天津西站至天津站地下直徑線盾構(gòu)法穿越金鋼橋方案比選分析

王雪松 ，郭 友 ，栗燕娜

（1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院，天津市 300074；2.天津市市政工程研究院，天津市 300074）

1 工程概況

連接天津西站與天津站的地下鐵路直徑線是天津鐵路樞紐的重要組成部分，設(shè)計(jì)為鐵路Ⅰ級(jí)雙線動(dòng)車組列車隧道。線路自天津西站途經(jīng)河北大街快速路立交橋、泰達(dá)城規(guī)劃小區(qū),向南沿子牙河敷設(shè),穿越慈海橋、南運(yùn)河、金剛橋、獅子林橋后,下鉆海河、勝利路、京山線,最后進(jìn)入天津站。線路全長5.005 km，其中盾構(gòu)隧道長2.146 km,結(jié)構(gòu)斷面形式為圓形,采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)從天津站向天津西站方向掘進(jìn)。2006年9月開始天津地下直徑線的定測(cè)工作。兩條路線方案分別從海河?xùn)|西兩岸穿越金剛橋，其中方案一即海河西岸方案是從金剛橋左側(cè)的6號(hào)墩和7號(hào)墩之間穿越，方案二即海河?xùn)|岸方案是從橋右側(cè)的9號(hào)墩和10號(hào)墩之間穿越。

金鋼橋1996年改建，為三跨中承式無推力鋼管混凝土拱橋，橋梁全長600 m，橋?qū)?5 m。設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車—20級(jí)，掛車—100。圖1為方案穿越金鋼橋樁基立面位置示意圖。

圖1 方案穿越金鋼橋樁基立面位置示意圖（單位：m）

方案一：盾構(gòu)從金鋼橋大胡同側(cè)主橋6～7號(hào)墩中間穿過。6～7號(hào)墩間距25 m。地下直徑線隧道邊緣與6號(hào)墩邊樁樁尖最小水平凈距2.02 m，最小垂直凈距3.62 m；地下直徑線隧道邊緣與7號(hào)墩邊樁樁尖最小水平凈距3.68 m，豎向位置在灌注樁的中部。隧道軌面埋深32.99 m，洞頂覆土24.94 m。

方案二：盾構(gòu)從金鋼橋中山路側(cè)引橋的9、10號(hào)墩中間穿過。9～10號(hào)墩間距20 m。地下直徑線隧道邊緣與9號(hào)墩邊樁樁尖最小水平凈距2.08 m，最小垂直凈距4.89 m，地下直徑線隧道邊緣與10號(hào)墩邊樁樁尖最小水平凈距4.10 m，最小垂直凈距離為4.29 m。隧道軌面埋深33.82 m，洞頂覆土25.77 m。

2 盾構(gòu)穿越金剛橋樁基數(shù)值模型的建立

2.1 模型選取

模型采用平面應(yīng)變計(jì)算模型，計(jì)算區(qū)域取水平100 m，豎向取70 m。左右邊界設(shè)置水平約束，底部邊界設(shè)置垂直約束，上部為自由邊界。

2.2 材料參數(shù)選取

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，在盾構(gòu)穿越金鋼橋樁基的有限元分析模型區(qū)域內(nèi)，自上而下共分布23個(gè)土層。土體采用平面應(yīng)變單元、Mohr-Coulomb彈塑性模型進(jìn)行模擬，將樁、隧道襯砌簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧磸椥圆牧峡紤]。計(jì)算模型材料參數(shù)如表1、表2所列。

2.3 施工步驟模擬

根據(jù)相關(guān)盾構(gòu)資料，盾構(gòu)施工過程中整體狀態(tài)控制較好的情況下，地層損失率可控制在0.5%～1%；計(jì)算中考慮管片脫離盾尾，同步注漿完全填充管片和土體空隙前，土體應(yīng)力釋放率控制在15%內(nèi)，之后土體應(yīng)力完全釋放。

施工步驟考慮為3步：

（1）地層施加初始應(yīng)力場(chǎng)，在地表作用地面超載，在樁上作用力；

（2）盾構(gòu)推進(jìn)過程中，管片脫離盾尾后，同步注漿完全填充管片和土體的空隙并達(dá)到強(qiáng)度前，土體應(yīng)力釋放率取15%；

表1 土體材料參數(shù)

表2 模型材料參數(shù)

（3）壁后注漿達(dá)到強(qiáng)度后，管片充分發(fā)揮支撐作用，土體應(yīng)力釋放剩余的85%。

盾構(gòu)穿越土層后在地面形成沉降槽，盾構(gòu)頂最大沉降值為2.28 cm。天津地區(qū)類似大直徑盾構(gòu)推進(jìn)過程中引起的地面沉降值一般為+1～-3 cm，計(jì)算模擬數(shù)值與實(shí)際情況相符，因此所采用的地層參數(shù)和土體應(yīng)力釋放系數(shù)是合理的。圖2為地面沉降曲線。

圖2 地面沉降曲線

2.4 兩方案具體模擬參數(shù)

方案1海河西岸方案 :盾構(gòu)左上側(cè)為4排方樁，群樁上作用力12496 kN，模型中方樁上作用力取255 kN/m；盾構(gòu)右側(cè)為2排鉆孔灌注樁，群樁上作用力112235 kN，模型中鉆孔灌注樁上作用力取2120 kN/m；地面超載20 kPa。

方案2海河?xùn)|岸方案：盾構(gòu)左側(cè)8號(hào)墩由2排直徑2 m的鉆孔灌注樁組成，樁群上作用力112467 kN，模型中鉆孔灌注樁上作用力取2130 kN/m；盾構(gòu)左上側(cè)和右上側(cè)的9號(hào)墩和10號(hào)墩均由3排方樁構(gòu)成。群樁上作用力分別為10305 kN、11778.36 kN，計(jì)算模型中方樁上作用力為238 kN/m；地面超載20 kPa。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 方案一海河西岸方案計(jì)算結(jié)果及分析

方樁朝隧道方向產(chǎn)生水平變形，其中樁端最大變形1.14 cm。灌注樁由于受到隧道變形影響，產(chǎn)生扭曲變形，隧道軸線以上產(chǎn)生背離隧道的變形，最大值為6.7 mm，軸線以下產(chǎn)生朝向隧道的變形，最大值為4.2 mm。圖3、圖4分別為6號(hào)墩右側(cè)、7號(hào)墩左側(cè)方樁水平變形圖。

圖3 6號(hào)墩右側(cè)方樁水平變形圖

圖4 7號(hào)墩左側(cè)方樁水平變形圖

方樁軸力增量均為負(fù)，說明方樁在樁頂力作用下產(chǎn)生的沉降大于樁側(cè)土體的沉降，樁側(cè)摩阻力沿樁長增加。灌注樁基本以隧道洞底為界，以上軸力增量為正，樁基沉降小于樁側(cè)土體的沉降，樁側(cè)摩阻力沿樁長減小；以下軸力增量為負(fù)，以下樁基沉降大于樁側(cè)土體的沉降，樁側(cè)摩阻力沿樁長增加。圖5、圖6分別為6號(hào)墩右側(cè)方樁、7號(hào)墩左側(cè)灌注樁軸力增量圖。

圖5 6號(hào)墩右側(cè)方樁軸力增量圖

圖6 7號(hào)墩左側(cè)灌注樁軸力增量圖

由于方樁整體產(chǎn)生朝向隧道的變形，其彎矩變化不大。灌注樁在隧道影響范圍內(nèi)彎矩增量較大，最大正彎矩573.6 kN·m/m，最大負(fù)彎矩-412.7 kN·m/m。見圖7、圖8。

圖7 6號(hào)墩右側(cè)方樁彎矩增量圖

圖8 7號(hào)墩左側(cè)灌注樁彎矩增量圖

3.2 方案二海河?xùn)|岸方案計(jì)算結(jié)果及分析

方樁產(chǎn)生朝隧道方向的變形，其中樁端變形最大，9號(hào)墩右側(cè)方樁達(dá)6.5 mm，10號(hào)墩右側(cè)方樁達(dá)7.2 mm。灌注樁由于受到隧道變形的影響，發(fā)生扭曲變形，正負(fù)水平最大變形值均約6 mm。見圖9～圖11。

圖9 9號(hào)墩右側(cè)方樁水平變形圖

圖10 號(hào)墩左側(cè)方樁水平變形圖

圖11 8號(hào)墩左側(cè)灌注樁水平變形圖

9號(hào)墩、10號(hào)墩方樁軸力增量情況相似，大部分為負(fù)，僅在近隧道處出現(xiàn)了正的軸力增量，說明在樁頂力作用下發(fā)生的沉降大于樁側(cè)土體的沉降，因此樁側(cè)摩阻力沿樁長增加。見圖12、圖13。

圖12 9墩右側(cè)方樁軸力增量圖

圖13 10號(hào)墩左側(cè)方樁軸力增量圖

9號(hào)墩、10號(hào)墩方樁整體產(chǎn)生朝向隧道的變形，因此彎矩增量反對(duì)稱，彎矩增量均不大。見圖14、圖15。

圖14 9號(hào)墩右側(cè)方樁彎矩增量圖

圖15 10號(hào)墩左側(cè)方樁彎矩增量圖

由于8號(hào)墩距隧道較遠(yuǎn)，其樁基受隧道變形影響小，灌注樁本身的沉降則相對(duì)較小，樁側(cè)摩阻力減小，樁基軸力增加，但其量值不大，最大為98.207 kN/m。彎矩增量情況與方案一相似，最大的彎矩增量為202.16 kN·m/m。見圖16、圖17。

圖16 8號(hào)墩右側(cè)方樁軸力增量圖

圖17 8號(hào)墩右側(cè)方樁彎矩增量圖

為了進(jìn)一步確定方案的可行性，對(duì)方案1中盾構(gòu)周邊4 m范圍內(nèi)土層進(jìn)行注漿加固，計(jì)算加固后相關(guān)參數(shù)的變化情況，地層加固后的計(jì)算結(jié)果。見圖18～圖23。

圖18 加固后6號(hào)墩右側(cè)方樁水平變形圖

圖19 加固后 7號(hào)墩左側(cè)灌注樁水平變形圖

圖20 加固后6號(hào)墩右側(cè)方樁軸力增量圖

圖21 加固后7號(hào)墩左側(cè)灌注樁軸力增量圖

圖22 加固后6號(hào)墩右側(cè)方樁彎矩增量圖

圖23 加固后7號(hào)墩左側(cè)灌注樁彎矩增量圖

無論是方樁還是灌注樁，加固后樁基的變形減小十分明顯，軸力增量變化不大，彎矩增量則有所減小，因此對(duì)盾構(gòu)附近地層進(jìn)行加固是改善盾構(gòu)對(duì)樁基影響的有利措施。

4 方案分析與結(jié)論

綜合兩個(gè)方案中的相關(guān)數(shù)據(jù)及分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）盾構(gòu)穿越樁基引起的變形可以看出：灌注樁剛度大、樁長長，其沉降量較??；方樁樁頂位于盾構(gòu)上方，受隧道變形影響較大。

（2）盾構(gòu)在無樁情況下的地表沉降占很大的比重，因此要減少樁頂沉降，首先要保證盾構(gòu)在無樁情況下的地表沉降控制能滿足變形要求。

（3）盾構(gòu)周邊一定范圍內(nèi)土層進(jìn)行注漿加固能有效地減小變形，因此對(duì)盾構(gòu)附近地層進(jìn)行加固是改善盾構(gòu)對(duì)樁基影響的有利措施。

（4）方樁的軸力增量一般為負(fù)，即方樁的沉降大于周圍土層，其樁側(cè)摩阻力是增加的；灌注樁在軸力增量出現(xiàn)了有正有負(fù)的情況，這說明灌注樁的樁側(cè)摩阻力會(huì)產(chǎn)生減小的情況，但減小的量值不大。

（5）方樁的彎矩增量很小，兩個(gè)方案相差不大；灌注樁的彎矩增量較大。

綜合以上結(jié)論：地下直徑線海河?xùn)|、西岸方案穿越金剛橋在技術(shù)上是可行的。盾構(gòu)施工對(duì)橋梁的地基承載力影響不大，橋梁承載力能滿足要求；盾構(gòu)施工對(duì)樁基會(huì)產(chǎn)生一定的變形影響，宜采取一定的措施保證樁基及結(jié)構(gòu)的安全?？紤]到橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，建議采用海河西岸方案。

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