地鐵盾構(gòu)隧道施工對拱橋橋墩的影響分析

李 鳴，文繼濤

（自貢市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，四川自貢 643000）

0 引言

目前盾構(gòu)法已成為城市地鐵建設(shè)的主流施工方法,盾構(gòu)法施工往往會引起周圍地層移動,即使采用當(dāng)前最先進(jìn)的盾構(gòu)技術(shù),也難以完全防止這些移動[1]。地層移動一方面在地表引起不均勻沉降,另一方面直接引起地下接近結(jié)構(gòu)物的變位及附加應(yīng)力,保證盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程周圍建筑物的安全性非常重要[2]。城市地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道將穿越護(hù)城河拱橋，該橋?yàn)閱慰绻皹?，橋長32 m,橋面寬37 m,基礎(chǔ)厚3 m,為臺階形擴(kuò)大基礎(chǔ),橋墩為M5水泥砂漿砌城磚,拱部為M20水泥砂漿砌成磚拱。地鐵盾構(gòu)隧道施工必然會對護(hù)城河拱橋橋墩造成影響,分析盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中,拱橋橋墩的變形和應(yīng)力的變化情況,這對指導(dǎo)盾構(gòu)施工具有一定參考價值。

1 有限元模型

本次分析采用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行,在有限元模型中根據(jù)模擬對象特點(diǎn)選用不同的單元。其中盾構(gòu)隧道(包括管片結(jié)構(gòu)和注漿層)、地層和拱橋橋墩采用空間8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid45模擬,護(hù)城河拱橋拱圈結(jié)構(gòu)采用三維殼單元Shell63模擬。

1.1 模型概況

本段盾構(gòu)區(qū)間隧道主要在古壤土和老黃土地層中穿過，下部地層為古壤土,而護(hù)城河拱橋基礎(chǔ)位于新黃土地層上，護(hù)城河河道寬18 m,河流兩岸有厚度為7 m的素填土。兩條隧道中心間距為24 m。其中，右線隧道從拱橋正下方傳過，拱頂距離橋墩垂直距離約為13 m。建立的有限元模型及空間關(guān)系見圖1，該模型長74 m,寬72 m，高47 m,共16 520個單元。其中左線隧道先貫通，右線隧道后貫通。

圖1 三維有限元模型

1.2 荷載及材料參數(shù)

在盾構(gòu)隧道-地層-橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的有限元模型中,施加的荷載主要包括下面三個方面:

（1）拱橋結(jié)構(gòu)上的荷載:包括靜載和活載,其中靜載為拱橋結(jié)構(gòu)的自重,活載為橋上的車輛及行人,通過在靜載上乘以一系數(shù)來體現(xiàn)。這些荷載通過計(jì)算轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)力作用到橋面上。

（2）河床上的水位荷載:通過施加到的河床上面力來模擬,河床水位取為3 m。

（3）盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)力:通過向開挖面施加一定的面力來模擬。

盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)是通過螺栓將單個管片連接在一起的整體結(jié)構(gòu),采用均值體等效管片襯砌時,需乘以一剛度折減系數(shù),在橫斷面內(nèi)該系數(shù)通常取0.6～0.8[3-4]。各參數(shù)的詳細(xì)取值見表1。

1.3 計(jì)算工況約定

盾構(gòu)的施工是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程,包括刀盤掘削土體、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)、管片拼裝及盾尾注漿[5]等。模擬過程主要分為兩步:（1）開挖的土體單元,并對開挖輪廓線上的地層進(jìn)行應(yīng)力釋放,同時掘削面施加頂進(jìn)壓力;（2）在保持頂進(jìn)壓力不變的同時,完成剩余應(yīng)力的釋放,并激活管片襯砌和注漿層[6]。根據(jù)掘削面的不同位置沿隧道掘進(jìn)方向共劃分了15個工況,見圖2及表2。

表1 土體和材料參數(shù)表

圖2 掘削面計(jì)算位置示意圖

表2 計(jì)算工況表

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 盾構(gòu)施工對橋墩沉降的影響

由于左線隧道距護(hù)城河大橋基礎(chǔ)的距離較遠(yuǎn),水平近距約為9 m，大橋基礎(chǔ)基本上位于隧道開挖引起的沉降槽之外。但右線隧道則不同,它與橋墩基礎(chǔ)的凈距較小，在橫斷面上護(hù)城河大橋橋墩基礎(chǔ)部分位于右線隧道開挖引起的沉降槽之內(nèi)，見圖3。

圖3 地表沉降示意

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,橋墩的沉降主要在右線隧道開挖時產(chǎn)生,故這里僅分析右線隧道開挖時不同工況下各橋墩的沉降,見圖4?？梢钥闯?各橋墩均在盾構(gòu)隧道建成后(工況2)達(dá)到沉降的最大值,橋墩產(chǎn)生最大沉降的位置均位于緊鄰隧道的一側(cè)。其中河床左邊的橋墩A最終沉降值為-6.59 mm,河床右邊處橋墩B的最終沉降值為-3.457 mm。橋墩沉降主要在右線盾構(gòu)隧道掘削面通過時產(chǎn)生,而且隨著掘削面的不斷推進(jìn),各橋墩自身的不均勻沉降逐漸增大,在右線隧道貫通后達(dá)到最大值,其中A墩的最大不均勻沉降為7.48 mm,由于不均勻沉降引起的最大坡度為0.202‰。

圖4 橋墩A的沉降曲線

2.2 盾構(gòu)施工對護(hù)城河大橋受力的影響

由于隧道施工引起的地層沉降使得護(hù)城河大橋基礎(chǔ)產(chǎn)生如圖4所示的變形,在這樣的變形作用下,橋墩的上部分必然引起壓應(yīng)力減小甚至產(chǎn)生拉應(yīng)力(X方向)的情況,而橋墩的下部分則引起壓應(yīng)力增大。隧道貫通后各橋墩X方向應(yīng)力有所改變。A墩和B墩因隧道開挖引起的下部最大壓應(yīng)力增量為0.87 MPa,引起的橋墩上部最大拉應(yīng)力增量為0.07 MPa,位于隧道側(cè)拱圈與橋墩的連接處。其中隧道建成后兩橋墩的應(yīng)力變化見圖5。

圖5 隧道建成后橋墩的應(yīng)力改變（X方向）

3 結(jié)論

本文針對區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿拱橋建立了三維有限元模型,并根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果分析了不同工況下盾構(gòu)隧道開挖對拱橋橋墩沉降和受力的影響規(guī)律,得出了下面的一些結(jié)論和建議。

（1）隧道開挖將會引起拱橋各橋墩均產(chǎn)生不均勻沉降,該不均勻沉降一方面引起了橋墩自身應(yīng)力的改變,同時由于拱橋結(jié)構(gòu)的特殊性,還將引起拱圈結(jié)構(gòu)受力的改變。

（2）在隧道掘進(jìn)過程中,由于隧道縱向上的不均勻沉降導(dǎo)致相鄰橋墩之間還會產(chǎn)生相對沉降,該相對沉降同樣會對拱橋結(jié)構(gòu)造成影響,但在隧道貫通后該相對沉降大部分消失,變成均勻沉降。

（3）考慮到拱橋?yàn)槔鲜狡鲶w磚拱橋,建議在施工中采用地層加固等措施來減小隧道施工對拱橋的影響。

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[2]于寧,朱合華.盾構(gòu)隧道施工地表變形分析與三維有限元模擬[J].巖土力學(xué),2002,25(8):1330-1334.

[3]方勇,何川.盾構(gòu)法修建正交下穿地鐵隧道對上覆隧道的影響分析[J].鐵道學(xué)報,2007,29(2):83-88.

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