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摘要：城市桥梁施工可能对下方既有地铁隧道结构产生不利影响，本文以月亮湾立交-桂庙路主线跨线桥上跨深圳地铁11号线盾构区间为例，采用Plaxis有限元软件，通过二维和三维有限元模型对成孔施工、桩基施工与承台开挖、桥面施工加载等工况进行模拟，对地铁隧道及其周围土体的变形情况影响分析，并采取隧道保护措施，满足地铁保护的要求，保证桥梁施工和下穿地铁隧道的安全。
关键词：城市桥梁施工; 地铁隧道; 影响分析
1 概述
随着城市地下轨道交通快速发展，城市桥梁与地铁隧道相交问题日益突出。桥梁桩基施工和桥面施工加载会造成周围土体的位移和应力变化，任何对土体的扰动都会改变原有的平衡状态，这将会影响临近的地铁隧道。地铁正常运行对变形有严格的要求，隧道结构最终绝对位移不能超过20 mm，变形曲率半径不小于1/15 000，相对弯曲不大于1/2 500[1]。桥梁桩基施工不仅要满足隧道变形的要求，而且应该严格地控制施工引起的周边地面沉降、隧道结构的位移。
本文以月亮湾立交-桂庙路主线跨线桥上跨地铁11号线隧道为例，采用PLAXIS建立平面和三维有限元模型，对城市桥梁施工上跨地铁隧道影响分析开展全面研究，具有在类似城市桥梁施工提供指导和参考，从而具有推广应用的价值。
2 工程概况
月亮湾立交位于前海与南山区交界处，是月亮湾大道和海滨大道（桂庙路）两条快速路的转换节点，也是区域、市域范围内重要的枢纽型全互通立交，东西两端连接桂庙路一期工程，南北两端接月亮湾大道快速化改造工程。桂庙路主线跨线桥是月亮湾立交工程的重要组成部分，东西两侧与桂庙路一期U槽接顺。路线由西向东连续上跨现状桂庙渠、怡海大道临时路、规划怡海大道、现状平南铁路、规划环状水廊道、现状月亮湾大道，路线全长0.77km,主线桥长520m/1座，沿线涉及前海区及南山区。采用城市快速路标准，双向八车道，设计车速80km/h。
地铁11号线目前已开通运营，东西向穿越桂庙路主线跨线桥范围，工程区域地铁11号线结构顶标高约为-19m（埋深24m）。桂庙路主线跨线桥左幅桥投影范围与地铁11号线重叠，冲突无法避免，需在地铁两盾构结构之间设置桩基，最小净距为2.25m。
图1跨线桥平面示意图
3地质条件
场区岩层分部主要为：杂填土（局部有块石）、淤泥、粉质粘土、砂质粘土、花岗岩、碎裂岩，大部分桩基以中分化或微风化花岗岩作为持力层，局部有碎裂岩的桩基按摩擦桩设计。不良地质：场地范围填土层内均有块石，块石含量为60％～80％，块径为15～50cm，层顶深度0～5.9m，层厚1～8.7m，平均3.36m。
地铁11号线隧道主要处于硬塑状砂质粘性土与全风化及强风化花岗岩中。
4 数值计算方法
4.1 PLAXIS 2D/3D
为准确评估月亮湾立交-桂庙路主线跨线桥施工及运营对地铁11号线盾构隧道影响程度，采用有限元软件PLAXIS 2D/3D进行了数值分析。Plaxis软件是国际通用的岩土工程有限元软件，操作流程简明清晰，具备强大的建模、分析功能，拥有非常全面的土本构模型：线弹性模型、硬化土模型、Mohr-Coulomb模型、软土蠕变模型、剑桥模型、小应变模型等，可以对土体的固结、渗流、蠕变、流固耦合等特性进行很好地模拟。
4.2土体材料本构模型
数值分析方法由于能模拟土的分层情况、土的性质、地下结构、土与结构相互作用以及实际施工过程，是解决复杂岩土工程问题的有效手段。数值分析结果的合理性和准确性很大程度上取决于本构模型和相关参数选取的合理性，其中以土的本构模型和参数的选取最为关键。目前，仍很难找到一个本构模型能包容性地考虑土体的所有受力变形特性。
依据地下工程施工数值模拟，采用线弹性模型较难准确的预测地层变形和应力分布，而考虑土体小应变情况下的非线性特性能够更好的反应工作荷载状态下的土与结构相互作用。因此，本工程拟采用PLAXIS3D有限元软件，土体本构模型采用Hardening Soil Small（HSS）模型。
4.3数值分析土层模型及参数
为验证数值计算模型与参数的准确性，利用深圳桂庙路快速化改造项目中月亮湾以西隧道变形实测数据进行了反分析。反演模型以该项目K1+560 剖面为例，采用二维有限元软件 Plaxis 2D 进行模拟验证，该剖面概况如图2所示。地铁隧道拱顶埋深约20m，基坑开挖深度约5.2m，地层条件自上而下分别为：填土、填石厚9m；淤泥层1.8m；粘土层5.2m；砾质粘土层6.5m；砾质粘土层下面为全风化粗粒花岗岩，地下水位于地表以下约3m。模型尺寸 150m×50m。
(a)模拟剖面隧道实测上浮变形 (b)数值模拟结果
图3数值模拟结果
5.桥梁施工对地铁隧道影响分析
5.1桥梁桩基与地铁11号线相对位置关系
图4跨线桥与地铁11号线相对位置关系剖面图
月亮湾立交东西向主桥与地铁11号线基本平行，多根桩基位移地铁11号线左右线隧道之间。综合考虑隧道与桩基的相对位置关系与地质条件，选择里程桩号K1+793这个区域进行三维数值模拟分析，左右线隧道均位于桩基中间，双线隧道埋深22m, 水平间距13m。左侧桥墩桩直径180mm，横向间距15m；右侧桥墩桩直径150mm，横向间距5.264m，采用C30混凝土。
5.2地铁安保措施
为减小桩基施工及运营期间对临近地铁隧道影响程度，设计桩基开挖在隧道底以上采用钢套管(t=14mm)支护，套管外侧进行减摩处理，施工完成后套管不予拔除，隧道底以下部分采用泥浆（容重12kN/m3）护壁支护，并在桩内预埋注浆管，在成桩后进行桩端后注浆处理。
5.3计算分析
5.3.1模型参数及模拟过程
（1）材料模型及计算参数
本次分析对围护桩体和隧道衬砌采用板单元模拟，采用线弹性模型，结构与土界面采用Goodman单元。模型范围内土层采用小应变土体硬化模型（HSS模型）进行模拟，参数见表1所示。隧道底以下桩基泥浆护壁支护采用面荷载模拟，隧道底高度处荷载大小为344.4 kN/m2，荷载梯度为12kN/m2/m。
表1土层模型及计算参数
（3）数值模型
分析中取一个间距为纵向分析范围，为消除边界条件的影响，横向分析范围取左右侧结构（隧道或桩基）以外各50m。因此，计算模型尺寸长90m，宽27m，高50m。
图8桩基成孔施工完成时隧道水平变形云图
图7、8分别为K1+793断面桩基成孔施工完成时隧道竖向变形及水平变形云图，由图可知，右线隧道拱顶最大沉降量为0.75mm,拱底最大隆起量为0.27mm，左侧拱腰最大变形量为0.52mm，右侧拱腰最大变形量为0.67mm；左线隧道拱顶最大沉降量为0.76mm,拱底最大隆起量为0.27mm，左侧弓腰最大变形量为0.53mm，右侧拱腰最大变形量为0.66mm；左右线隧道变形相近，且均满足《深圳市地铁集团有限公司地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法》中对于地铁隧道变形控制的要求。
（2）桩基施工与承台开挖（开挖坡率1:1）
图9为K1+793断面承台开挖完成后地层与隧道竖向位移云图，由图可知，基坑底最大隆起量为21.17mm。
图9承台放坡开挖完成时地层竖向位移云图
（a）右线隧道 （b）左线隧道
图11 桩基施工与放坡开挖完成时隧道竖向变形云图
图10、11分别为K1+793断面桩基施工与放坡开挖完成时隧道竖向变形及水平变形云图，由图可知，右线隧道拱顶最大隆起量为0.89mm,拱底最大隆起量为0.35mm，左侧弓腰最大变形量为0.29mm，右侧拱腰最大变形量为0.39mm；左线隧道拱顶最大隆起量为0.93mm,拱底最大隆起量为0.39mm，左侧弓腰最大变形量为0.49mm，右侧拱腰最大变形量为0.16mm；左右线隧道变形相近，且均满足《深圳市地铁集团有限公司地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法》中对于地铁隧道变形控制的要求。
（3）桥面施工加载
图12为K1+793断面桥面施工加载完成时地层竖向位移云图，由图可知，地层最大沉降变形量为24mm。
图12桥面施工加载完成时地层竖向位移云图
（a）右线隧道 （b）左线隧道
图13 桥面施工加载完成时隧道竖向变形云图
（a）右线隧道 （b）左线隧道
图14 桥面施工加载完成时隧道水平变形云图
图13、14分别为K1+793断面桥面施工完成时隧道竖向变形及水平变形云图，由图可知，右线隧道拱顶最大沉降量为4.22mm,拱底最大沉降量为2.12mm，左侧拱腰最大变形量为0.78mm，右侧拱腰最大变形量为0.94mm；左线隧道拱顶最大隆起量为5.16mm,拱底最大沉降量量为2.82mm，左侧拱腰最大变形量为1.34mm，右侧拱腰最大变形量为0.78mm；左右线隧道变形相近，且均满足《深圳市地铁集团有限公司地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法》中对于地铁隧道变形控制的要求。
6、结语
拟建月亮湾立交-桂庙路主线跨线桥处于地铁11号线正上方，且地铁11号线已运营，桥梁施工及运营期间将不可避免地对地铁11号线隧道产生一定扰动影响，通过研究分析跨线桥施工对地铁11号线扰动影响程度，主要结论如下：
（1）通过文献调研得知，当在隧道上方进行基坑开挖卸载及桥梁施工时，盾构隧道将不可避免的受到扰动影响而产生一定变形，但通过采取地层加固、控制开挖方法、钢套筒护壁等保护措施，可将隧道变形控制在影响范围内。
（2）通过对桥梁施工进行PLAXIS有限元数值分析，桥面施工过程中，分析的断面处隧道最大竖向位移均小于8mm，最大水平变形均小于4mm，满足《深圳市地铁集团有限公司地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法》中对于地铁隧道变形控制的要求。
（3）桩基施工应采取跳孔、逐桩开挖，并采用优质泥浆与钢护筒护壁。
（4）跨线桥施工过程中加强对隧道的变形监测，及时反馈监测信息以指导施工，必要时可利用管片吊装孔予以注浆加固。
本文通过研究月亮湾立交-桂庙路主线跨线桥对下穿地铁11号线隧道的影响分析，旨在阐述城市桥梁施工时对下穿地铁隧道的影响控制在允许范围内，经全面分析论证，运用可靠的计算模型、软件 ，能够进一步提高类似工程项目的建设效率，从而有效解决工程建设过程中问题，保证地铁运营安全，促进工程顺利的开展。
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作者简介：徐伦(1986-)，男，汉族，工程师，2010年毕业于深圳大学交通工程专业，工学学士，从事桥梁工程设计及管理工作。
论文作者:徐伦
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第21期
论文发表时间:2019/5/13
标签：隧道论文; 地铁论文; 桩基论文; 量为论文; 模型论文; 桥梁论文; 月亮论文; 《建筑细部》2018年第21期论文;