邢乃见
北京京铁工程咨询有限公司, 北京 100055
摘要：结合地铁工程实例，借助Midas GTS-NX有限元软件分别对地铁隧道盾构下穿铁路高架桥进行三维数值仿真，并通过现场监测数据对数值模拟结果进行对比验证，证明数值模拟分析方法真实可靠，对类似工程具有一定借鉴意义。
关键词：盾构隧道 下穿 高速铁路 高架桥 影响分析
中图分类号 文献标识码 文章编号
1 引言
在盾构隧道下穿高架桥过程中，会对地层产生作用，造成内力发生改变，严重情况下极易造成桩端承载力丧失，对桥梁上部结构造成重大安全隐患。因此，对于类似盾构隧道下穿高架桥等特殊工况，需进行专项安全性分析研究。本文借助Midas GTS-NX有限元软件不同工况下地铁隧道盾构下穿高速铁路高架桥进行三维数值仿真，并通过现场监测对数值模拟结果进行对比验证。
2 工程概况
地铁17号线北神树站～朝阳港站盾构区间为单洞单线圆形隧道，外径6.4m，管片厚度0.3m，属浅埋隧道。根据区间施工单位的工程筹划，施工拟投入两台盾构，分别先后完成左线区间和右线区间掘进，掘进方向为北神树站到朝阳港站方向，掘进速度约为每天8~10环。
3 数值计算
由于土体力学的复杂性以及施工对周边环境影响的多面性，采用常规手段难以合理的把握区间施工期间对既有高速铁路的影响。本文采用MIDAS GTSNX软件针对盾构区间下穿京津城际铁路高架桥桩基进行三维数值计算。
3.1 计算模型
盾构区间单洞洞宽为6.4m，线间距为13m，施工投入两台盾构，先后完成左线区间和右线区间掘进，区间结构距离左右桩基最小距离分别18.1m、18.5m，区间拱顶覆土约8.0m。在满足精度的前提下对模型进行简化，模拟盾构推进过程，计算模型见下图1。
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3.2 参数及边界条件
土体采用修正摩尔-库伦弹塑性本构模型。盾构管片、盾壳采用板单元，弹性模型；同步注浆以及浆液与土体的作用，采用应力释放程度和等代层来考虑，等代层采用弹性模型；承台采用实体单元，弹性模型；桥梁等效为荷载作用于承台；桥桩采用嵌入式桁架单元模拟；洞内二次深孔加强注浆采用实体单元提高土体参数、修正摩尔-库伦模型模拟。模型中除自重外，考虑桥梁荷载作用于承台，墩身高8.8（8.3）m，总恒载为110723.9kN。承台尺寸为14.6m×22.6m。所以承台压力为q＝110723.6/14.6/22.6＝335.567kPa。公路荷载：q公路=20kPa。边界条件采用位移边界条件，上边界取地面为自由面，两侧面、底面均受法向约束。
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3.3 工况模拟
本文拟模拟标准工况和采取洞内外加固工况。在模拟盾构掘进过程中，根据地层参数确定盾构机施加到掌子面压力，全断面开挖土体，每循环进尺为一环管片环宽，以盾构壳模拟盾构机，忽略盾构机内部结构，盾壳长度为8环管片环宽。土体钝化后施加掌子面压力，同时激活盾壳。盾尾脱出后，激活等代层，钝化盾壳，考虑荷载释放，每环施作完毕后，进行水土压力重分布，按上述步骤，依次进行土体开挖、施作管片。
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4 结果分析
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地铁区间隧道施工引起的土体整体变形如上图2所示，高速铁路高架桥两墩台变形见表3所示，由表3可知，地铁隧道下穿桥梁过程中，两种工况均造成墩台产生变形。这是由于盾构机掘进期间，盾构机外壳与土体、管片与土体存在间隙，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，导致地层沉降或隆起，间接诱发桥梁墩台产生变形。
地铁下穿过程中对两承台整体变形影响较小，其中，标准工况下282#墩台最大沉降为0.6mm。在对左线隧道进行施工时，两种工况中281#墩台变形均比282#墩台稍大，对右线隧道开挖时，282#墩台变形均大于281#，差异变形量与桥梁桩基和隧道在空间相对位置有关。采用洞内外加固措施后，两墩台整体变形均有明显下降，282#桥墩整体变形控制效果均优于281#桥墩。双线贯通后，281#墩台沉降值最大下降0.3mm，顺向水平位移最大下降0.22mm，横向水平位移最大下降0.31mm；282#墩台沉降值最大下降0.33mm，顺向水平位移最大下降0.29mm，横向水平位移最大下降0.36mm。经改善盾构施工工艺，加强盾构注浆技术等措施后，墩台变形情况均在技术规程要求范围内。
地铁盾构隧道下穿高速铁路高架桥施工过程中，采取自动化监测对桥墩变形进行了实时监测，监测结果符合要求。
5 结论
主要得到以下结论：
（1）地铁盾构隧道下穿京津城际高架桥281#、282#桥墩时，其沉降、位移等变形均可控，通过改善盾构施工工艺，加强洞内外注浆技术等措施后，桥梁墩台沉降及水平位移均有效减小。现场监测表明，采用三维数值分析地铁区间隧道施工引起的高架桥变形结果与现场监测数据相差不大，本数值分析方法真实可靠，对类似工程具有一定借鉴意义。
（2）地铁盾构隧道下穿高速铁路高架桥施工过程中，先采取地面隔离注浆，再进行盾构掘进施工，控制盾构掘进姿态，采取同步注浆及二次补浆的同时，进行二次深孔加强注浆。结合地层特点选取耐磨道刀具，增强刀盘，制定合理有效的渣土改良方案，掘进过程中及时对渣土进行改良。现场实施情况表明，盾构隧道施工引起的高架桥沉降、位移均满足高速铁路安全管理的要求，安全风险可控。
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