地鐵盾構隧道下穿護城河拱橋沉降數(shù)值模擬及控制措施

文保軍 侯莉娜

地鐵盾構隧道下穿護城河拱橋沉降數(shù)值模擬及控制措施

文保軍 侯莉娜

摘 要：針對西安地鐵1號線盾構隧道下穿朝陽門外護城河拱橋文物區(qū)工程，通過建立三維有限元模型，模擬分析盾構機掘進過程中土層沉降機理，對護城河橋受力進行理論分析，并提出護城河橋的沉降控制標準，制定出具有針對性的拱橋加固方案。同時，通過施工過程中對護城河拱橋的沉降監(jiān)測，驗證文中提出的沉降控制標準，為今后類似工程提供理論參考。

關鍵詞：地鐵；盾構隧道；下穿拱橋；加固技術；研究

西安市地鐵1號線盾構區(qū)間隧道穿越朝陽門外護城河老拱橋，地鐵隧道施工會不可避免地引起地層位移和地面沉降，并導致老拱橋基礎不均勻沉降、橋體砌塊和灰縫開裂、脫落，甚至局部坍塌，因此，必須對地鐵穿越影響范圍內的護城河老拱橋采取相應的預防和保護措施。本文主要對護城河老拱橋沉降控制標準和施工期間的加固處理措施進行研究。

圖1　隧道與城河橋平面關系圖

1　工程概況

西安市朝陽門外現(xiàn)有2座護城河橋（護城河老拱橋和護城河新橋）。西安地鐵1號線盾構區(qū)間隧道，右線從護城河老拱橋下方穿越，左線從護城河新橋北側繞行（圖1）。護城河新橋為鋼筋混凝土單拱橋，橋臺下為鋼筋混凝土樁基礎，盾構隧道施工對其影響較小，故本次主要研究對象為護城河老拱橋。護城河老拱橋為單跨拱形橋，修建于20世紀60年代，南北寬約為37 m，其中兩邊9 m處各有1道變形縫將橋臺分為3部分。橋拱圈為預制200號混凝土砌塊，拱腳為預制350號混凝土砌塊，橋臺基礎為80號水泥砂漿砌塊石，橋臺護坡及河底采用500 mm厚水泥砂漿砌塊石（圖2）。

圖2　朝陽門外護城河老拱橋

朝陽門外護城河河岸及河床用混凝土砂漿塊石保護，護城河河寬17.4 m，水深0.65 m，水面高程397.55 m，河面相對地面高差約為7.15 m。地貌單元屬黃土梁洼，地表分布有厚薄不均的全新統(tǒng)人工填土、新黃土（局部為飽和軟黃土）、殘積古土壤、中更新統(tǒng)風積老黃土、中更新統(tǒng)沖積粉質黏土、粉土、細砂等。

2　拱橋加固技術原則

(1）加固設計應達到國家文物保護部門相關規(guī)定和要求，既滿足老拱橋保護要求，又確保老拱橋安全。

(2）加固設計應盡可能減小施工期間盾構對老拱橋產(chǎn)生的影響。

(3）加固設計應盡可能減小對周邊環(huán)境、地面交通的影響，盡量減少建筑物的拆遷和管線的改移。

(4）通過加固設計，使得隧道盾構施工所引起的地面沉降和隆起均應控制在規(guī)范允許的范圍以內。

圖3　拱橋-隧道-地層計算模型

圖4　隧道與老拱橋的位置關系

表1　地層土物性參數(shù)表

3　拱橋沉降數(shù)值模擬

3.1老拱橋模型的建立

本文建立拱橋-隧道-地層三者相互作用的三維數(shù)值模型，以考查隧道的修建對老拱橋的影響，建立的拱橋-隧道-地層三維數(shù)值模型如圖3所示。模型長72 m，寬74 m，高47.45 m，共11 408個單元，12 488個節(jié)點。計算中采用的應力釋放率，參考將要穿越重要建筑物情況下的施工控制標準及既有的工程實例取值。隧道與老拱橋的三維位置關系如圖4所示。

表2　拱橋及隧道結構物性參數(shù)表

表3　隧道開挖對拱橋沉降的影響

表4　隧道開挖對橋拱應力的影響

3.2地層及橋體結構參數(shù)

拱橋-隧道-地層三者相互作用的三維數(shù)值計算模型中，地層土物性參數(shù)取值見表1，主要結構參數(shù)見表2。

3.3計算結果及分析

(1）區(qū)間隧道的修建將對老拱橋產(chǎn)生影響，最直接的影響體現(xiàn)在老拱橋基礎的沉降上。計算結果表明，當左線貫通時，老拱橋基礎產(chǎn)生的沉降最大為4.6 mm，位置靠近左線隧道側，橋基礎最大傾斜為0.075‰；當雙線隧道貫通后，老拱橋基礎沉降繼續(xù)增大，最大沉降為6.8 mm，位于右線隧道上方，橋基礎最大傾斜為0.125‰，見表3。

(2）區(qū)間隧道的修建還將使老拱橋應力產(chǎn)生改變，計算結果表明，左線隧道開挖后，橋拱結構應力由初始的13.1 MPa增加到13.135 MPa，增加1.92%；雙線隧道貫通后，橋拱結構應力由初始的13.1 MPa增加到13.428 MPa，增加2.5%。橋拱結構應力改變區(qū)域主要集中在左線隧道側的橋拱邊緣部分，見表4。

(3）以上計算結果表明，盾構下穿老拱橋將引起拱橋基礎沉降，最大值約6.8 mm，最大傾斜率為0.125‰，小于JTG D61-2005《公路圬工橋涵設計規(guī)范》2‰的容許值要求，并且對橋拱結構應力的改變也較小，僅增加了2.5%，故在正常施盾構工情況下，施工不會對老拱橋結構造成嚴重影響。

4　拱橋沉降控制措施

4.1盾構機自身控制措施

地鐵施工時，對老拱橋的保護應主要從盾構掘進時參數(shù)的調整入手，適時調整盾構相關掘進參數(shù)（推力、掘進速度）并及時糾偏，及時壓漿、二次注漿，盡可能減小地面沉降。

4.2拱橋加固措施

由于老拱橋為單跨拱橋，且橋拱圈由預制混凝土砌塊組成。因此，任何微小的沉降都將導致老拱橋瞬間坍塌。為避免盾構在掘進過程中由于意外原因而導致的拱腳相對沉降過大，從而發(fā)生老拱橋坍塌的嚴重后果，在盾構掘進至護城河老拱橋下方時，應提前對老拱橋進行必要的加固，防止對老拱橋產(chǎn)生破壞。

(1）滿堂腳手架加固方案。在老拱橋橋拱內采用滿堂腳手架支護，腳手架管材采用Ф48 mm×3.5 mm鋼管。立桿間距雙向0.8 m，步距1.2 m，架底設置縱、橫向掃地桿，掃地桿距地200 mm。腳手架立桿底部設置通長16號槽鋼墊板，橋拱底部設16號槽鋼墊板與腳手架頂托相連，空隙處打入木楔楔緊，確保槽鋼墊板與拱橋底部砌塊密實（圖5）。

(2）網(wǎng)噴混凝土加固方案。在護城河老拱橋橋拱內噴射C25混凝土，內置四肢格柵鋼架，在網(wǎng)噴混凝土與老拱橋橋拱之間鋪設一隔離層，以便盾構施工完成后拆除加固體，還老拱橋原貌（圖6）。

(3）加固方案比選。為更好地分析以上2種方案的優(yōu)劣，將2種方案的優(yōu)缺點列表5。經(jīng)表5比選，盾構機在通過朝陽門外護城河老橋時，采用對環(huán)境影響小、施工成本低的滿堂腳手架加固方案。

圖5　滿堂腳手架加固方案圖 （單位：m）

圖6　網(wǎng)噴混凝土加固方案圖 （單位：m）

表5　護城河老橋加固方案對比表

5　拱橋沉降監(jiān)測

西安地鐵1號線于2011年2～3月完成盾構機穿越朝陽門外護城河老公橋及朝陽門，根據(jù)《西安地鐵一號線第三方監(jiān)測工程》監(jiān)測成果報告，護城河老橋基礎沉降監(jiān)測點共設6處，6處沉降監(jiān)測點中最大沉降值為5.1 mm，對應的傾斜率為0.028‰，小于JTG D61-2005《公路圬工橋涵設計規(guī)范》2‰的容許值要求。監(jiān)測成果報告還表明，老拱橋監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，橋體未出現(xiàn)裂縫等破損現(xiàn)象，橋基及橋身未出現(xiàn)較大沉降，基本滿足原設計要求，并與數(shù)值模擬分析結果相一致。

參考文獻

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責任編輯 朱開明

Settlement Numerical Simulation and Control Measures of Metro Shield Tunnel Passing beneath Moat Arch Bridge

Wen Baojun, Hou Lina

Abstract:Aiming at Xi'an metro line 1 project, the shield tunneling passing beneath the moat arch bridge outside of Chaoyangmen cultural relics area. By establishing three-dimensional fi nite element model, the paper makes simulation analysis on soil settlement mechanism in shield tunneling, carries out theoretical analysis on the moat bridge stress, and puts forward the settlement control standard for moat bridge, develops schemes for arch bridge reinforcement. At the same time, through monitoring of moat arch bridge settlement in construction process, settlement control standards are presented.

Keywords:metro, shield tunnel, passing beneath arch bridge, reinforcement technology, study

收稿日期2014-06-05

中圖分類號：U452