地铁隧道下穿既有高速铁路桥影响分析与施工对策研究

收稿日期：2018-08-22

作者简介：常海亮（1985-），男，甘肃通渭人，讲师，研究方向桥梁与隧道工程。

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地铁隧道下穿既有高速铁路桥

影响分析与施工对策研究

常海亮

（陕西铁路工程职业技术学院 陕西渭南 714000）

摘要：地铁隧道施工引起铁路轨道沉降和变形可能影响正常运营，为控制盾构隧道施工引起的轨道沉降和变形，保护铁路运营安全，对盾构隧道下穿铁路段的区间线位及工程风险进行研究。文章以某市地铁1号线下穿既有高速铁路桥为依托，采用计算软件对隧道下穿既有高速铁路桥进行了数值模拟分析，得到了最大沉降量为11mm ，超过了6mm 的容许沉降量；通过分析施工过程中沉降情况，提出了施工建议。可为同类工程提供参考。

关键词：

地铁隧道 高速铁路桥 影响分析 施工对策 研究

中国分类号：U25 文献标识码：A 文章编号：1673-1816(2019)02-0039-05

1 工程概况

1.1 工程简介

某市地铁1号线在K8+686.730～K8+780.528段下穿既有高速铁路桥，斜交角为16°17′，位置关系见图1、图2，地铁隧道全部位于圆砾层，隧道采用盾构法施工，管片外径6.2 m ，厚350 mm ，既有高速铁路桥梁为普通混凝土T 型梁，桥基础采用4.5x10m 扩大基础，扩大基础底部与区间顶最小净距为3.3～4 m 。

2.2 控制标准

按照《铁路线路修理规则》（铁运【2006】146号）的要求，结合对国内类似工程控制标准的调查，

图1 既有高速铁路桥与区间盾构隧道平面关系图

石家庄铁路职业技术学院学报 2019年第2期

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轨距、水平、高低、轨向动态容许偏差管理值按照线路设计速度对应的Ⅰ级标准控制，由于该高速铁路列车运行时速最高为160 km/h ，故静态几何尺寸容许偏差管理值按照线路设计速度160 km/h ≥V max ＞120 km/h 对应的经常保养值控制，因此既有高速铁路铁路桥沉降值最大不超过6 mm 。

2 计算模型的建立

2.1 建立模型

本工程采用 FLAC 3D 进行计算分析，根据需要，在满足隧道影响范围要求的基础上，尽量减少模型单元数可以节约计算时间，考虑到区间盾构隧道直径D 为6.2m ，隧道中心埋深约11.44m ，两区间隧道中线距离为12.0m ，故计算模型宽度选取75m ，长度选取45m ，深度选取为38.0m ，计算时土体材料选择弹塑性模型，修正摩尔-库伦破坏准则，地层压力按自重应力考虑，由软件根据地层容重自动计算，数值模型及单元划分如图3所示。

2.2 荷载边界条件的确定

考虑到桥墩上支撑有桥梁上部梁结构，数值模拟计算时考虑上部结构的竖向荷载，计算模型视为桥梁对桥墩施加均布荷载，通过计算左右桥墩承受均布荷载为67.48KN/m 2，中间桥墩承受均布荷载为134.95 KN/m 2，根据实际情况，模型顶部为地表，设为自由边界[3][4],左右边界条件视为链杆支座，下边图3 数值模型图

左线

右线

图2 既有高速铁路桥与区间盾构隧道剖面位置关系图

第2期 常海亮 地铁隧道下穿既有高速铁路桥影响分析与施工对策研究

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边界条件视为铰支座。

2.3 物理力学参数的选取

计算中采用的围岩地层参数，如表1所示。

表1 地基土物理力学参数

直剪(固快) 含水量ω 质量密度 ρ饱和 干重度γ 静止侧压力系数 泊松比 弹性模量压缩模量 Es 0.1-0.2 Ccq φcq 土层

代号

土层名称 (%) (g/cm3) kN/m3K0 MPa MPa kPa 度 1-1

杂填土 27.2 1.89 15.6 0.6 0.40 10 5.0 20 15 4-9

圆砾 25.2 2.21 16.1 0.3 0.30 47 47 3 42 12-1-1 泥岩 31 2.28 14.5 0.28 0.22 51 / 45 20 构筑物及隧道参数表如表2所示。

表2 构筑物材料参数汇总表

类别 砼等级 弹性模量（Gpa ）

泊松比 重度(kN/m 3）桥墩、承台 C40 32.5

0.2 25 盾构管片 C50

34.5 0.2 25 2.4 施工步骤模拟

数值模型中左右线施工步续为：左线先行施工，由于盾构管片实际宽度为1.2m ，因此模拟盾构开挖时，盾构隧道按每开挖1.2m 推进。在实际施工过程中，左右线施工时间间隔一般为1个月，亦即左、右线掌子面间距约150m~250m 左右，但在实际模拟时选取如此大的模型不仅使得计算耗时，也是不现实的，通过前期试算及对比参考类似计算模型，在数值模拟计算时，右线在左线开挖完毕后开挖，其相隔45m ，与实际情况接近，误差在工程许可范围内，因此模型中选取45m 作为左右线施工间隔距离，即待左线开挖完毕后，右线开始开挖，直至双线开挖完毕。

3 计算结果分析

通过本次模拟计算，得出隧道在整个下穿过程中最大沉降出现在右线末尾顶部，沉降值为22.94mm 。计算结果云图如图4所示：

对于既有高速铁路桥墩顶面而言，本次下穿施工过程会导致中间3#、4#桥墩沉降最大，沉降值为11mm ，而左右1#、2#、5#、6#桥墩沉降值均为3mm 。计算结果云图如图5所示：

图4 整体沉降计算结果云图

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为方便数据统计，每5施工步时取各桥墩及桥墩基础的沉降值，并将各阶段沉降值汇总得出各桥墩的沉降曲线图如图6。

（1）区间盾构左线施工至1#、2#和3#、4#墩影响范围内时，导致1#、2#和3#、4#墩的沉降变形急剧增大，盾构施工过影响范围后，沉降变形逐渐平稳；而且区间盾构施工对3#、4#墩的影响要大于1#、2#墩；左线施工对5#、6#墩的影响很小；区间盾构右线施工至3#、4#墩和5#、6#墩影响范围内时，导致3#、4#和5#、6#墩的沉降变形急剧增大，而且对3#、4#墩的影响明显比5#、6#墩要大；在右线隧道施工至盾构影响范围后，桥墩的沉降变形又趋于稳定。

（2）1#、2#墩主要受区间左线施工的影响比较大，受右线的施工影响比较小；5#、6#墩主要受右线施工的影响比较大，受左线的施工影响比较小；由于3#、4#墩受区间盾构左线和右线的双重影响，而且影响程度比较大，因此，导致最终3#、4#墩的沉降变形也是最大的。最终1#、2#墩和5#、6#墩的沉降变形约为3mm ，3#、4#墩的沉降变形约为11mm 。

（3）1#、2#墩的基础为1#基础，3#、4#墩的基础为2#基础，5#、6#墩的基础为3#基础，从结果分析也能看出来，各桥墩对应的沉降变形与基础关键点的沉降变形基本一致。

（4）从计算结果云图中可以看出，区间隧道施工过程中，桥墩基础产生了一定的不均匀沉降，中间部位的桥墩沉降值约11mm 。

4 施工对策[5-8]

为保证隧道区间下穿段的施工质量，将其对既有高速铁路桥结构的影响降到最小，在施工过程中要注意以下事项：

图

5 既有高速铁路桥墩地面沉降计算云图

注：图中的1#基础指1#和2#墩共同基础；2#基础指3#和4#墩共同基础；3#基础指5#和6#墩共同基础。

图6 各桥墩及基础虽施工推进沉降曲线图