盾构隧道下穿对高铁桥梁稳定性影响分析.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１８）０６００５６０３・隧道／地下工程・盾构隧道下穿对高铁桥梁稳定性影响分析刘记（中铁四院集团广州设计院有限公司广东广州５１０６００）摘要：以深圳地铁某区间盾构隧道下穿广深港高铁桥梁为例，采用三维有限元数值方法模拟了地铁先掘进左线和先掘进右线两种工况，对比分析两种工况下高铁桥墩顶位移。结果表明：受高铁桥下净空限制，在无法施工隔断桩防护的情况下，由于左线隧道覆土厚度较大且距高铁桥梁略远，地铁盾构先掘进左线时高铁桥梁产生的变形值较小，对桥梁稳定性影响较小，且变形满足高铁桥梁变形相关规定，不影响高铁运营安全。该结论对类似工程有一定的借鉴意义。关键词：盾构隧道高铁桥梁桩基有限元分析稳定性中图分类号：Ｕ４５５．４３文献标识码：Ａ—ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４５３９．２０１８．０６．０１５ＩｎｆｌｕｅｎｃｅＡｎａｌｙｓｉｓＷｈｉｌｅＭｅｔｒｏＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌｌｉｎｇＵｎｄｅｒｎｅａｔｈｏｎｔｈｅＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＨｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙＢｒｉｄｇｅＬｉｕＪｉ（ＧｕａｎｇｚｈｏｕＨｏｌｄｉｎｇＣｏｍｐａｎｙｏｆＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｉｙｕａｎＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１０６００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴａｋｉｎｇａｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎＳｈｅｎｚｈｅｎＭｅｔｒｏｗｈｉｃｈｉｓｕｎｄｅｒｔｈｅＧｕａｎｇｚｈｏｕＳｈｅｎｚｈｅｎＨｏｎｇＫｏｎｇ—ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒｍｌｗａｙｂｒｉｄｇｅａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｔｈｒｅｅ・ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｔｗｏｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｎａｍｅｌｙｌｅｆｔｌｉｎｅｈｅａｄｉｎｇｆｉｒｓｔａｎｄｒｉｇｈｔｌｉｎｅｈｅａｄｉｎｇｆｉｒｓｔ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｉｓｍａｄｅｆｏｒｔｈｅｔｏｐｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅ—ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｂｒｉｄｇｅｐｉｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ：ｏｗｉｎｇｔｏｔｈｅｌｉｍｉｔｏｆｔｈｅｓｐａｃｅｏｆｔｈｅ—ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐａｒｔｉｔｉｏｎｐｉｌｅｃａｎｎｏｔｂｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ，ａｎｄｄｕｅｔｏｔｈｅｌａｒｇｅｒｃｏｖｅｒｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｔｈｅｆａｒｄｉｓｔａｎｃｅｔｏｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆ—ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｂｒｉｄｇｅｉｓｓｍａｌｌｅｒａｎｄｈａｓｌｅｓｓｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｂｒｉｄｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｗｈｅｎｔｈｅｆｉｒｓｔｌｅｆｔｌｉｎｅｏｆｔｈｅｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇｗｈｉｃｈｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｂｒｉｄｇｅ，ａｎｄｄｏｅｓｎｏｔａｆｆｅｃｔｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓａｆｅｔｙｏｆ—ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ．Ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｈａｓｓｏｍｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄ—ｔｕｎｎｅｌ；ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｂｒｉｄｇｅ；ｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．，。一高的项目其安全性受到众多因素的影响，盾构下穿’““铁路引起的铁路线路变形，加剧了轨道的不平顺，近年来深圳轨道交通领域发展迅速，随着深圳加大了轮轨问的冲击力，加速轨道结构和基床的破地铁四期线网规划的实施¨。，深圳地铁目前已进人坏口－４３。尤其是高速铁路对变形控制非常严格，地高速发展阶段，预计至２０２０年线网规模将达１６条铁盾构下穿使高铁桩基发生变形和变位，直接影响线，总长度约５９６．９ｋｍ，远景年线网由２０条线路组高速铁路行车安全。成，总长度约７５３ｋｍ旧。。与此同时，受城市地理环地铁盾构隧道近接高铁桥梁施工已有部分研境的影响，深圳出现越来越多的地铁盾构下穿既有究成果。这些研究［５。１０１主要是根据已经实施或即线工程。盾构隧道穿越作为一种施工难度大、风险将实施的一些工程案例，结合数值模拟结果预测和收稿日期：２０１８－０３一０２评估近接施工引起的既有桥梁变形，进而评价既有菱皇翌贯：宝要舞路总冬ｉ攀彗篓銮强嬲ｊ臻』型恕８旦一结构和铁路营运是否安全，并建议地铁盾构下穿前作者简介：刘记（１９８５一），男，工程师，主要从事隧道工程设计与施工”’…………………………一～～～技术研究。采用隔离桩隔断隧桩间位移等措施来保障铁路安Ｓ６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８（０６ｌ万方数据・隧道／地下工程・全。受既有桥下净空限制，无法实施隔离桩等保护措施，在此情况下如何评价盾构法下穿对高铁桥梁结构和稳定性影响，该影响是否满足铁路安全营运要求，目前关于这方面的研究较少涉及。本文主要通过数值模拟的手段，分析盾构隧道下穿高铁桥梁时通过合理安排地铁左右线施工顺序，研究在不采用隔离桩防护的情况下地铁先掘进左线和先掘进右线两种工况对高铁桥梁影响的差异性，进而评估盾构下穿时高铁的安全。２工程概述深圳某地铁区间下穿广深港高铁特大桥，地铁与高铁平面接近正交，地铁隧道与桥梁桩基最小净距约１０．１ｍ，如图１所示。下穿段拟采用盾构法施工，隧道内径５．５ｍ，外径６．２ｍ，衬砌采用０．３５１ＴＩ厚Ｃ５０钢筋混凝土，盾构隧道断面如图２所示。图１区间下穿广深港客专横断面示意（单位：ｍｍ）图２盾构隧道结构断面（单位：ｍｍ）广深港高铁设计速度３５０ｋｍ／ｈ，桥面采用板式无碴轨道。地铁下穿特大桥３０＃、３１＃、３２＃桥墩。该跨段为简支箱梁，３０＃墩采用实心墩、３２＃墩采用空心墩，３１撒后期变更为实心墩。铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ３盾构下穿桥梁施工影响数值模拟３．１计算模型采用Ｍｉｄａｓ／ＧＴＳＮＸ建立三维有限元模型，模型以广深港高铁顺桥向为ｘ轴，以横桥向为Ｙ轴，竖向为ｚ轴建立三维模型。为消除模型边界效应，ｘ轴取１００ｍ，Ｙ向取６０ｉｎ，Ｚ向取为４７．５ｍ。模型共划分单元５８２６３０个，节点８５５６６个。整体模型及位置关系模型见图３和图４。图３整体模型示意图４位置关系模型３．２基本假定（１）各土层呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性，土体采用摩尔一库伦本构关系；（２）结构体的变形在弹性范围内；（３）模型处于弹性半无限空间中；（４）盾尾空隙、土体扰动及同步注浆采用０．５ｍ…厚等代层模拟Ｊ。３．３边界条件模型顶面为自由面，无约束；模型底面每个方向均约束；模型四个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束¨２｜。３．４计算参数根据地勘资料，参考相关规范，取各土体及结构的物理力学参数见表１、表２。表１各土层物理力学参数编土层∥容重变形模量泊松黏聚力内摩擦号（ｋＮ・ｍ－３）■量／ＭＰａ比ｕｃ，ｋＮ∥角（。）ｌ１．１素填土１９．１１００．３５２０１０２１－２杂填土１９．１１００．３５２０１０３３－３粗砂１９．５１５Ｏ．２９３６４５－２粉质黏土１８．５４０Ｏ．３０２５２０—９１全风化５１８．６９００．２５３２２０混合花岗岩９－２．１强风化混合６１９．６１０００．２３４０２０花岗岩（土状）９－２－２强风化混合７２３．０１２０Ｏ．２０４２花岗岩（半土半岩）２０１８（０８Ｊ万方数据・隧道／地下工程・表２结构构件尺寸及参数编模拟弹性模型参数号构件尺寸／ｍ容重弹性模量泊松单元∥（ｋＮ・ｍ。）Ｅ／（ＭＮ・ｍ一２）比ｌ桩基直径ｌ梁２５．Ｏ３０ｏｏＯＯ．２２墩台按设计实体２５．Ｏ３０００００．２３管片厚０．３５板２５．０３４５００Ｏ．２３．５左线先掘进计算结果分析左线盾构行进至贯穿时，承台及桥墩由于开挖引起的地层位移发生自身的变形。ｘ向变形最大值为１．３３ｍｍ，位于３０号桥墩墩顶，靠近盾构区的位置，如图５所示；Ｙ向变形最大值为０．１６ｍｎ＇ｌ；竖向变形相对比ｘ向变形变化值较小，最大值为０．３３ｍｍ，最大变形位置位于３１号承台盾构区外侧。右线盾构完全贯穿后，位于两隧道中心的３１号承台受到了二次影响，此时３１号墩台由于右线开挖产生向右线的水平变形。ｘ向变形最大值为１．７１ｍｍ，位于３２号桥墩墩顶，如图６所示；Ｙ向位移最大值为０．２１ｍｍ；竖向变形相对比水平向变形变化值较小，此时由于右线开挖，３２号承台受到了局部影响。三座承台变形最大值为Ｏ．＂７０ｍｍ，最大变形位置位于３２号承台靠近盾构区的位置。由上可知，桥梁墩台在盾构下穿时，水平向与竖向均发生了一定变形，但数值较小，未超过铁路相关标准规定的２ｍｍ这一限值，铁路安全可控。桥梁墩台差异沉降在左线贯穿、右线贯穿两个阶段最大值分别为Ｏ．３７ｍｍ、０．７０ｍｍ，未超过铁路相关标准规定的５ｍｍ这一限值。尸产Ｉ●互：：＝＝＝＝鞲。＝Ｅ：篇ｌ互：：：…Ｉ罾一Ｅ＝＝＝＝旺：＿＝：＝：＝ｋ图５左线先掘进左线贯穿时承台Ｘ向位移＆掌图６左线先掘进右线贯穿时承台Ｘ向位移铁道建筑技术３．６右线先掘进计算结果分析当右线贯穿后，ｘ向变形最大值为１．８４ｍｍ，位于３１号桥墩墩顶，如图７所示；Ｙ向变形最大值为０．２２ｍｍ；竖向变形最大值为０．６９ｍｍ，最大变形位置位于３２号承台盾构区内侧。左线盾构完全贯穿后，ｘ向变形最大值为１．８３ｍｍ，位于３２号桥墩墩顶，如图８所示；Ｙ向位移最大值为０．２４ｍｍ，基本未发生变形。竖向变形由于左线开挖，３０号承台受到了局部影响，三座承台变形最大值为０．７１ｍｍ，最大变形位置位于３２号承台靠近盾构区的位置。严ｆ图７右线先掘进右线贯穿时承台也广ｊｉｌ雕三；’’…ＨＩ一｜；＝＝＝：：｜－：：：：：…｜０一一ｌ一《：：：＝≈－一：：＝＝：＝ＬＸ向位移●互：．＝二＝：：Ｅ：：：：…－蚤ｍＥ互：：：＝：：…ｒ０・Ｉ：《：：：：≥…Ｉ一ｔＥ：：：：：＝：图８右线先掘进左线贯穿时承台Ｘ向位移由此可见，桥梁墩台在盾构左右线下部以一定角度斜穿后，水平向与竖向均发生了一定变形，但数值较小，未超过规定限值２ＴＴ＇ｒｔｍ。桥梁墩台差异沉降在右线贯穿、左线贯穿两个阶段最大值分别为１．１３ＩＴＬｍ、０．８２ｍｍ，均未超过５ｍｍ。铁路处于安全范围之内。３．７两工况结果对比对盾构隧道下穿高速铁路桥进行三维有限元数值模拟，分析左线先开挖、右线先开挖两种工况，得到桥墩的位移数据，数据汇总见表３。表３各项目计算结果汇总施工施工广深港客专桥墩台附加位移／Ｈｎ承台差异沉降／舢工况步骤ｘ向Ｙ向ｚ向左线左线贯穿１．３３０．１６Ｏ．３３０．３７先掘进右线贯穿１．７１Ｏ．２ｌ０．７００．７０右线右线贯穿１．８４０．２２Ｏ．６９１．１３先掘进左线贯穿１．８３０．２４Ｏ．７ｌ０．８２运营阶段一０．０６２—０．０１０—０．０６８（下转第１１４页）ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８（０６Ｊｌ｛！ｌ｛｛｛｛ｌｌｌｔ一。裟篙＝ｉ｛ｌｌｌ；一。善匿睡匮障￥ｋ■■■■■■●■■■■紫衍阡万方数据・其他・‘’Ｏ。。．２，４。：Ｉ：：，警向最大位警望２：１７：量皇翌墨查沉［３］蕃；矗。，茹学，等．地铁盾构隧道下穿京津城际高速鬯善值垫・．・１３ｍｍ。ｏ．．鉴整体考孽，要字隧孽亨登查≯。。误嘉戛；寡并［ｊ］：善至蒜：恭ｉ妄）。：嘉９二易。掘进工况对于既有结构的影响稍微大于盾构隧道［４］蔡小培，蔡向辉，谭诗宇，等．盾构下穿施工对高速铁一』型，当罢譬茎套景旱曼竺黑、？篡了茎［９，藁差高：７备构下穿既有铁路时安全技术措施研究［Ｊ］．萱兰篓要耋，要篓竺！掌兰要望孥芒篓登曼，盾””“卜。簇薹磊磊曩票Ｒ阢删叫又１抛。、瑁肥驯兀¨卜４尊！雾芒程亨：夕｝！墨掘进墨鍪警型ｊ璺謦验段取１哥１３［１０］兰磊：磊落：森，颖２０人１５．（７隧）道：４６近－接４９桩．基的安全系数研究的盾构施工参数指导正式下穿铁路桥梁施工。‘。［ＪＪ．岩土力学，２叭２ｌｓ２）：２６ｊ二２６４．一…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