张玮鹏

(广州大学建筑设计研究院有限公司)

0 引言

随着城市交通运输需求的进一步提高，相关交通工程建设越来越密集，尤其是市区地铁隧道与市政桥梁的建设，对地下空间、地上空间进行了充分利用，在有限单位土地面积上显著提高了交通运输效率，但在某些节点位置，地下、地面、地上的交通运输结构不可避免地存在复杂立交关系，后建工程需充分考虑对已建结构的保护，以确保立体交叉运输节点的安全稳定。

本文以广州市某市政工程为基本案例，采用Midas GTS-NX 三维有限元软件分析计算该立体交叉节点市政桥梁及配套工程施工对地铁隧道结构的影响，为类似项目提供借鉴参考。

1 工程概况

广州市某互通立交工程的主线桥梁、匝道桥梁、一条污水管、一条电力管、新建河渠均位于广州地铁3 号线北延段保护范围内，桥墩桩基距离地铁3 号线北延段区间隧道最近距离为5.1m，污水管底至地铁隧道结构顶净距约4m，电力管底距离隧道顶约10m，新建河渠底距离地铁隧道顶约7m。市政工程涉铁关系详见图1～图3。

图1 市政工程涉铁平面关系示意图

图2 桥梁桩基与地铁隧道横断面关系图

图3 河渠基坑与地铁隧道横断面关系图

主线及匝道桥梁桩基采用直径1.0m、1.2m、1.5m、1.8m 的旋挖灌注桩，桩底进入中风化岩层，全套管钢套管跟进施工；污水管底埋深8.4m，管径2.4m，采用顶管法施工，主要在粉质黏土层中顶进；电力管沟开挖深度约2.1m、开挖宽度约2.1m，采用放坡支护开挖，基坑底位于填土层中；新建河渠基坑开挖深度约5.7m、开挖宽度约17.8m，采用φ700@500 格栅式搅拌桩重力式挡墙+φ600×14@3000 钢管撑支护，基坑底位于粉质粘土层中。

2 三维有限元数值模拟分析

基于项目周边环境情况、场地地质情况、拟建项目施工图纸、已建隧道结构竣工图纸，最终确定分析模型的大小（长×宽×高）为390m×140m×50m。虑岩土体为半无限体，模型以外不再考虑变形，即设定为固定边界；根据场地详细勘察报告设置模型岩土地层参数，详见表1；模型顶面考虑20kN/m2地面活动荷载。最终建立的整体三维有限元模型如图4、图5 所示。

图4 三维有限元分析模型（一）

图5 三维有限元分析模型（二）

根据相关设计图纸及施工方案，结合现场实际情况建立三维整体有限元模型，关键工况如下：

工况一：施工河涌基坑支护结构并开挖到基坑底；

工况二：施工G106 国道桥梁桩基；

工况三：吊车吊装施工预制桥梁结构，施加地面施工荷载；

工况四：施工污水管顶管工作井及污水管；

工况五：施工电缆管；

工况六：运营阶段分析，施加道路运营荷载。

经过计算分析，地铁隧道结构位移有限元计算结果

3 结论

基于项目基本工程概况、勘察资料、设计图纸、施工方案、隧道结构图纸等提资，通过涉铁工程施工对地铁隧道影响的三维有限元模拟分析，可得到如下结论：

⑴涉铁市政桥梁及配套工程施工将使得地铁隧道发生一定量位移和内力变化，隧道结构发生的最大水平位移为1.269mm、最大竖向隆起位移为2.928mm，轴力最大变化量为88.39 kN/m、变化率为10.58%，弯矩最大变化量为9.87kN·m/m、变化率为13.22%。待涉铁市政工程完工且道路运营后，隧道结构位移小于国标《城市轨道交通结构安全保护技术规范》地铁隧道结构保护要求限制20mm，应力变化后地铁隧道结构的配筋及裂缝满足规范及设计要求。

⑵基于以上分析计算结果可知，虽然涉铁工程距离云图详见图6、图7，数据汇总表详见表2、表3。地铁隧道结构较近，但桩基采用了全套管施工工艺的嵌岩桩、河渠改渠箱的基坑实际挖深不深且隧道所在区域土层相对较好，因此广州地铁隧道结构在涉地铁市政工程施工和道路运营过程中是安全的。

图6 工况六完成后隧道结构总位移云图

表2 地铁隧道位移变化有限元计算结果汇总

表3 地铁隧道应力变化有限元计算结果汇总

图7 工况六完成后隧道结构弯矩云图

4 建议

⑴施工完桥梁桩基础后，需配置吊车吊装施工预制桥梁结构，此时地面荷载达到最大，这个工况下隧道结构的位移及内力也发生了明显变化，现场应铺设足够厚度和宽度的钢板、甚至施工临时砼板地面，将吊车传导下来的集中荷载尽可能扩散开来，避免地铁隧道结构上的附加应力过于集中。

⑵距离地铁隧道距离小于5m 的桩基施工时，建议跳桩、对称施工以减小应力传递效应；污水管顶管施工应加强导向和测量，确保管道与地铁隧道保持安全距离。

⑶立体交叉节点涉铁工程较为复杂，涉及近距离桩基施工、上跨基坑开挖、顶部顶管顶进施工等，但其中河渠基坑开挖主要引起隧道隆起，桩基施工及吊车吊装施工、预制桥梁结构施工主要引起隧道沉降，应特别注意对涉铁关键工况采取针对性管控措施。