盾構(gòu)下穿施工對(duì)高鐵連續(xù)梁橋沉降和變形的影響

王 霆 韓高孝 鄭 軍

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,210017，南京; 2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,201804，上?！蔚谝蛔髡?，研究員級(jí)高級(jí)工程師)

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盾構(gòu)下穿施工對(duì)高鐵連續(xù)梁橋沉降和變形的影響

王 霆1韓高孝2鄭 軍1

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,210017，南京; 2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,201804，上海∥第一作者，研究員級(jí)高級(jí)工程師)

以南京地鐵機(jī)場(chǎng)線盾構(gòu)隧道近距離穿越高速鐵路連續(xù)梁橋?yàn)楸尘?通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和有限元計(jì)算,研究盾構(gòu)下穿施工對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明:由于盾構(gòu)隧道所處的地層較好、埋深較大，且盾構(gòu)隧道施工對(duì)于地層的擾動(dòng)較小,所以盾構(gòu)隧道施工對(duì)于橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響很??；由盾構(gòu)隧道施工引起的梁體附加變形很小,均滿(mǎn)足控制要求；盾構(gòu)隧道施工引起的橋梁附加內(nèi)力既對(duì)橋梁的受力起到好的作用也有不良作用,且附加力的量值很小,不會(huì)對(duì)橋梁的正常使用產(chǎn)生影響。

盾構(gòu)隧道下穿施工; 高鐵橋梁; 沉降; 變形

First-author′s address Nanjing Metro Construction Limited Liability Company, 210017,Nanjing,China

隨著城市規(guī)模和人口密度的不斷增大,地鐵的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。由于線路走向的限制,在施工中出現(xiàn)了地鐵盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路橋梁的情況,且這種情況將會(huì)越來(lái)越多。

地鐵開(kāi)挖不可避免地會(huì)引起周?chē)貙赢a(chǎn)生一定的位移,這些位移又進(jìn)一步作用在鄰近的橋樁上,引起鄰近橋樁的各種反應(yīng)并最終導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的變形和受力的改變。高速鐵路要求線路具有高度的平順性,如果橋梁的變形過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致行車(chē)舒適性降低，嚴(yán)重的會(huì)威脅行車(chē)安全,而橋梁受力的改變也可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的破壞。因此,正確、合理地評(píng)價(jià)盾構(gòu)隧道施工對(duì)高速鐵路橋梁的影響顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、離心試驗(yàn)，就盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近既有樁基的影響開(kāi)展了一系列的研究[1-9],但研究盾構(gòu)施工對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響卻比較少見(jiàn)。本文以南京地鐵機(jī)場(chǎng)線為背景,利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和有限元軟件進(jìn)行分析計(jì)算,研究盾構(gòu)穿越施工對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程背景

盾構(gòu)隧道直徑6.2 m,左右線隧道隧頂埋深均為28 m左右。盾構(gòu)穿越某客運(yùn)專(zhuān)線鐵路高架橋,穿越段橋梁上部結(jié)構(gòu)為四跨(20 m+34 m+34 m+20 m)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁,橋上設(shè)正線2條,盾構(gòu)隧道從中間兩跨穿越。自盾構(gòu)隧道左線向右線方向各橋墩下分別設(shè)12根直徑1 m、11根直徑1.25 m、12根直徑1.25 m、11根直徑1.25 m和12根直徑1 m的鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)分別為18 m、27 m、28 m、28 m和21.5 m。左線隧道與樁基的水平最小凈距為9.41 m,隧底高于樁端3.49 m;右線隧道與樁基的水平最小凈距為8.46 m,隧底高于樁端2.15 m。如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)下穿橋跨示意圖

該范圍內(nèi)自上而下，土層分別為人工填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,各土層參數(shù)見(jiàn)表1。樁端位于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中,盾構(gòu)隧道主要穿越該層。

2 盾構(gòu)施工對(duì)橋墩沉降的影響

為研究盾構(gòu)下穿施工時(shí)橋墩的沉降變形,在下穿施工過(guò)程中對(duì)橋墩的變形進(jìn)行了觀測(cè)。由于橋梁兩端的橋墩距離隧道較遠(yuǎn),盾構(gòu)施工對(duì)其影響可忽略,故只對(duì)39#、40#和41#橋墩進(jìn)行觀測(cè)(見(jiàn)圖1)。在盾構(gòu)隧道施工前于上述橋墩上設(shè)置觀測(cè)棱鏡,在施工過(guò)程中每天對(duì)橋墩變形進(jìn)行2次觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 39#橋墩沉降觀測(cè)結(jié)果

圖3 40#橋墩沉降觀測(cè)結(jié)果

圖4 41#橋墩沉降觀測(cè)結(jié)果

由圖2～圖4可知,盾構(gòu)隧道下穿施工過(guò)程中橋墩沉降呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)并最終趨于穩(wěn)定。首先,40#橋墩位于左右線隧道之間,故隧道施工對(duì)其影響最大,最大沉降達(dá)到0.6 mm,而39#和41#橋墩的沉降則相對(duì)較小，均約為0.5 mm。其次,盾構(gòu)隧道施工對(duì)于地層的擾動(dòng)較小,而且盾構(gòu)隧道所處的地層較好、埋深較大,橋梁樁端位于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中(可視為端承樁),所以盾構(gòu)隧道施工對(duì)于橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響很小。

3 盾構(gòu)施工對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)變形的影響

3.1 研究方法

首先,利用MIDAS Civil有限元軟件建立橋梁上部結(jié)構(gòu)模型,考慮到列車(chē)運(yùn)營(yíng)的影響,按照支反力影響線進(jìn)行Z-K活載的最不利布載(見(jiàn)圖5、圖6),計(jì)算出在橋梁恒載和列車(chē)荷載作用下橋梁上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。其次,計(jì)算由于基礎(chǔ)沉降引起的橋梁結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力的改變。橋梁基礎(chǔ)的沉降值以實(shí)際觀測(cè)值為準(zhǔn)施加在支座上,在計(jì)算時(shí)均取最大值。

四跨連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)的有限元模型長(zhǎng)108 m,橋梁支座采用一般支撐進(jìn)行模擬(見(jiàn)圖7),截面尺寸如圖8所示。橋梁采用線彈性梁?jiǎn)卧M,彈性模量E為32.5 GPa,泊松比μ為0.2。

圖5 兩邊橋墩支反力影響線

圖6 中間橋墩支反力影響

圖7 上部結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 計(jì)算結(jié)果

在既有荷載作用下和由于橋墩墩頂豎向沉降引起的梁體豎向變形如圖9、圖10所示。由圖可看出，豎向靜活載引起的梁體最大豎向變形發(fā)生在中間兩跨梁的中部，為10 mm,邊跨梁體的豎向變形則較小，為3 mm,且整個(gè)連續(xù)梁橋的變形對(duì)稱(chēng)于最中央的橋墩；由于墩頂下沉引起的梁體的最大豎向變形位于橋梁最中央的橋墩處,為0.6 mm,且整個(gè)梁體的變形也不對(duì)稱(chēng)。相對(duì)于靜活載引起的變形而言,墩頂沉降引起的變形很小。由于既有荷載和墩頂沉降引起的連續(xù)梁橋梁端最大轉(zhuǎn)角θ為0.4‰,相鄰兩孔梁之間最大轉(zhuǎn)角θ1+θ2為1.2‰。上述變形滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖8 梁體橫截面圖

圖9 豎向靜荷載作用下梁體豎向變形

圖10 墩頂沉降引起的梁體豎向變形

在既有荷載作用下的主力彎矩包絡(luò)圖和支座沉降導(dǎo)致的附加彎矩圖如圖11、圖12所示。因支座沉降產(chǎn)生的最大正彎矩為325.1 kN·m,位于中央橋墩處,使此位置主力產(chǎn)生的最大負(fù)彎矩由-64 336 kN·m減小到-64 011 kN·m,相對(duì)減小0.5%;中間兩跨跨中最大正彎矩由20 181 kN·m增加到20 420 kN·m,相對(duì)增加0.84%;支座沉降產(chǎn)生的最大負(fù)彎矩為-74.5 kN·m,位于左邊第二個(gè)橋墩處,相對(duì)此位置主力產(chǎn)生的最大負(fù)彎矩增加0.16%。由以上分析可看出，因墩頂沉降引起的梁體的附加彎矩既能對(duì)梁體的受力起到好的作用，也能起到不良作用,且彎矩的改變量很小,橋梁結(jié)構(gòu)完全可以滿(mǎn)足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求。

圖11 主力彎矩包絡(luò)圖

圖12 支座沉降引起的附加彎矩

在既有荷載作用下的主力剪力包絡(luò)圖和支座沉降產(chǎn)生的附加剪力如圖13、圖14所示,支座沉降產(chǎn)生的最大附加剪力為11.8 kN,使此位置主力產(chǎn)生的最大剪力由10 329 kN增加到10 340.8 kN,相對(duì)增加0.11%。同樣，因墩頂沉降引起的梁體的附加剪力既能對(duì)梁體的受力起到好的作用也能起到不良作用,且剪力的改變量很小,荷載滿(mǎn)足規(guī)范所規(guī)定的承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)要求。

圖13 主力剪力包絡(luò)圖

圖14 支座沉降引起的附加剪力

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 由于盾構(gòu)隧道施工本身對(duì)于地層的擾動(dòng)較小,且盾構(gòu)隧道所處的地層較好、埋深較大,橋梁樁端位于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中,所以盾構(gòu)隧道施工對(duì)于橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響很小。

(2) 隧道開(kāi)挖引起的梁體附加變形很小,均滿(mǎn)足控制要求。

(3) 隧道開(kāi)挖引起的橋梁附加內(nèi)力，既對(duì)橋梁的受力起到好的作用，也有不良作用,且附加力的量值很小,不會(huì)對(duì)橋梁的正常使用產(chǎn)生影響。

[1] 王占生,王夢(mèng)恕.盾構(gòu)施工對(duì)周?chē)ㄖ锏陌踩绊懠疤幚泶胧J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2002,12(2):45.

[2] 李永盛,黃海鷹.盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)相鄰樁體力學(xué)影響的實(shí)用計(jì)算方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1997,25(3):274.

[3] 孫吉主.盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)對(duì)基樁影響的工程分析法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(3):56.

[4] 王炳軍,李寧,柳厚祥,等.地鐵隧道盾構(gòu)法施工對(duì)樁基變形與內(nèi)力的影響[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,3(3):35.

[5] 楊超,黃茂松,劉明蘊(yùn).隧道施工對(duì)臨近樁基影響的三維數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(增1):2601.

[6] 于寧,朱合華.盾構(gòu)施工仿真及其相鄰影響的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2004,25(2):293.

[7] 朱逢斌,楊平,ONG C W.盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基影響數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008,30(2):299.

[8] 傅雅莉.盾構(gòu)隧道下穿市政橋梁的施工影響數(shù)值分析[J].城市軌道交通研究,2014(7):76.

[9] LOGANATHAN N,POULOS H G,STEWART D P.Centrifuge model testing of tunnelling-induced ground and pile deformations[J].Geotechnique,2000,50(3):283.

[10] JACOBSZ S W,STANDING J R,MAIR R J,et al.Centrifuge modelling of tunneling near driven piles[C]∥Proceeding of the 3rd International Organizations Symposium:on Geotechnical Aspect of Underground Construction in Soft Ground.France:Toulouse，2002:89.

Influences of Undercrossing Shield Tunneling on the Settlement and Deformation of Continuous Beam Bridge of High-speed Railway

WANG Ting, HAN Gaoxiao, ZHENG Jun

Taking a shield tunneling project as the background, which crosses under a bridge of high-speed railway on the Nanjing Metro Airport Line, and based on field monitoring and finit element calaculation, the influences of undercrossing shield tunneling on the superstructure of continuous beam bridge are studied. The result indicates that, due to the big burial depth, the small strata disturbance of shield tunnel and the better geological conditions, the shield tunnel construction has minor influences on the substructure of bridge; additional deformations of the beam caused by tunnel construction are very obvious and thus could meet the control requirements. Besides, the additional internal forces of bridge caused by tunnel construction have both plus and minus effects on the substructures of continuous bridge, the magnitude of additional internal forces is rather small, therefore it would not affect the normal operation of the bridge.

undercrossing shield tunneling; high-speed railway bridge; settlement; deformation

TU 433∶U 448.21+5

10.16037/j.1007-869x.2016.04.009

2014-08-08)