游 辉

（中国铁建股份有限公司 北京 100855）

1 引言

随着我国城市轨道交通建设快速发展，地铁隧道不可避免地临近市政结构，其中地铁隧道穿越城市桥梁是较为典型的情况。按照地铁隧道与城市桥梁的相对位置关系，可以将穿越划分为下穿和侧穿两种类型，地铁隧道下穿城市桥梁类型虽然较多，但目前尚未有系统的经验和成熟标准，穿越风险仍然较大。

数值计算方法是分析盾构隧道下穿桥梁的一个重要手段，基于数值计算的下穿研究主要有：杨贵永等［1］、徐慧宇等［2］对区间隧道下穿佛开高速桥进行有限元分析；房师涛［3］分析了盾构掘进造成的地表沉降、周围土体变形及铁路桥墩的沉降变化，评价了上部铁路桥的安全状态，并提出了安全控制措施；王国富等对框架结构、三轴搅拌桩结构及隔离墙结构3种主动预支护技术［4］和直线形、折线形、曲线形3种隔离桩布局形式［5］进行了数值分析；杨丽明［6］选择简支梁桥进行了下穿影响分析。在施工控制或监测方面：沙原亭［7］结合某在建地铁土压平衡盾构下穿桥梁桩基工程，总结一套下穿施工技术和监测方法；李旺旺等［8］以监测结果为基础，对盾构穿越桥梁不同施工阶段变形沉降规律进行了详细分析；苗峰等［9］利用实测数据对盾构施工引起地面沉降、高架桥的影响进行了详细分析。此外，还有将数值计算与监测结合在一起的研究［10-12］。

2 工程概况

北京地铁16号线木樨地站～木达区间盾构接收井（不含）隧道自木樨地站南端（右K8＋571.592）出发，下穿永定河引水渠，沿规划三里河南延路向南敷设，下穿莲花池东路、北京西站～北京站地下直径线、京九铁路，到达木达区间盾构接收井北端（右K9＋942.200）。区间隧道左、右线线间距为12～17.2 m，轨面高程为19.645～15.103 m，覆土厚约为22.7～24.9 m，区间纵坡为一字坡，最大坡度为4.191‰，采用盾构法施工。在右K9＋010.000和右K9＋520.000处设置二座联络通道，联络通道采用矿山法施工。隧道采用C50（过M1线明挖区间段为C55）钢筋混凝土管片、内径5 800 mm、外径6 400 mm、厚300 mm、环宽1 200 mm。区间隧道与木樨地桥相对位置关系如图1所示。

图1 木达区间与木樨地桥相对位置关系

3 桥梁位移控制标准

目前对隧道穿越桥梁情况尚未有明确标准或规范，只能在已有道路桥梁规范情况下，结合具体工程实践经验和相关规范标准，由专家去论证在施工过程中需采取的控制措施和桥梁沉降值是否合理，以保证隧道安全施工。制定邻近桩基的沉降值控制标准，通常用允许位移值进行控制，但其涉及的因素很多，既需要满足承载力要求，又需要满足桩基上部结构的允许沉降值。国外也有相关经验和数据，如日本规定新干线高架桥的相对竖向位移允许值为5 mm，水平位移为3 mm，道路立交桥允许的水平位移为10 mm，竖向位移为10 mm。结合国内相关规范规定及穿越工程具体情况，邻近桥梁桩基的沉降值控制标准：竖向位移按5 mm控制，相对位移按3 mm控制，水平位移按5 mm控制。

4 风险控制措施

木达区间盾构隧道穿越木樨地桥时风险控制措施主要有以下几点：

（1）盾构穿越前应调整并确保盾构机性能良好，严格控制掘进参数，保证匀速通过。

（2）盾尾应及时注浆，充填管片与土体间的空隙，严格控制注浆量和注浆压力，必要时进行二次注浆。

（3）工程影响范围盾构管片采用“三孔注浆管片”，盾构推过后应多次注浆加固穿越段周边土体。

（4）盾构施工前，预先对桥梁桩基周边土体进行复合锚杆桩注浆加固（隔离）。

（5）盾构施工过程中，加强监测和巡视，及时反馈信息，根据监测结果及时调整施工参数，确保桥梁安全。

5 数值计算分析

5.1 数值模型的建立

图2 三维有限元分析模型

采用MIDAS GTS有限元分析软件建立木达区间下穿木樨地桥三维有限元分析模型（见图 2），模型尺寸：X、Y、Z方向上长度分别约为151.86 m、59.24 m、100 m。边界约束：底部约束X、Y、Z方向位移，四周约束X、Z方向位移，上表面为自由面。土体、隔离桩、桥墩、桥桩及承台均采用实体单元模拟。考虑到盾构隧道开挖影响范围有限，本次建模只考虑盾构隧道掘进对木樨地桥4～5轴桩基及上部结构的影响。模型中盾构隧道与木樨地桥、1号线区间隧道及隔离桩相对位置关系如图3所示。

图3 盾构隧道与桥梁、1号线隧道及隔离桩相对位置关系

5.2 计算参数

模型共分9个土层，各土层物理力学参数列于表1中，桥梁及1号线区间隧道计算参数列于表2中。

表1 土体物理力学参数

表2 材料计算取值

5.3 模拟工序与分析施工步

计算模拟中，盾构分段掘进，左线盾构先行掘进，右线盾构开挖面与左线盾构开挖面错开20 m。

5.4 计算结果与分析

本文中桥桩编号如图4所示：木樨地北桥每个承台下2根桥桩，编号是依次由北向南；南桥每个承台下4根桥桩，以东北角桥桩为起点，逆时针方向依次编号。

图4 桥桩编号示意

桥桩位移随着盾构的推进是处于动态变化过程，选取其中5种典型的施工步进行结果分析，分别是：施工步1（左线盾构到达北桥）、施工步2（左线盾构到达南北桥中心线，右线盾构达到北桥）、施工步3（左线盾构离开南桥）、施工步4（右线盾构离开南桥），施工步5（左、右线盾构施工完成）。

5.4.1 桥桩位移

各桥桩桩底竖向位移随施工步变化如图5所示。由图5可知：（1）整体上，各组桥桩桩底竖向位移随着盾构推进逐渐增大；（2）在盾构推进过程中，北桥5轴2根桥桩桩底发生向上的竖向位移，其他各组桥桩桩底竖向位移均为沉降，盾构施工完成后，最大向上位移1.54 mm（北桥5轴-2），最大沉降2.95 mm（南桥4轴 -1）；（3）在盾构推进过程中，5轴桥桩竖向位移基本大于4轴桥桩竖向位移，其主要原因是后推进的右线盾构二次施工扰动影响较大；（4）对于南桥桥桩，1、2号桥桩桩底竖向位移值均大于3、4号桥桩。

图5 不同施工步下桥桩竖向位移随施工步变化曲线

各桥桩桩底横向和纵向水平位移随施工步变化如图6、图7所示。

图6 桥桩桩底横向（X向）水平位移随施工步变化曲线

图7 桥桩桩底纵向（Z向）水平位移随施工步变化曲线

由图6可知，对于桥桩桩底横向水平位移：（1）施工步1、2下，4轴各组桥桩桩底横向水平位移基本是为负值，后续3个施工步，位移则变化为正值，且大小逐渐增大；（2）5轴各组桥桩桩底横向水平位移基本是为负值，且位移值在盾构推进过程中逐渐增大；（3）盾构施工完成后，最大横向水平位移值为-2.78 mm，发生在南桥4轴-4位置。

由图7可知，对于桥桩桩底纵向水平位移：（1）整体上，各组桥桩桩底竖向位移随着盾构推进变化不大；（2）在盾构推进过程中，北桥4轴-2、北桥5轴-2桥桩桩底纵向水平位移为正值，其他各组桥桩桩底纵向水平位移基本为负值，盾构施工完成后，桩底最大纵向水平位移值为1.49 mm（北桥4轴-2）；（3）对于南桥桥桩，1、2号桥桩桩底纵向水平位移值均大于3、4号桥桩。

5.4.2 桥梁沉降及差异沉降

以承台为研究对象，对不同施工步下桥梁竖向位移及差异沉降进行详细分析，不同施工步下承台竖向位移结果列于表3中，不同施工步下承台差异沉降结果列于表4中。

由表3、4可知：（1）5个施工步下，承台竖向位移和差异沉降最大值分别为-3.056 mm和1.617 mm，满足桥梁变形控制标准；（2）南桥4轴承台竖向位移差异沉降相对于其他北桥4轴、北桥5轴和南桥5轴承台差异沉降要大，该结构是桥梁位移控制的关键位置；（3）南桥4轴承台差异沉降随盾构推进逐渐增大，其他3轴承台差异沉降基本呈“先增大，后减小”的特征。

表3_不同施工步下承台竖向位移结果_mm

_表4_不同施工步下承台差异_沉降结果_mm

6 结束语

（1）北京地铁16号线木樨地站～达官营站区间下穿木樨地桥，环境因素复杂，穿越风险大，除盾构施工控制上需要注意外，洞外隔离保护措施同样重要。

（2）盾构穿越过程中，桥梁结构竖向位移、水平位移及差异沉降均满足控制标准，且距离最大允许位移值尚有一定的余量，表明穿越工程处于安全状态。

（3）桥桩桩底竖向位移和承台差异沉降结果显示，南桥4轴位置桥梁位移大于其他3轴，南桥4轴处结构是穿越过程中桥梁位移控制的关键位置。

（4）盾构施工过程中，需加强现场监测，并根据监测结果及时调整施工参数，确保桥梁安全。