盾構(gòu)隧道下穿市政橋梁的施工影響數(shù)值分析

傅雅莉

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，510010，廣州∥工程師)

地鐵建設(shè)過程中對(duì)城市已有建構(gòu)筑物的影響，尤其是隧道掘進(jìn)過程中對(duì)周邊重要建構(gòu)筑物的影響，為各方所關(guān)注和重視。如何預(yù)先判斷此種影響，將是決定工程成敗的關(guān)鍵因素之一。本文以南昌市軌道交通1號(hào)線下穿彭家橋(拱橋)為例，采用數(shù)值分析方法對(duì)盾構(gòu)隧道下穿拱橋產(chǎn)生的影響進(jìn)行預(yù)判，從而為施工措施的采用提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 彭家橋概況

南昌市軌道交通1號(hào)線彭家橋站—師大南路站盾構(gòu)區(qū)間在里程XK18+097.923～XK18+036.373段下穿玉帶河南側(cè)。玉帶河由南向北，河寬50 m左右，河床標(biāo)高14.85 m，水深約1.5 m。

彭家橋位于南昌市北京西路，跨越玉帶河，處于市中心地段，是南昌市主要干道之一。其上部構(gòu)造由2跨12 m鋼筋混凝土板拱及紅巖石材料砌筑而成的實(shí)腹式拱橋組成，石拱橋與鋼筋混凝土板拱設(shè)有分隔帶;下部構(gòu)造板拱橋?yàn)殇摻罨炷炼张_(tái)，石拱橋?yàn)闈{砌塊石墩臺(tái)(見圖1)。該橋分兩期建成，前期石拱橋建于20世紀(jì)50年代末期，后期鋼筋混凝土板拱橋建成于21世紀(jì)初期，是石拱橋兩側(cè)的拓寬部分，為獨(dú)立橋臺(tái)。

圖1 彭家橋?qū)嵕?/p>

擬建南昌市軌道交通1號(hào)線師大南路站—彭家橋站區(qū)間盾構(gòu)隧道沿北京西路下穿彭家橋，線路與道路方向基本平行。橋墩基礎(chǔ)底面標(biāo)高為12.2 m，與盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)頂部最小間距為4.7 m。盾構(gòu)隧道與彭家橋平面相對(duì)關(guān)系示意圖見圖2，縱橫面位置關(guān)系見圖3及圖4。

從擬建隧道與既有彭家橋空間位置關(guān)系可知，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)與橋梁基礎(chǔ)之間最小間距為4.7 m，屬于近接施工，盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有橋梁的影響不可忽略。

圖2 彭家橋與盾構(gòu)隧道平面圖

1.2 地質(zhì)條件

盾構(gòu)在XK18+108.0處開始下穿彭家橋，穿越長度約55.44 m。該處地層從上到下分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粗砂、圓礫、卵石、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。

鑒于盾構(gòu)隧道下穿區(qū)域的地質(zhì)情況，其具有以下工程地質(zhì)特性:

(1)隧道所處圓礫、礫砂地層均屬透水性強(qiáng)的松散砂礫石層，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地下水易將細(xì)粒組份帶出，引起開挖面失穩(wěn)和地面下沉。

圖3 彭家橋與盾構(gòu)隧道縱面圖

圖4 彭家橋與盾構(gòu)隧道橫面圖

(2)橋梁基礎(chǔ)及盾構(gòu)隧道均處于透水性強(qiáng)地層，其力學(xué)性質(zhì)有明顯的觸變性和流動(dòng)性，加之玉帶河水頭較高，在水動(dòng)力的作用下可能產(chǎn)生管涌、流砂現(xiàn)象。

綜上，下穿玉帶河及彭家橋區(qū)域圍巖穩(wěn)定性較差，容易坍塌、變形;地層透水性強(qiáng)，在盾構(gòu)施工中易引起涌水、突水現(xiàn)象，影響施工安全;地層擾動(dòng)威脅上部既有橋梁運(yùn)營及結(jié)構(gòu)安全。

2 數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型

以南昌市軌道交通1號(hào)線師大南路站—彭家橋站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿彭家橋?yàn)楸尘?，依?jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，從最不利角度考慮，采用FLAC 3D軟件對(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)進(jìn)行模擬。

根據(jù)彈塑性力學(xué)圣維南原理，模型范圍取3～5倍洞徑，故模型尺寸為:橫向70 m，豎向頂部取至地表，共35 m，縱向(隧道掘進(jìn)方向)長60 m。模型中，土層采用實(shí)體單元模擬，選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型;橋梁結(jié)構(gòu)、墩臺(tái)基礎(chǔ)及管片等采用實(shí)體單元模擬，選用各向同性彈性本構(gòu)模型。

模型的邊界條件為:橫向兩邊x方向水平約束，縱向y方向水平約束，底部z方向豎向約束，上表面自由。三維模型如圖5～7所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)

圍巖力學(xué)、支護(hù)結(jié)構(gòu)等參數(shù)均根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)文件、巖土勘察報(bào)告及《巖土工程勘察規(guī)范》選取。彭家橋老橋?yàn)?0世紀(jì)50年代修建的石拱橋，未能找到設(shè)計(jì)資料，也未進(jìn)行相關(guān)材料力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，故參考相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)資料，石拱橋簡(jiǎn)化成各向同性的均質(zhì)材料，材料物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)同類工程進(jìn)行參考取值;新橋?yàn)榛炷凉皹颍驳刃楦飨蛲圆牧?，參?shù)按相應(yīng)等級(jí)鋼筋混凝土取值;老橋和新橋的填料相同。具體計(jì)算參數(shù)如表1～3所示。

圖5 三維計(jì)算模型圖

圖6 盾構(gòu)隧道與橋梁結(jié)構(gòu)模型圖

圖7 三維模型網(wǎng)格劃分

2.3 計(jì)算相關(guān)假定

2.3.1 計(jì)算荷載

計(jì)算中主要考慮恒載和可變荷載。其中，恒載主要為重力荷載;可變荷載則主要考慮既有橋梁上的汽車荷載。

表1 地層參數(shù)

表2 地鐵區(qū)間隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

表3 彭家橋計(jì)算參數(shù)

由于未收集到彭家橋設(shè)計(jì)、施工、竣工圖紙等相關(guān)技術(shù)資料，故該橋原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)無法確定。根據(jù)該橋所處地理位置和道路屬性，確定彭家橋石拱橋以CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》和JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定的城市橋梁荷載城－A級(jí)進(jìn)行計(jì)算，新橋(混凝土拱橋)以滿人群荷載進(jìn)行計(jì)算;盾構(gòu)下穿期間進(jìn)行交通管制，故不考慮沖擊荷載。該橋荷載標(biāo)準(zhǔn)值如表4所示。

表4 橋梁荷載計(jì)算

2.3.2 計(jì)算工況

盾構(gòu)隧道與彭家橋基礎(chǔ)底部間距小于1倍洞徑，盾構(gòu)施工對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)有一定影響。為全面評(píng)價(jià)盾構(gòu)隧道施工對(duì)彭家橋結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)目前掌握的資料和擬采取的方案，彭家橋在盾構(gòu)隧道下穿施工時(shí)，主要考慮以下兩種工況:

工況一:彭家橋保持現(xiàn)有運(yùn)營狀態(tài);

工況二:彭家橋石拱橋機(jī)動(dòng)車道封閉，改后期擴(kuò)建的非機(jī)動(dòng)車道為機(jī)動(dòng)車道。

2.3.3 盾構(gòu)施工過程動(dòng)態(tài)模擬

計(jì)算中對(duì)同步注漿加固作適當(dāng)簡(jiǎn)化，盡可能真實(shí)模擬實(shí)際施工過程。具體為采用提高土體力學(xué)參數(shù)的方法模擬盾尾同步注漿加固效果。

對(duì)盾構(gòu)施工步序進(jìn)行了精細(xì)化模擬。施工工序模擬過程為:首先掌子面施加頂進(jìn)壓力，盾殼支撐上覆土壓力，待盾尾脫離后激活管片單元，并在盾尾上部土層表面施加同步注漿壓力，下部施加0.5倍的上部注漿壓力，上、下行隧道前后錯(cuò)開開挖。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

2.4.1 地層變形分析

盾構(gòu)隧道施工對(duì)地層的擾動(dòng)主要以沉降為主，本文對(duì)地層的豎向位移(沉降)進(jìn)行分析。圖8～9分別為工況一、工況二在不同施工階段的豎向位移云圖。

由圖8、9可以得到:

(1)盾構(gòu)隧道施工過程中，地層受擾動(dòng)影響較大，引起地表不均勻沉降也較大。盾構(gòu)隧道穿越地層主要為礫沙、圓礫等沙性地層，圍巖穩(wěn)定性差，自穩(wěn)能力差，易引起地層變形。

(2)沉降量最大區(qū)域主要集中在隧道拱頂上方一定區(qū)域，工況一和工況二的最大豎向位移分別達(dá)58.4 mm和62.5 mm。另外，受橋梁上部荷載作用，橋梁墩臺(tái)附近區(qū)域豎向位移也較大。

(3)工況一與工況二的不同之處僅在于橋梁荷載作用的位置不一樣。從兩種工況的對(duì)比分析可知，橋梁承受荷載對(duì)地層位移的影響有限，地層變形主要受盾構(gòu)隧道施工的影響。

圖8 左線施工完成時(shí)的豎向位移云圖

2.4.2 既有橋梁結(jié)構(gòu)變形分析

既有橋梁主橋?yàn)?0世紀(jì)50年代修建的石拱橋，擴(kuò)建新橋?yàn)榛炷涟骞皹?。盾?gòu)隧道下穿施工引起地層擾動(dòng)，進(jìn)而引起橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)生位移。

2.4.2.1 整體變形分析

由橋梁豎向位移云圖(圖10～11)可以看出，盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)上部既有橋梁的影響不可忽視;橋梁最大豎向位移主要發(fā)生在盾構(gòu)隧道上方一定范圍內(nèi)，工況一和工況二的最大位移值分別約57.4 mm和50.7 mm;橋梁結(jié)構(gòu)在縱向及橫向出現(xiàn)不均勻沉降。

2.4.2.2 縱向變形分析

為分析盾構(gòu)施工引起上部既有橋梁的縱向變形，沿道路軸向(基本與隧道軸向平行)布設(shè)5條測(cè)線，(見圖12)，在橫斷面上從左至右依次記為C1、C2、C3、C4、C5。其中，C1 和 C5 分別為兩邊非機(jī)動(dòng)車道的中線，C2～C4依次為隧道左線軸線、主車道中心線和隧道右線軸線。選取左線隧道開挖至橋梁結(jié)構(gòu)中部橋墩正下方位置(Y=30.0 m)進(jìn)行分析。

圖9 右線施工完成時(shí)的豎向位移云圖

圖10 工況一橋梁豎向位移云圖

圖11 工況二橋梁豎向位移云圖

圖12 縱向變形測(cè)線布置示意圖

圖13 沿軸向橋梁沉降曲線

圖13為沿軸向橋梁沉降曲線，可以得出，盾構(gòu)隧道施工會(huì)引起既有橋梁結(jié)構(gòu)沉降變形:在隧道軸向方向上，盾構(gòu)隧道施工開挖面前方(1.0～2.0)D(D為盾構(gòu)隧道外徑)范圍內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)變形相對(duì)較小;開挖面后方2.0D范圍內(nèi)為主要影響區(qū)，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生較大沉降變形;開挖面后方2.0D范圍外橋梁結(jié)構(gòu)變形趨于緩和。施工期間，既有橋梁的運(yùn)營交通荷載對(duì)橋梁沉降變形也有一定的影響，全橋運(yùn)營時(shí)(工況一)石拱橋與新橋的沉降差值要大于封閉石拱橋運(yùn)營時(shí)(工況二)石拱橋與新橋的沉降差。

2.4.2.3 橫向變形分析

橋梁橫向沉降變形主要指垂直于道路軸向的方向上橋梁結(jié)構(gòu)的變形，它影響橋梁上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力及安全。

選取橋梁結(jié)構(gòu)的跨中位置和中部橋墩中線位置進(jìn)行分析。共有6條測(cè)線，分別記為h1、h2、h3、h4、h5、h6。其中，h1～h3分別為混凝土拱橋(隧道靠近側(cè))、石拱橋和混凝土拱橋跨中位置，h4～h6為中部橋墩中線位置。以隧道左線掘進(jìn)至橋梁中部位置(Y=30.0 m)為例，將提取結(jié)果繪制成圖，如圖14～15所示?？梢钥闯?，盾構(gòu)隧道施工對(duì)上部橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，工況二相比工況一的橫向變形量要小些。

圖14 橋梁橫向沉降變形圖(工況一)

圖15 橋梁橫向沉降變形圖(工況二)

2.4.3 墩臺(tái)基礎(chǔ)沉降分析

選取石拱橋和混凝土拱橋的橋臺(tái)和中部橋墩基礎(chǔ)底部的特征點(diǎn)進(jìn)行分析。其中，混凝土拱橋每個(gè)部位只選擇1個(gè)點(diǎn)(中心位置)，而石拱橋選取3個(gè)點(diǎn)(兩側(cè)各1個(gè)，中部1個(gè))。計(jì)算得到基礎(chǔ)不均勻沉降值及相鄰基礎(chǔ)沉降差，如表5所示。

從表5可以看出，基礎(chǔ)不均勻沉降最大值發(fā)生在兩側(cè)橋臺(tái)位置，其值在工況一和工況二時(shí)均超過5 mm;相鄰基礎(chǔ)沉降差的最大值約為32 mm，主要發(fā)生在橋墩和橋臺(tái)之間。

表5 基礎(chǔ)沉降計(jì)算表 mm

3 結(jié)語

由數(shù)值分析知，彭家橋橋臺(tái)基礎(chǔ)不均勻沉降最大值為14 mm，發(fā)生在兩側(cè)橋臺(tái)位置;相鄰基礎(chǔ)沉降差最大值為32 mm;最大地表豎向位移約57.4 mm。盡管目前尚無明確的石拱橋變形控制值，但鑒于石拱橋抗壓不抗拉，石拱橋的變形控制遠(yuǎn)比地表沉降控制嚴(yán)格。另外，盾構(gòu)穿越彭家橋時(shí)，即使封閉中間主橋，沉降也很大，施工風(fēng)險(xiǎn)還是很大的。因此，必須對(duì)橋梁采取加固措施，并且在施工期間封閉石拱橋，做好監(jiān)測(cè)措施和應(yīng)急預(yù)案，以確保施工和路面交通安全。

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