大連地鐵下穿魏臺(tái)河橋樁結(jié)構(gòu)變形及其控制研究

邵標(biāo) 張建國(guó)

摘要：地鐵隧道下穿既有橋的關(guān)鍵是控制土層和橋梁結(jié)構(gòu)的變形，針對(duì)新建大連地鐵的工程對(duì)運(yùn)營(yíng)魏臺(tái)河橋的影響進(jìn)行分析，通過有限元程序?qū)ν翆优c結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，評(píng)價(jià)了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力以及隧道施工對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響，提出了地鐵隧道穿越橋樁結(jié)構(gòu)過程中潛在的風(fēng)險(xiǎn)，為新建地鐵區(qū)間隧道施工過程對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估提供依據(jù)，并提出了相應(yīng)的工程處理措施。實(shí)測(cè)表明，施工過程中的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)值均在安全范圍之內(nèi)，采取的措施有效保證了地鐵隧道安全順利穿過魏臺(tái)河橋。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；樁基托換；下穿；沉降變形；數(shù)值仿真；

中圖分類號(hào)：TU 443文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模地不斷擴(kuò)大，新建隧道近距離穿越既有結(jié)構(gòu)物的情況越來越多[1-2]。如北京地鐵10號(hào)線下穿國(guó)貿(mào)立交橋樁基，最小近距2.41m；北京地鐵線下穿玉蜓橋樁基；天津地鐵3號(hào)線盾構(gòu)隧道近距離穿越鐵東路立交橋樁基，其最小近距僅1.35m。隧道穿越橋梁樁基時(shí)，不可避免的擾動(dòng)周圍土體。地層應(yīng)力及變形傳遞到既有樁基，引起樁基承載力的損失，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降，影響既有橋梁的安全使用，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。同時(shí)，上部橋梁結(jié)構(gòu)自重和荷載，會(huì)加大樁基的變位，并影響著樁身的變位模式及內(nèi)力變化規(guī)律。隧道開挖引起洞周收斂，造成的土體水平位移，使得樁基表現(xiàn)為偏向隧道的傾斜或彎曲，影響樁身截面強(qiáng)度。隧道施工過程中需要同時(shí)保證新建隧道的安全和既有結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定，尤其是對(duì)于隧道下穿既有橋梁這一問題更加突入，施工不慎甚至可能造成橋梁垮塌、車毀人亡的嚴(yán)重后果。所以地鐵開挖對(duì)樁的影響越來越引起專家學(xué)者以及工程技術(shù)人員的高度重視。目前相關(guān)技術(shù)人員與學(xué)者針對(duì)這一問題開展了多方面的研究：吳波[3]采用流固耦合分析，針對(duì)北京地鐵5號(hào)線隧道過河過橋段研究了降水對(duì)橋基的影響，并對(duì)隧道加固方案進(jìn)行了比選；蘇東[4]等結(jié)合北京軌道交通機(jī)場(chǎng)線盾構(gòu)法穿越三元橋的實(shí)際工況，提出了針對(duì)北京地區(qū)典型地質(zhì)條件下的沉降控制措施；李奎[5]采用三維數(shù)值模擬方法，對(duì)北京地鐵5號(hào)線過河過橋隧道施工可能采用的4種超前支護(hù)方案進(jìn)行了分析。目前，工程界有關(guān)近接施工沉降控制方面的研究較多，控制技術(shù)也日漸成熟，但針對(duì)新建地鐵工程對(duì)運(yùn)營(yíng)橋梁樁基進(jìn)行托換加固的影響研究相對(duì)較少。本文結(jié)合大連市新建地鐵工程施工下穿魏臺(tái)河橋的影響及控制技術(shù)進(jìn)行了分析探討。

2 工程概況

大連地鐵2號(hào)線馬欄廣場(chǎng)～灣家區(qū)間施工過程中需穿越魏臺(tái)河橋。魏臺(tái)河橋?yàn)樗目玳g距15m的簡(jiǎn)支板梁結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)為空心板梁，橋梁各跨支座為三跨連續(xù)蓋梁，截面為1.4mx1.2m，每道蓋梁下橫向設(shè)置四根1.2m直徑橋柱及柱下直徑1.7m單樁承載，樁基插入中風(fēng)化石英巖約6m。

下穿段均為單洞單線斷面，該段魏臺(tái)橋橋樁樁底離左線隧道拱頂凈距3.713m、離右線隧道拱頂凈距0.437m。新建隧道線路與既有魏臺(tái)河橋相對(duì)位置關(guān)系如圖1及圖2所示。

圖1 區(qū)間隧道與橋基樁平面位置關(guān)系圖(單位: mm)

Fig.1Sketch of plane relationship about bridge and tunnel (mm)

圖2區(qū)間隧道與橋基樁立面圖(單位: mm)

Fig.2 Elevation view about pile foundation of running

tunnel and bridges(mm)

區(qū)間隧道埋深15～17m，區(qū)間沿線原始地貌為剝蝕殘丘、馬欄河階地，地勢(shì)起伏較大，地面高程22.03～30.24m。下穿區(qū)段正洞主要穿越中風(fēng)化石英巖、中風(fēng)化板巖、中風(fēng)化石英巖夾板巖地層，局部隧道拱頂位于卵石與中風(fēng)化巖層交界面。地下水類型主要是土層孔隙水及基巖裂隙水，土層孔隙水主要賦存在素填土層中，基巖裂隙水主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化板巖中。

3 風(fēng)險(xiǎn)分析與樁基托換措施

由于隧道施工期間，魏臺(tái)橋橋面車輛正常行駛，橋梁各道蓋梁樁間差異沉降控制較為嚴(yán)格，為確保隧道穿橋期間的橋梁結(jié)構(gòu)自身安全以及隧道開挖的安全，考慮對(duì)該橋的第2~5排樁進(jìn)行承載力托換，基本思路為在影響隧道開挖蓋梁下各樁頂部位設(shè)置3mx2m基礎(chǔ)梁，下設(shè)托換樁，如圖3所示。通過增加抗剪措施使橋樁與托換基礎(chǔ)梁緊接并協(xié)同工作。同時(shí)對(duì)區(qū)間隧道下穿過程中隧道拱部設(shè)置超前小導(dǎo)管，對(duì)隧道拱頂以上巖體進(jìn)行預(yù)加固，下穿橋樁段隧道支護(hù)參數(shù)適當(dāng)加強(qiáng)，初支厚度調(diào)整為300mm，格柵間距調(diào)整為500mm。

圖3加固示意圖

Fig.3Reinforcement schemes

4 沉降變形計(jì)算

隧道開挖對(duì)橋梁樁基產(chǎn)生影響，為了保證上部結(jié)構(gòu)的安全，對(duì)樁基采取托換加固的方法，選取第三排樁，采用MIDAS/GTS有限元軟件，對(duì)隧道的開挖過程進(jìn)行仿真模擬。根據(jù)隧道與橋梁樁基的相對(duì)位置關(guān)系，考慮隧道開挖的影響范圍及“邊界效應(yīng)”[6-8]，建立60 m×40 m的二維數(shù)值模型，土體采用平面應(yīng)變單元模擬，橋面板、樁基、襯砌采用梁?jiǎn)卧M，共有4524個(gè)單元，4302個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4數(shù)值計(jì)算模型

Fig.4Numerical calculation model

橋梁荷載等效為橋面均布荷載，取為20kPa。土體兩側(cè)豎直邊界約束水平位移，底部約束水平和豎向位移。土體均采用Mohr Coulomb模型模擬，巖體、襯砌、橋面板和樁基采用線彈性模型模擬。計(jì)算時(shí)，先平衡土體的自重應(yīng)力，得到初始應(yīng)力場(chǎng)，然后模擬隧道的開挖和支護(hù)過程。各材料參數(shù)見表1、2。

表1巖土計(jì)算參數(shù)

Table 1 Calculated parameters of soil and rock

巖土

名稱 H

（m） E

（MPa） μ c

（kPa） φ

（o） γ

（kN/m3）

素填土 2.8 285 0.2 500 34 22

中風(fēng)化石英巖 1.5 300 0.25 490 42.7 27.2

中風(fēng)化板巖 35.7 800 0.3 347 42.3 26.9

表2結(jié)構(gòu)單元和實(shí)體單元參數(shù)

Table 2 Parameters of structural elements and solid dements

名稱 樁徑或厚度

（m） E

（GPa） μ γ

（kN/m3）

橋面板 1.2 30 0.3 25

橋墩 1.2 30 0.3 25

橋樁 1.7 30 0.3 25

托換梁 2 30 0.27 25

托換樁基 1.8 30 0.3 25

二襯 0.35 28 0.27 25

5數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

分析當(dāng)隧道開挖過程中不進(jìn)行樁基托換、僅設(shè)托換梁及設(shè)置托換梁和加固柱三種工況條件下橋面板豎向位移、橋樁樁底軸力及襯砌受力情況。

5.1橋面板豎向位移及差異沉降

隧道的開挖，引起地層的損失，這樣延伸到地表，表現(xiàn)為地表沉降，導(dǎo)致橋面產(chǎn)生豎向位移并引起橋面的差異沉降，進(jìn)而影響橋梁上部結(jié)構(gòu)安全。本文通過對(duì)比三種不同的工況的數(shù)值模擬結(jié)果，分析采用樁基托換加固措施對(duì)橋面板豎向位移及差異沉降的影響。

當(dāng)不采取任何加固措施時(shí)，橋面板豎向變形發(fā)生在最右側(cè)，最大豎向位移為9.5mm，左側(cè)豎向位移為5.0mm，差異沉降值為4.5mm；僅有托換基礎(chǔ)梁時(shí)橋面板右側(cè)最大豎向位移為5.4mm，左側(cè)豎向位移為3.4mm，差異沉降值為2.0mm；同時(shí)采取托換基礎(chǔ)梁及加固柱工況橋面板右側(cè)最大豎向位移為2.7mm，左側(cè)豎向位移為1.3mm，差異沉降值為1.4mm；有托換基礎(chǔ)梁及托換樁橋面板豎向位移云圖如圖5所示。

圖5工況三有托換基礎(chǔ)梁及托換樁橋面板豎向位移云圖

Fig.5 condition three underpinning beams and piles underpinning

Vertical displacement contour of deckof the bridge

圖6三種工況橋面板豎向位移

Fig.6Three conditionsthe vertical displacement contour of deck of the bridge

經(jīng)分析可知，右側(cè)隧道拱頂上方橋樁距離隧道較近，易發(fā)生較大變形甚至破壞，由于受到樁基和托換基礎(chǔ)梁的影響，地表及橋面板變形受到了限制，采取樁基托換加固措施時(shí)橋面板沉降比沒有樁基托換加固措施的相應(yīng)位移小。在樁端阻力的約束下，減少了橋面板的變形。

同時(shí)，允許的橋面板豎向最大位移為5mm，差異沉降為2mm，可以看到未采取任何加固措施時(shí)，橋面板結(jié)構(gòu)變形超過允許范圍，即橋梁結(jié)構(gòu)處于較危險(xiǎn)情況，需要采取加固措施防止結(jié)構(gòu)變形過大影響橋梁結(jié)構(gòu)安全及運(yùn)營(yíng)安全。根據(jù)以上分析，采取托換基礎(chǔ)梁及加固樁措施所計(jì)算數(shù)值均在容許范圍之內(nèi)，能夠有效保障橋梁結(jié)構(gòu)安全。

5.2樁底軸力

由于離隧道最近的一根橋樁距離右線拱頂僅0.437m，橋梁上部荷載傳遞到樁底存在引起隧道開挖拱頂坍塌破壞的風(fēng)險(xiǎn)，因此計(jì)算分析三種不同工況條件下離隧道最近的一根橋樁樁底軸力，當(dāng)不采取任何加固措施時(shí)，離隧道最近的一根橋樁樁底軸力為639.7kN；僅有托換基礎(chǔ)梁時(shí)離隧道最近的一根橋樁樁底軸力為252.5kN；同時(shí)采取托換基礎(chǔ)梁及加固柱工況離隧道最近的一根橋樁樁底軸力為103.2kN；如圖7所示。

圖7工況三有托換基礎(chǔ)梁及托換樁橋樁軸力云圖

Fig.7 Axial stress contour of bridge piles

當(dāng)不采取任何加固措施時(shí)，上部橋梁自重及車輛荷載傳遞到橋樁底部軸力較大，而采取托換基礎(chǔ)梁及托換樁能有效減小傳遞到樁底的和荷載，樁底軸力降低了84%，從而減小了橋梁上部荷載對(duì)隧道開挖過程的影響?？梢娡袚Q基礎(chǔ)梁及托換樁承擔(dān)了橋梁大部分荷載，從而保障了隧道下穿橋樁施工安全。

5.3襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力

計(jì)算分析三種不同工況條件下襯砌所受最大軸應(yīng)力情況，當(dāng)不采取任何加固措施時(shí)，襯砌最大軸應(yīng)力為6.9MPa；僅有托換基礎(chǔ)梁時(shí)襯砌最大軸應(yīng)力為6.5MPa；同時(shí)采取托換基礎(chǔ)梁及加固柱工況襯砌最大軸應(yīng)力為5.7MPa；如圖8所示。

圖8工況三有托換基礎(chǔ)梁及托換樁襯砌最大軸應(yīng)力5.7MPa

Fig.8 Axial stress contour of Tunnel lining

從上面分析得到的結(jié)果可見，隧道開挖過程中引起圍巖應(yīng)力變化，采取托換基礎(chǔ)梁及托換樁能有效減小隧道襯砌結(jié)構(gòu)上的軸應(yīng)力，襯砌最大軸應(yīng)力降低了17.4%，可見托換基礎(chǔ)梁及托換樁有效降低襯砌結(jié)構(gòu)的受力，保障了隧道施工過程安全及運(yùn)營(yíng)安全。

6結(jié)論及建議

該下穿工程采用托換基礎(chǔ)梁加托換樁的工程處理措施后，對(duì)施工過程中橋面進(jìn)行了監(jiān)測(cè)橋面垂向位移監(jiān)測(cè)最大值為3.72 mm。而樁基托換的模型進(jìn)行計(jì)算得出的橋面垂向位移最大值分別為2.7mm。實(shí)測(cè)表明，施工過程中的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)值均在安全范圍之內(nèi)，采取的托換基礎(chǔ)梁及托換樁措施有效保證了地鐵隧道安全順利穿過運(yùn)營(yíng)的魏臺(tái)橋。同時(shí)托換基礎(chǔ)梁和托換樁也對(duì)后期運(yùn)營(yíng)的地鐵結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用。

建議：(1)在隧道穿越橋梁的過程中，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，應(yīng)編制完整的監(jiān)測(cè)方案，給出監(jiān)控控制指標(biāo)，并宜引入第三方監(jiān)測(cè)單位；

(2)在編制隧道穿越橋區(qū)的施工組織中，應(yīng)增加應(yīng)急預(yù)案的內(nèi)容，考慮設(shè)置橋梁豎向支頂?shù)呐R時(shí)應(yīng)急措施。

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