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浅谈砂卵石地层盾构下穿铁路框构桥桥体影响分析

范文

王吉勇

摘要：沈阳地铁九号线皇-北盾构区间下穿兴华北街公铁框构桥，框构桥上部为铁路线路（沈山乙线、京哈上行、京哈下行、沈山甲线、3条动车组停车线），线路密集，施工过程桥梁变形控制难度大，下穿框构桥时，盾构推进扰动土体将给铁路线路带来不利影响，考虑到施工安全，在盾构下穿桥梁前对扰动桥梁结构土体产生桥梁的影响进行模拟分析，通过模拟在施工中采取有效措施控制桥梁结构变形，确保铁路线路运行安全。

Abstract： The Shenyang Metro Line 9 Huang-Bei Shield tunnel section passes through the Xinghua North Street public railway frame bridge. The upper part of the frame bridge is the railway line （Shenshan Line B， Jingha Uplink， Jingha Downlink， Shenshan Line A， 3 EMUs Parking lines）. With dense lines， it is difficult to control bridge deformation during construction. When underpassing the framed bridge， the disturbance of soil caused by shield advance will adversely affect the railway line. In consideration of construction safety， the impact of the disturbance of the bridge structure soil on the bridge is simulated and analyzed， and effective measures are taken to control the deformation of the bridge structure during the construction to ensure the safety of the railway line operation.

关键词：砂卵石地层;盾构下穿;铁路框构桥;模拟分析

Key words： sand pebble strata;shield tunneling;railway frame bridge;simulation analysis

中图分类号：U445.7+2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号：1006-4311（2020）08-0151-05

0 ?引言

沈阳地铁九号线皇-北区间主要位于砂卵石地层中，地下水位较低但含水层水量充沛，土层结构较为松散。盾构下穿铁路框构桥距桥底最小距离6.9m，施工过程中极易扰动土体，对框构桥稳定性产生影响，进而影响桥梁上部铁路线路运行安全。本工程在盾构施工前根据区间地质勘察报告结合桥梁结构整体情况对施工前、施工中及施工后对框构桥梁进行有限元建模分析，模拟盾构下穿工况，预判施工中桥梁形变量，通过提前调整盾构施工参数等方式控制对桥梁影响。

1 ?工程概况

兴华街公铁地道桥为2座，均为框架结构，孔跨为2-15.5m，其中1号桥长51.7m，宽20.8，高9.1m，2号桥桥长83.4m，宽20.8m，高7.73m，结构尺寸均为顶板0.8m，侧墙1.1m，底板1.1m。工程主线与兴华街公铁桥1、2号桥分别在DK3+325.54、DK3+224.36处相交，桥基底距隧道顶最小埋深6.9m。隧道与立交桥垂直相交，1号桥由南向北分别下穿动车组3条停车线（均为无砟轨道）、下穿沈山乙线、京哈上行、京哈下行、沈山甲线，4条铁路线其中3条为直线有砟轨道，一条含道岔有砟轨道（沈山乙线）。

2 ?地质水文

2.1 地质情况

根据钻探揭示，本標段勘察深度范围内的地层结构由第四系全新统人工填筑层（Q4ml）、第四系全新统浑河高漫滩及古河道冲积层（Q42al）、第四系全新统浑河新扇冲洪积层（Q41al+pl）、第四系上更新统浑河老扇冲洪积层（Q32al+pl）、第四系中更新统冲洪积及冰水沉积层（Q2pl+fgl）组成。

2.2 水文情况

本工程沿线路仅存在一层地下水，赋存于圆砾、砾砂等强透水层中，按埋藏条件划分，属第四系孔隙潜水。局部地段存在由地下管道、工业及生活用水入渗形成的上层滞水。

3 ?计算模拟

利用三维有限元对盾构施工进行了模拟，采用的软件为大型有限元通用软件GTS。数值计算模型范围：模型长度为93.6m，宽度为68.4m，高度为50.8m;模型约束：前、后及左、右面边界均采用水平约束，底边界受竖向约束，顶面为自由面;计算模型共划分40438个单元，40561个节点。分析模型如图3。

3.1 主要材料力学参数（表1-表3）

3.2 荷载

恒荷载：自重、轨道荷载、公路路面铺装;

活荷载：列车荷载（满载）、汽车荷载、行人荷载。

在没有地层加固条件下，模拟盾构施工过程地面及框构桥桥体沉降分析。

①左线下穿桥体（盾构刀盘到达桥体端部）后桥体变形情况如图4。

②左线盾构刀盘离开桥体18环（21.6m）后桥体变形情况如图5。

③右线下穿桥体（盾构刀盘到达桥体端部）后桥体变形情况如图6。

④右线盾构刀盘离开桥体18环（21.6m）后桥体变形情况如图7。

从以上桥体变形分析结果可知，左线盾构在桥下掘进施工期间，对桥体及路基竖向变形有着一定的影响，左线盾构刀盘到达桥体端部时桥体变形最大值为5.7mm，左线盾构刀盘离开桥体18环（21.6m）时桥体变形最大值为6.4mm;右线盾构刀盘到达桥体端部时桥体变形最大值为8.1mm，右线盾构刀盘离开桥体18环（21.6m）时桥体变形最大值为8.3mm。

图8为动车轨道两个特殊状态时的沉降槽曲线。动车线轨道在左线盾构刀盘到达桥体端部和右线盾构刀盘到达桥体端部时的纵向最大高差分别为2.4mm和2.8mm。沈山乙线轨道在左线盾构刀盘到达桥体端部和右线盾构刀盘到达桥体端部时的纵向最大高差分别为1.7mm和2.5mm。

3.3 框构桥受力分析

①盾构机未临近框构桥时，框构桥主应力分布情况如图9、图10。

②左线下穿桥体（刀盘到达桥体端部）后，框构桥主应力分布情况如图11、图12。

③左线盾构刀盘离开桥体18环（21.6m）后，框构桥主应力分布情况如图13、图14。

④右线下穿桥体（刀盘到达桥体端部）后，框构桥主应力分布情况如图15、图16。

⑤右线盾构刀盘离开桥体18环（21.6m）后，框构桥主应力分布情况如图17、图18。

4 ?结语

从盾构施工各阶段框构桥主应力分布图可以看出，左线下穿桥体（盾构刀盘到达桥体端部）后，既有框构桥最大拉应力由1.43MPa减小至1.41MPa，最大压应力由3.1MPa减小至3.09MPa;左线盾构刀盘离开桥体18环（21.6m）后，框构桥最大拉应力和最大压应力分别变为1.42MPa和3.09MPa，表明桥体受力状态变化均较小;右线下穿桥体（盾构刀盘到达桥体端部）后，框构桥最大拉应力由1.42MPa下降至1.16MPa，最大压应力由3.09MPa下降至2.74MPa，右线盾构刀盘离开桥体18环（21.6m）后，框构桥最大拉应力和最大压应力分别变为1.15MPa和2.64MPa，对既有桥内力影响反而减少。

根据盾构施工前模拟分析，针对砂卵石地层可采用提前預注浆及控制盾构施工各项参数的方式达到控制盾构到达前、推进中及穿越后对桥体、土体的影响，将沉降、隆起等情况达到可控状态，确保盾构机在下穿框构桥施工中上部铁路线路的运行安全。

参考文献：

[1]李彬.地铁盾构法下穿铁路框构桥分析研究标准[J].中国标准化，2017（04）：202-203.

[2]何延松.沈阳地铁十号线工程下穿沈抚铁路框构桥施工模拟分析[J].科学技术创新，2014（26）：243-244.

[3]蔡唐涛.下穿隧道对既有桥梁结构影响的数值分析[J].路基工程，2016（01）.

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