盾構(gòu)隧道穿越河道施工對(duì)橋梁基礎(chǔ)的影響分析

胡雄玉

(西南交通大學(xué)地下工程系，四川成都 610031)

1 工程概況

某市地鐵1號(hào)線隧道近距離下穿跨河橋梁，該橋?yàn)?跨簡(jiǎn)支空心板橋，跨徑為14 m，橋臺(tái)長(zhǎng)15m，橋墩高6.5m，水深4 m，穩(wěn)定水位-1 m，隧道埋深22.52 m，兩隧道中線之間水平距離20m，隧道半徑3 m。樁基與隧道之間豎向最小距離為2 m，采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)形式為“1+2+3”，管片外徑為6 m，厚度0.3 m，幅寬1.5m，采用C50鋼筋混凝土管片錯(cuò)縫式拼裝而成。

根據(jù)隧道鄰近的地質(zhì)勘探鉆孔資料、各地層勘探統(tǒng)計(jì)物性指標(biāo)，計(jì)算所采用的地層和結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，結(jié)構(gòu)物性指標(biāo)取相應(yīng)混凝土類型和強(qiáng)度等級(jí)的規(guī)范值，考慮到管片接縫的存在對(duì)隧道的剛度進(jìn)行折減，折減系數(shù)為0.8。隧道與樁基剖面關(guān)系見(jiàn)圖1。

表1 各土層及襯砌參數(shù)

圖1 隧道與樁基的剖面關(guān)系(單位:m)

2 數(shù)值模型及計(jì)算條件

采用三維有限元模型進(jìn)行分析，并按隧道與樁基最不利位置考慮。1號(hào)線右線隧道在跨河橋處，隧道頂部埋深約為22.52 m。樁基采用Solid45實(shí)體單元模擬，盾構(gòu)管片采用Shell43殼單元模擬。模型尺寸為68.0m×56.0m×37.5m。樁基所受荷載包括橋體重力、橋臺(tái)重力、路面荷載等恒載及活載，在建模中，不考慮橋臺(tái)及其以上部分，而將其簡(jiǎn)化為作用在承臺(tái)樁基礎(chǔ)頂面上的豎向均布面力，經(jīng)計(jì)算得出其值為0.2 MPa。河底面同樣施加豎向均布面力來(lái)模擬靜水壓力，堤壩上施加垂直于堤壩面的梯度面力來(lái)模擬靜水荷載。邊界條件除上部為垂直荷載邊界外，其余各側(cè)面和底面為法向約束邊界。盾構(gòu)隧道開挖過(guò)程采用在開挖邊界上分步釋放節(jié)點(diǎn)荷載的方式進(jìn)行模擬。整體模型見(jiàn)圖2，隧道與橋梁的位置關(guān)系見(jiàn)圖3。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 地層的豎向位移

圖2 有限元分析模型

圖3 隧道與橋梁的位置關(guān)系

以隧道雙線貫通為例，盾構(gòu)開挖引起的地層沉隆如圖4和圖5所示，可見(jiàn):當(dāng)雙線貫通時(shí)，除兩洞上、下方外，兩側(cè)土體也受到不同程度的擾動(dòng)，地表最大沉降位于兩洞中間處正上方地表。

圖4 雙洞貫通時(shí)地層沉隆云圖(單位:m)

圖5 典型斷面的地表沉隆曲線

由圖5可以看出:左洞貫通后最大地表位移為6 mm，雙洞貫通后地表的最大位移為8 mm。此外，由于盾構(gòu)機(jī)的頂進(jìn)壓力引起了基礎(chǔ)遠(yuǎn)側(cè)地表的隆起，最大量不足1 mm。

由于實(shí)際施工時(shí)存在的不可控因素，實(shí)際地表沉隆量可能會(huì)比計(jì)算值大，盾構(gòu)施工時(shí)需調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，并視情況決定是否采用地層加固措施，以確保安全。

3.2 地鐵施工對(duì)橋基的影響

1)對(duì)樁基豎向位移的影響

隧道施工引起的地表和橋樁沉隆值見(jiàn)表2，由表2可知，雙線貫通后，1#樁基和2#樁基均沉降，最大沉降值為3.40mm。

表2 地表和橋樁的沉隆值統(tǒng)計(jì)

2)對(duì)樁基水平位移的影響

盾構(gòu)施工過(guò)程中，樁基會(huì)在水平方向上發(fā)生側(cè)移，側(cè)移量在樁基長(zhǎng)度方向上分布不均勻時(shí)樁基就會(huì)發(fā)生傾斜。

由于隧道開挖引起的地層損失將導(dǎo)致隧道上覆土體向隧道內(nèi)移動(dòng)，土體的移動(dòng)將會(huì)帶動(dòng)樁基向隧道方向側(cè)移。圖6顯示了1#樁基的側(cè)移隨著盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的變化規(guī)律，圖7顯示了1#樁基臨近隧道側(cè)頂部、中部、底部節(jié)點(diǎn)的水平方向位移隨盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。由圖6和圖7可知:隧道的開挖將導(dǎo)致樁基的側(cè)移，且隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，側(cè)移值將越來(lái)越大。

圖6 不同掘進(jìn)步時(shí)1#樁基側(cè)移量隨埋深的變化

圖7 1#樁基水平方向側(cè)移隨掘進(jìn)步的變化

3)對(duì)橋基傾斜率的影響

由上面的分析可知樁基產(chǎn)生了傾斜，定義樁基的傾斜率ε為式中，Δ為樁頂和樁底的相對(duì)側(cè)移，L為樁基的長(zhǎng)度。

圖8為橋基傾斜率隨掘進(jìn)步的變化，由圖8可以看出，橋基的傾斜量隨盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)逐漸增大，由于1#擴(kuò)大基礎(chǔ)的長(zhǎng)度要小于1#樁基的長(zhǎng)度，最終1#樁基的傾斜率比1#擴(kuò)大基礎(chǔ)的傾斜率略小。

圖8 橋基傾斜率隨掘進(jìn)步的變化

3.3 管片內(nèi)力的影響

雙線貫通后管片襯砌的彎矩、軸力云圖見(jiàn)圖9，彎矩、軸力最大值見(jiàn)表3。其中軸力以拉力為正，壓力為負(fù);彎矩以管片內(nèi)側(cè)受拉為正，外側(cè)受拉為負(fù)。由圖9和表3可以看出，除邊界部分以外，軸力沿縱向分布均勻。最大軸力1 170 kN，但范圍很小，大部分管片軸力均在500～600 kN。管片最大正彎矩37.0 kN·m位于拱頂，最大負(fù)彎矩36.8 kN·m位于拱腰兩側(cè)。

圖9 雙洞開挖后管片內(nèi)力云圖

表3 雙洞貫通后管片內(nèi)力統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論與建議

1)隧道下穿跨河橋梁時(shí)，地表和橋梁基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生一定的沉降，基礎(chǔ)還會(huì)產(chǎn)生傾斜，最終的位移滿足施工沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

2)建議對(duì)隧道周圍土體進(jìn)行加固處理以控制橋梁基礎(chǔ)的不均勻沉降，同時(shí)自盾構(gòu)通過(guò)前、推進(jìn)過(guò)程中到最終沉降穩(wěn)定均需進(jìn)行系統(tǒng)、全面監(jiān)測(cè)，以指導(dǎo)隧道掘進(jìn)的信息化施工。

3)施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制地層損失率以及盾構(gòu)推進(jìn)壓力等盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，增加盾構(gòu)管片上的注漿孔，加強(qiáng)盾構(gòu)通過(guò)的同步注漿和二次注漿。盾構(gòu)通過(guò)前在橋梁基礎(chǔ)周圍預(yù)埋兩排袖閥管進(jìn)行適量預(yù)注漿加固，盾構(gòu)通過(guò)時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行地面跟蹤補(bǔ)償注漿，以確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

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