隧道盾构下穿施工对既有铁路桥梁的影响研究

引言

在盾构下穿既有铁路桥梁过程中，盾构机的开挖、推进、注浆等作业环节会扰动周围土体，引起地层变形，进而对桥梁基础及结构产生影响。若处理不当，可能导致桥梁基础沉降过大、结构开裂、轨道变形等问题，严重威胁铁路行车安全。因此，深入研究隧道盾构下穿施工对既有铁路桥梁的影响具有重要的现实意义。

1 隧道盾构施工原理及特点

1.1 盾构施工原理

盾构机主要由刀盘、盾体、推进系统、管片拼装系统、注浆系统等部分组成。在施工过程中，刀盘旋转切削前方土体，土体通过螺旋输送机或泥浆循环系统排出。盾构机依靠推进系统的千斤顶提供推力，沿设计轴线向前推进。随着盾构机的推进，在盾尾同步进行管片拼装，形成隧道衬砌结构。同时，通过注浆系统向盾尾空隙注入浆液，填充盾尾与土体之间的间隙，减少地层变形。

1.2 盾构施工特点

盾构施工具有机械化程度高、施工速度快、对周边环境影响相对较小等优点。相比传统矿山法施工，盾构施工可有效减少人工开挖带来的安全风险，且施工过程受天气等自然因素影响较小。然而，盾构施工对设备性能、施工技术要求较高，施工过程中一旦出现问题，处理难度较大。在穿越复杂地层或既有建（构）筑物时，盾构施工引起的地层变形控制难度增加，需要采取一系列针对性措施确保施工安全与周边环境稳定。

2 隧道盾构下穿施工对既有铁路桥梁的影响机制

2.1 地层变形

（1）盾构施工引起地层扰动的原因。盾构机在掘进过程中，刀盘切削土体、盾构机壳体与周围土体摩擦、盾尾空隙的产生以及同步注浆不及时或不充分等因素，都会对周围地层产生扰动。刀盘切削土体破坏了原有的地层平衡，导致土体应力重新分布。盾构机壳体在推进过程中与土体之间的摩擦力，会使土体产生剪切变形。盾尾空隙的出现，使得周围土体失去支撑，在自重和附加应力作用下向空隙处移动。若同步注浆未能及时填充盾尾空隙，或注浆量不足、浆液性能不佳，土体的变形将进一步加剧。（2）地层变形对桥梁基础的影响。地层变形会通过土体与桥梁基础之间的相互作用，传递至桥梁基础，引起基础沉降、倾斜和水平位移。当盾构隧道从桥梁基础下方近距离穿过时，若地层发生沉降，桥梁基础底部土体的支撑力减小，基础会随之沉降。若地层沉降不均匀，基础将发生倾斜，影响桥梁结构的整体稳定性。地层的水平位移也会对桥梁基础产生侧向推力，导致基础产生水平位移，改变桥梁结构的受力状态。

2.2 桥梁基础沉降

（1）基础沉降对桥梁结构的危害。桥梁基础沉降会直接影响桥梁的结构安全和正常使用。基础不均匀沉降会使桥梁上部结构产生附加应力，导致梁体出现裂缝、变形，降低桥梁结构的承载能力。严重的基础沉降还可能使桥梁支座脱空、移位，影响支座的传力性能，进一步加剧桥梁结构的病害。（2）影响基础沉降的因素。影响桥梁基础沉降的因素众多，除了地层变形外，还包括盾构施工参数（如土仓压力、推进速度、注浆压力等）、桥梁基础类型、地质条件以及隧道与桥梁基础的相对位置关系等。合理的盾构施工参数能够有效控制地层变形，从而减小基础沉降。不同类型的桥梁基础（如桩基础、扩大基础）对地层变形的适应能力不同，桩基础能够通过桩身将荷载传递至深层稳定地层，对基础沉降的控制效果相对较好。地质条件的优劣直接关系到土体的力学性质，软弱地层更容易产生较大变形，导致基础沉降增大。

2.3 墩台位移

（1）墩台位移的产生原因。

盾构施工引起的地层变形不仅会导致桥梁基础沉降，还会使墩台产生位移。地层的水平位移和垂直位移都会对墩台产生作用力，促使墩台发生位移。此外，盾构施工过程中产生的振动和噪声，也可能对墩台周围土体的稳定性产生影响，进而导致墩台位移。（2）墩台位移对桥梁结构的影响。墩台位移会改变桥梁结构的受力体系，使桥梁上部结构的内力重新分布。墩台水平位移可能导致梁体与墩台之间的相对位置发生变化，使梁体受到水平推力，增加梁体的剪切力和弯矩。墩台的垂直位移与基础沉降相互叠加，进一步加剧桥梁上部结构的变形。当墩台位移超过一定限度时，会严重影响桥梁的结构安全，甚至可能导致桥梁垮塌。

2.4 结构内力变化

（1）盾构施工导致桥梁结构内力变化的过程。首先，基础沉降和墩台位移会使桥梁上部结构产生附加的弯曲和剪切内力。由于梁体两端的支撑条件发生改变，梁体的弯矩分布发生变化，跨中弯矩可能增大，而支座处的负弯矩可能减小。同时，墩台的水平位移会使梁体受到水平方向的力，产生附加的剪切内力。其次，盾构施工引起的振动和土体压力变化，也会对桥梁结构的内力产生动态影响。在盾构机靠近桥梁基础时，土体压力的变化会使桥梁基础和墩台受到额外的荷载，进一步改变桥梁结构的内力分布。（2）结构内力变化对桥梁安全性的评估。结构内力变化是评估桥梁在隧道盾构下穿施工期间安全性的重要指标。通过对桥梁结构内力的监测和分析，能够及时掌握桥梁结构的受力状态，判断桥梁是否处于安全运营状态。当结构内力超过桥梁设计允许值时，桥梁结构存在安全隐患，需要采取相应的加固或调整施工措施。

3 隧道盾构下穿施工对既有铁路桥梁影响的监测与控制措施

3.1 施工前评估与监测方案制定

在盾构下穿施工前，应对既有铁路桥梁的结构现状进行详细调查，包括桥梁结构形式、基础类型、材料强度、病害情况等，并通过理论分析、数值模拟等方法，预测盾构施工对桥梁结构的影响程度。根据评估结果，制定科学合理的监测方案，明确监测项目、监测点布置、监测频率及预警值等。

3.2 施工过程中的监测与数据分析

在盾构下穿施工过程中，严格按照监测方案进行实时监测，及时获取桥梁基础沉降、水平位移、结构内力、振动等数据。采用自动化监测系统，可实现数据的实时采集、传输与分析，提高监测效率与精度。对监测数据进行及时分析，绘制变化曲线，对比预警值，判断桥梁结构的安全状态。若监测数据出现异常，应立即停止施工，分析原因并采取相应措施。

4.3​采取地层加固措施

在盾构下穿既有铁路桥梁前，可对桥梁基础周边地层进行加固，提高土体的稳定性和承载能力。常用的地层加固方法有旋喷桩加固、注浆加固、搅拌桩加固等。通过地层加固，可减小盾构施工对土体的扰动，降低桥梁基础沉降和位移风险。

结语

隧道盾构下穿既有铁路桥梁施工是一项复杂的系统工程，施工过程中对桥梁结构的影响不容忽视。通过深入研究盾构施工对既有铁路桥梁的影响机制，采取科学有效的监测与控制措施，可最大程度降低施工风险，保障桥梁结构安全与铁路运营安全。随着城市建设的不断发展，未来将面临更多类似工程挑战，需进一步加强相关技术研究与实践应用，不断完善施工技术与管理水平，确保城市地下空间开发与既有基础设施安全协调发展。

参考文献

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