形的影響，文章依托某實際工程，采用FLAC3D軟件進行施工全過程模擬，對隔離墻的防護作用進行研究，并通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗進行驗證。結果表明：順橋向地表沉降變形呈“W”形分布，隧道正上方地表變形值最大；橋墩豎向位移表現(xiàn)為沉降，隨著隧道盾構開挖施工，其值先緩慢增大后快速增長，最后逐漸平穩(wěn)；隔離墻起到了較好的防護作用，可有效控制地表、橋梁墩臺和樁基的變形，使其滿足安全控制標準；現(xiàn)場監(jiān)測結果與數(shù)值模擬所得變形規(guī)律基本一致，可為類似工程提供參考。

關鍵詞：盾構隧道；鐵路橋梁；數(shù)值模擬；現(xiàn)場監(jiān)測

中圖分類號：U455.43" " " " "文獻標識碼：A" " " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.056

文章編號：1673-4874（2024）11-0192-04

0引言

隨著我國城市化進程的不斷發(fā)展，城市交通壓力不斷增大，為方便居民出行，提高城市交通運輸能力，開發(fā)地下空間，建設城市軌道交通勢在必行。但地鐵施工不可避免會遇到臨近或下穿既有橋梁的情況，如何控制既有橋梁變形，保障其運營安全，是一個亟待解決的問題，已有眾多專家學者就此進行研究。王騰［1］為探究隧道盾構施工側穿既有橋梁時對橋梁樁基的影響，基于工程實例，采用數(shù)值模擬方法進行分析，并通過現(xiàn)場監(jiān)測對結果的可靠性進行驗證。耿大新等［2］以南昌市某隧道盾構下穿既有高鐵橋梁工程為背景，采用MidasGTS軟件對其施工全過程進行模擬，分析了橋梁變形規(guī)律，并提出了相應的加固措施。周智［3］采用MidasGTS軟件模擬了廣州地鐵18號線下穿廣深港高鐵橋的隧道開挖全過程，研究了隧道盾構下穿對地面沉降及橋樁變形的影響。蔣小銳等［4］基于某實際工程探討了隧道明挖施工下穿對既有高鐵橋梁變形和位移的影響，并進行了車-軌動力響應分析。趙江濤等［5］為控制盾構隧道施工對上部橋梁的擾動，建立了相應的精細化施工控制體系。陳聰?shù)龋?］依托某實際工程，研究了盾構隧道下穿既有鐵路橋梁時的加固措施，認為注漿和隔離樁防護均能滿足既有結構物變形控制要求。為研究下穿隧道盾構施工對既有鐵路橋梁變形的影響，本文依托某實際工程，采用FLAC3D軟件進行施工全過程模擬，進一步研究了隔離墻的防護作用，并通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗進行驗證。

1工程概況

鐵路運營期間行車速度較高，需要軌道具有高平順性，故需要對結構受力和變形進行嚴格控制。隧道盾構下穿施工改變了土層原始的應力平衡狀態(tài)，致使應力重分布，極易引發(fā)上層鐵路橋梁變形。此外，由于樁基與隧道開挖面的凈距不同，盾構隧道施工對兩側橋墩的影響程度也不同，而施工對土體的擾動極易導致樁基側摩阻力下降，從而引發(fā)樁基、橋墩的不均勻沉降，對鐵路運營安全造成嚴重影響。

依托工程左線隧道自某城際鐵路211#～212#墩間穿過，與兩橋墩最小凈距分別為5.24m和5.01m，右線隧道自212#～213#墩間穿過，與兩橋墩最小凈距分別為4.77m和6.33m；埋深約27m，處于平均含水率20.35%的細砂層。根據(jù)相關規(guī)范要求，需控制墩頂橫向水平位移引發(fā)的橋面水平折角≤1.0[WTB3]‰，墩頂順橋方向彈性水平位移≤28.5mm，墩頂各方向位移及相鄰墩臺差異沉降≤3mm。綜合考慮實際地質(zhì)情況和施工經(jīng)濟性，工程選用土壓力平衡式盾構機，采用穩(wěn)坡法、緩坡法推進，其各項施工參數(shù)如表1所示。

2數(shù)值模型及參數(shù)

考慮到需對橋墩變形進行嚴格控制，故針對上述工程，為研究隧道盾構下穿施工引發(fā)的地表及既有鐵路橋梁樁基的變形，探究隔離墻防護措施的效果，采用FLAC3D軟件，基于工程實際情況進行一定簡化，建立三維數(shù)值模型，如圖1所示。順211#至213#橋墩連線方向設置共22個監(jiān)測點。

模型長×寬×高=180m×70m×55m，設置模型底部為全約束，四周為法向約束。土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，橋墩、橋臺和隔離墻采用彈性模型模擬，相應參數(shù)如表2所示。橋梁樁基采用樁單元模擬，樁長40m，用1單元模擬隧道開挖過程。為提高模型的可靠度，將橋墩上部結構自重荷載施加于橋墩上。

3結果分析

3.1地表及橋墩豎向位移分析

在左右線隧道同時盾構施工時，地表監(jiān)測點橫向位移較小，其豎向位移均表現(xiàn)為沉降，其數(shù)值較大，故對其豎向位移進行分析，可得無隔離墻時地表及橋墩各監(jiān)測點數(shù)值模擬結果如圖2所示。由圖2（a）可知，當雙線隧道盾構施工結束后，地表監(jiān)測點最大豎向變形值高達6mm，順橋向地表豎向變形曲線呈“W”型，隧道正上方的土體豎向變形最大。隨著隧道盾構施工的不斷進行，其對地層擾動也不斷增大，地表監(jiān)測點的豎向變形也不斷增大。由圖2（b）可知，當隧道開挖面遠離橋梁時，三個橋墩的豎向位移均未發(fā)生明顯的增長；當隧道開挖面逐漸逼近橋梁時，三個橋墩受到較大的擾動，其豎向位移均發(fā)生明顯的增長，且增長速率較快；當隧道開挖面再次遠離后，三個橋墩的豎向位移增長速度逐漸變緩，豎向位移區(qū)域穩(wěn)定。由于212#橋墩位于兩線隧道之間，而左右線隧道同時開挖對中間橋墩的擾動最大，故而212#橋墩的豎向位移遠大于211#和213#橋墩，其最大差值分別為2.7mm和3.3mm。而三個橋墩的變形已超出相應的控制標準，不利于鐵路線路的安全運營，故應當設置一定的安全防護措施。

設置隔離墻后，地表及橋墩各監(jiān)測點數(shù)值模擬結果如下頁圖3所示，比較有無隔離墻時的地表變形情況可知，兩者地表監(jiān)測點豎向變形均表現(xiàn)為沉降且分布趨勢基本不變，依然呈“W”型，但有隔離墻時地表豎向變形值有明顯減少，最高值減少約46.3%。故可認為隔離墻可起到一定的防護作用，減少隧道盾構施工過程中對周圍土層的擾動。由圖3（b）可知，有無隔離墻時三個橋墩的豎向變形規(guī)律基本一致，但其變形值有明顯降低，211#～213#橋墩的豎向位移值分別降低了25%、42%、30%。最終差異沉降均未超過3mm的控制標準，212#和211#、213#橋墩的最大差異沉降分別為0.7mm和1.2mm，較無隔離墻時，分別下降了74.1%和63.6%。故認為隔離墻的存在可有效減少既有鐵路橋梁的變形，使其滿足安全限制要求。故為減小隧道盾構施工對既有鐵路橋梁的影響，在實際工程中需設置隔離墻，分擔盾構施工產(chǎn)生的側向土壓力和摩擦力，控制地表和橋墩的豎向變形。

3.2橋梁樁基變形分析

提取有無隔離樁時，各監(jiān)測樁樁頂最大豎向位移、順橋向位移、橫橋向位移結果如下頁表3所示。由數(shù)值模擬可知，當開挖面逐漸靠近橋梁樁基時，其樁頂各方向的變形速率均逐漸增大；當開挖面逐漸遠離時，樁基各方向變形速率逐漸降低；當隧道開挖面通過橋墩后再次遠離時，樁基各方向變形值逐漸趨于穩(wěn)定。212#橋墩因位于左右線隧道之間，其豎向位移、順橋向位移變形最為明顯。設置隔離墻可以有效阻礙橋梁樁基在各個方向上的變形，起到了有效的阻隔作用，降低了隧道盾構施工對既有鐵路橋梁的影響。

3.3現(xiàn)場監(jiān)測對比

參考既往工程經(jīng)驗，為及時判斷周圍土體及既有鐵路橋梁的安全狀況及變形發(fā)展規(guī)律，下穿隧道盾構施工期間需要進行嚴格的現(xiàn)場監(jiān)測試驗，地表監(jiān)測點及橋墩監(jiān)測點設置與數(shù)值模擬一致，所得地表監(jiān)測點結果如圖4所示。由圖4可知，現(xiàn)場監(jiān)測所得地表監(jiān)測點的變形趨勢與數(shù)值模擬基本一致，其豎向變形值略大于數(shù)值模擬結果，現(xiàn)場監(jiān)測所得最大地表豎向變形為3.1mm，相較于數(shù)值模擬結果增加了0.13mm。究其原因主要是數(shù)值模擬時對工況進行了一定程度的簡化。

各橋墩豎向位移監(jiān)測結果如圖5所示，由圖5可知，現(xiàn)場監(jiān)測所得橋墩豎向變形趨勢與數(shù)值模擬結果基本一致，現(xiàn)場監(jiān)測所得211#～213#橋墩的最大豎向變形值分別為2.6mm、3.2mm、2.1mm。212#和211#、213#橋墩的最大差異沉降分別為1.1mm和1.5mm，其值略大于數(shù)值模擬結果，但依然在安全標準范圍內(nèi)，因此可認為隔離墻防護措施得當。橋墩監(jiān)測過程中，局部位置出現(xiàn)豎向變形的回彈現(xiàn)象，究其原因可能是隧道盾構施工期間進行了二次注漿造成的。數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結果高度吻合，可認為數(shù)值模擬參數(shù)取值及仿真過程合理，其結果具有一定的參考價值，可為類似工程提供一定的借鑒和參考。

4結語

為研究下穿隧道盾構施工對既有鐵路橋梁變形的影響，本文依托某實際隧道工程，采用FLAC3D軟件建立了相應的隧道下穿既有鐵路橋梁的三維模型，模擬了在不設置和設置隔離墻的情況下，隧道盾構施工的全過程，對地表、橋墩以及橋梁樁基的變形進行分析，并通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗進行驗證，得到如下結論：

（1）地表監(jiān)測點豎向位移表現(xiàn)為沉降，無論是否設置隔離墻，均呈“W”型分布，左右線隧道正上方地表豎向位移值最大，設置隔離墻可有效減少地表監(jiān)測點的豎向位移值；

（2）橋墩豎向位移表現(xiàn)為沉降，當隧道盾構開挖面較遠時，其增長速率較慢，隨著隧道開挖面的不斷靠近，橋墩豎向位移增長加快，開挖面通過橋墩后再次遠離時，橋墩豎向變形逐漸趨于穩(wěn)定；

（3）隔離墻的存在可有效分擔隧道盾構施工產(chǎn)生的側向土壓力和摩擦力，控制鐵路橋梁墩臺和樁基的變形，使得橋梁墩臺豎向位移及相鄰墩臺差異沉降均能滿足安全控制標準；

（4）現(xiàn)場監(jiān)測試驗所得地表監(jiān)測點及橋梁墩臺的變形規(guī)律與數(shù)值模擬基本一致，現(xiàn)場監(jiān)測結果略大于數(shù)值模擬結果，主要是因為數(shù)值模擬過程進行了一定程度的簡化。

參考文獻：

［1］王騰.盾構隧道側穿既有橋梁樁基的相互影響研究［J］.中國安全生產(chǎn)科學技術，2023，19（S1）：144-149.

［2］耿大新，譚成，王寧.盾構隧道下穿對既有高鐵橋梁的影響及其加固方案［J］.城市軌道交通研究，2023，26（8）：30-35.

［3］周智.地鐵盾構隧道下穿既有高鐵橋數(shù)值模擬及實測施工影響分析［J］.城市軌道交通研究，2023，26（5）：140-144，150.

［4］蔣小銳，黃杰，李楠.城際鐵路明挖隧道下穿既有高鐵施工控制技術及標準探討［J］.鐵道標準設計，2020，64（6）：104-111.

［5］趙江濤，牛曉凱，崔曉青，等.盾構隧道下穿既有橋梁精細化施工控制［J］.鐵道建筑，2017，57（10）：63-66，77.

［6］陳聰，蹇蘊奇，魯茜茜，等.盾構隧道下穿既有鐵路橋梁樁基的加固措施［J］.鐵道建筑，2019，59（3）：60-63.

作者簡介：楊生明（1989—），講師，主要從事鐵道工程施工與維護相關工作。

收稿日期：2024-05-06