地鐵盾構(gòu)隧道下穿施工對簡支梁橋安全性影響分析

楊麗明,沈宇鵬,湯天笑,王云超

(1.北京市重大項目建設指揮部辦公室,北京 100029； 2.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044)

盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)在城市施工建設中有著不可替代的作用，其高度智能、方便快捷、安全性高、地層適用性廣等特點使此技術(shù)得到充分推廣，逐漸成為城市施工建設工程中常用的施工方法[1]。雖然盾構(gòu)法成就顯著，但在開挖過程中，盾構(gòu)隧道施工會對地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的破壞，如擾動，這種擾動會破壞盾構(gòu)周圍現(xiàn)有環(huán)境，如何將破壞程度降到最低具有重要的工程意義。由于土體挖除、管片和二襯的設置等原因，周圍土體的初始狀態(tài)必然會受到盾構(gòu)施工的影響，使土體離開原位置，引起橋梁整體結(jié)構(gòu)的沉降不均勻，改變橋梁的結(jié)構(gòu)受力情況。同時過大的沉降會對盾構(gòu)隧道施工的安全和橋梁的正常使用造成影響[2]，產(chǎn)生較大的安全隱患，而這種工況目前研究較少。

結(jié)合盾構(gòu)機工作原理，Peck R B[3]、Mair R J[4]等 發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)施工過程中土體位移是一個三維問題；方勇等[5，6]研究了在地鐵施工中，盾構(gòu)機在推進過程中對周圍樁基的影響，得出從盾構(gòu)機前方一個隧道外徑處到盾構(gòu)機后方兩個隧道外徑處，是地表沉降的產(chǎn)生范圍；毛遠鳳[7]等分析盾構(gòu)隧道左右線施工步驟和方法，得出盾構(gòu)隧道施工對路面沉降變形有顯著的影響；李永利等[8]以成都地鐵1號線為背景模擬出橋梁向隧道開挖一側(cè)產(chǎn)生變形，水平變形較小，豎向變形較大；夏煒洋等[9]針對考慮耦合效應和只考慮水壓力工況研究盾構(gòu)施工對橋梁的影響；王炳軍[10]利用數(shù)值仿真試驗，從變形和內(nèi)力方面研究了近鄰樁基在盾構(gòu)法施工所受影響；張志強等[11]從力學方面模擬了近接高架樁基在隧道動態(tài)施工中所受的影響；許世偉等[12]分析了鄰近地鐵盾構(gòu)施工的市政橋梁在施工過程中所受的影響；朱逢斌等[13]分析了臨近地鐵盾構(gòu)施工的樁基在施工過程中所受的影響。

綜上所述，目前研究主要針對盾構(gòu)對基礎樁承載能力的影響方面，而對簡支梁這種結(jié)構(gòu)形式的研究較少。

北皇木廠橋位于通燕高速施工段中，地鐵6號線下穿此橋，以此為背景，采用Midas/GTS軟件對此下穿結(jié)構(gòu)進行建模計算，研究橋梁基礎的沉降變形在地鐵盾構(gòu)施工中所受的影響，為以后處理類似工程問題提供參考。

本文提出墩臺均勻總沉降量、橫向位移、相鄰墩臺的縱向、橫向沉降差4個橋梁穩(wěn)定性指標，對掉梁災害提出預警值，并提出合理的盾構(gòu)施工參數(shù)。

1 工程概況

1.1 地鐵與橋梁的相互關系

北京地鐵6號線二期工程西起草房站后折返線，東到東小營站，線路全長12.1 km。通燕高速公路位于地鐵6號線物資學院站到北關站區(qū)間，交通量較大。地鐵6號線穿越通燕高速位置為K1+036.06～K1+118.39。區(qū)間右線長度約2 362.4 m。區(qū)間線路平面位置見圖1。本文著眼于盾構(gòu)法隧道施工下穿簡支梁橋時所引起的橋梁豎向和橫向位移變化規(guī)律，并不重點研究擋土墻的變形變化特征。

圖1 穿越工程平面示意

工程采用削土密封式盾構(gòu)法施工，利用邊掘進邊注漿的方式來維護地表穩(wěn)定，隧道左線完成后再施工右線，選用C50混凝土作為隧道頂部和兩側(cè)的襯砌混凝土，開挖掘進時隧道外徑采用6 m，內(nèi)徑采用5.2 m。

盾構(gòu)隧道以80°角下穿北皇木廠簡支梁橋，右偏角60°，軌頂高程為0.01～0.15 m，地面高程約為25 m，盾構(gòu)覆土厚度約為24 m，線間距12～15 m，地鐵埋深為32.2 m，距樁基最近距離為3.55 m。橋梁全長123.1 m，橋面總寬25.2 m，包括東西橋洞和鋪設在橋間的路基。橋梁上部結(jié)構(gòu)為2×18 m鋼筋混凝土T梁，為結(jié)構(gòu)簡支、橋面連續(xù)體系(圖2)。

圖2 地鐵6號線盾構(gòu)下穿通燕高速北皇木廠橋橫斷面示意(單位：cm)

1.2 工程地質(zhì)條件

工點涉及地層為：隧道頂板的主要土層構(gòu)成為粉土，穩(wěn)定性在隧道各結(jié)構(gòu)中最差；洞身側(cè)壁主要土層構(gòu)成為黏土和細中砂，穩(wěn)定性相對于隧道頂板較好，且具有較好的力學性能，底板地層主要土層構(gòu)成為細砂，穩(wěn)定性良好；底板地層以下各層不易受到擾動，壓縮性能好，承載能力強，可視為有良好力學性能的承載地基。地層參數(shù)如表1所示。

表1 地層參數(shù)及模型材料的物理力學參數(shù)

2 施工監(jiān)測控制標準

在下穿工程施工前，應對簡支橋梁進行檢測，包括外觀檢測和雷達檢測，檢測范圍包括橋梁墩臺、伸縮縫、T梁及特殊構(gòu)件等，以評定橋梁等級[14]及安全性和耐久性是否符合要求。檢測完成后，得出結(jié)果，結(jié)合技術(shù)狀況評定標準的要求，北皇木廠橋為2類，橋體僅有對橋梁使用無影響的輕微損傷[15]。

3 盾構(gòu)下穿簡支梁橋的安全性分析

3.1 模型簡化

由于計算方面的需要，盾構(gòu)掘進步長取9 m。盾構(gòu)機在模擬過程中看成剛體。在模擬盾構(gòu)隧道推進過程中，將盾殼屬性賦給數(shù)值模型中的單元[16]。

盾構(gòu)掘進過程采用三階段法[17]逐段掘進進行模擬，整個模型分成13段進行施工，盾構(gòu)推進時采用三階段法向前推進，直至施工完成。

3.2 模型建立

采用Midas/GTS軟件對此下穿結(jié)構(gòu)進行建模計算。GTS分析速度快，計算分析處理功能強大，在巖土和隧道領域得到了廣泛的應用。模型長取150 m，寬取80 m，高取40 m，襯砌厚度和內(nèi)徑總和D取6.2 m(D為洞徑)，在定義模型左右邊界和下邊界與隧道外側(cè)距離時，保證第一個距離大于3D，第二個距離大于4D。模型如圖3所示。在此模型中，法向約束施加于除地面外的其他面，地面設置為自由面。固態(tài)注漿體、盾構(gòu)鋼殼、管片設置為線彈性材料[18]，模型材料的力學參數(shù)如表1所示；松動土層模擬開挖過程土層擾動，厚度0.5 m。

圖3 下穿結(jié)構(gòu)總體模型及各單元編號示意

如圖4所示，左右兩側(cè)在推進過程中被平均分成13段，模擬過程采用三階段法，依次施工左右線并循環(huán)，完成施工過程。

圖4 左右兩線隧道盾構(gòu)推進過程模型

4 結(jié)果分析及施工監(jiān)控建議

為分析模型中盾構(gòu)機向前推進時簡支梁橋沉降變形特性，在縱向上選取左線隧道左側(cè)、右線隧道右側(cè)西0～東0橋臺均勻總沉降量、相鄰墩臺的沉降差和同一墩臺南、北兩側(cè)沉降差變形來分析；在橫向上選取橋墩、橋臺水平位移曲線分析本工程模擬過程中左右線的沉降及位移。各單元編號如圖3所示。

4.1 先后施工左右線過程中墩臺的豎向位移

圖5為地鐵隧道盾構(gòu)先左線后右線推進過程中橋墩的豎向位移圖。由圖5可知：(1)盾構(gòu)機在左線推進過程中，最大豎向沉降出現(xiàn)在推進結(jié)束時；東2號-中間橋墩沉降量最大，為4.3 mm；而西0橋臺、西1橋墩、西2橋墩、東1橋墩、東0橋臺最大沉降量分別為0.6、1.6、3.1、3.6、1.8 mm；(2)右線施工各墩臺豎向位移的最大值出現(xiàn)在最后施工步(第32施工步)，縱向東2號-中間橋墩沉降量依然最大，為6.7 mm；縱向西0橋臺、西1橋墩、西2橋墩、東1橋墩、東0橋臺最大沉降值分別為0.8、2.8、5.1、5.6、3.7 mm。

圖5 施工過程中墩臺沉降

從曲線中還可以看出：左右線施工過程中橋臺、橋墩沉降量逐漸增大，盾構(gòu)施工早期豎向位移的變化速率比較大，后期的豎向沉降變化速率逐漸減?。欢张_豎向沉降量隨離盾構(gòu)距離的增大而增大；盾構(gòu)機在左線推進時，橋墩下沉量較大，盾構(gòu)機在右線推進時，橋墩下沉量較小。

圖6為地鐵盾構(gòu)先左線后右線推進過程中同一橋墩橫向沉降差值規(guī)律圖，從圖中可以看出：同一位置處橋墩南北向沉降差最大值出現(xiàn)在施工右線開始掘進時(第18施工步)；西2中間-南側(cè)墩、西2中間-北側(cè)墩南北側(cè)沉降差值最大，為1.4 mm；而西1中間-南側(cè)墩最大橫向沉降差為0.7 mm；西1中間-北側(cè)墩最大橫向沉降差為0.7 mm；東2中間-南側(cè)墩最大橫向沉降差為0.3 mm；東2中間-北側(cè)墩最大橫向沉降差為0.7 mm；東1中間-南側(cè)墩最大橫向沉降差為0.6 mm；東1中間-北側(cè)墩最大橫向沉降差為1.0 mm。

圖6 先后施工左右線過程中橋墩變形的橫向沉降差

曲線還反映了一些規(guī)律：在開挖左線過程中，距離盾構(gòu)最遠的西1中間-北側(cè)墩橫向沉降差為0，并在右線開挖過程中，橫向沉降差增大；東1中間-南、東1中間-北側(cè)；西1中間-南、西1中間-北側(cè)橫向沉降差變化幅度比較大。說明盾構(gòu)開挖時，開挖位置與墩臺的距離對墩臺的橫向沉降差有較大影響。

圖7為先左線后右線施工過程中相鄰墩臺橫向沉降差規(guī)律。由圖7可知：(1)各相鄰墩臺沉降差在左線施工時的最大值出現(xiàn)在最后施工步(第16施工步)，東1-東0橋臺相鄰沉降差值最大，為1.8 mm；而西0-西1橋臺、西1-西2橋墩、西2-東2橋墩、東2-東1橋墩的最大沉降差分別為：1.0、1.5、1.4、0.7 mm。(2)盾構(gòu)機在右線推進過程中，相鄰墩臺最大沉降差出現(xiàn)在推進結(jié)束時，西0-西1橋臺、西1-西2橋墩、西2-東2橋墩沉降差值最大，為2 mm；而東2-東1橋墩、東1-東0橋臺的最大沉降差分別為：1.1、1.9 mm。

圖7 先后施工左右線過程中相鄰墩臺沉降差

曲線還反映了一些規(guī)律：盾構(gòu)施工左右線過程中墩臺相鄰沉降差整體呈現(xiàn)增大趨勢；相鄰墩臺沉降差值變化不大，因此，縱向上，墩臺差異沉降不大。

4.2 先后施工左右線過程中墩臺的橫向位移

圖8為先左線后右線施工過程中墩臺水平位移規(guī)律。從圖8可以看出：(1)盾構(gòu)機在左線推進過程中，最大水平位移在推進結(jié)束時出現(xiàn)，西2、東2橋墩水平位移最大，為1.6 mm；而西0、西1、東1、東0墩臺最大水平位移分別為：0.5、1、0.7、0.4 mm。(2)右線施工各墩臺最大水平位移出現(xiàn)在最后施工步(第32施工步)，東2橋墩水平位移最大，為2.8 mm；而西0、西1、西2、東1、東0墩臺最大水平位移分別為：0.9、1.6、2.5、1.3、0.5 mm。

圖8 先后施工左右線過程中墩臺水平位移

曲線還反映了一些規(guī)律：盾構(gòu)施工過程中橋臺、橋墩的水平位移逐漸增大；距離盾構(gòu)越近，墩臺水平位移越大。

綜上所述：橋墩的豎向沉降變形較大，縱向和水平方向位移相對較小。當橋墩部位距離盾構(gòu)通過位置近時，墩臺變形速度較大，變形量大，當橋墩部位距離盾構(gòu)通過位置遠時，墩臺變形速度和變形量相對較小。說明墩臺和盾構(gòu)開挖位置之間的距離直接關系到盾構(gòu)開挖對墩臺的影響。在開挖過程中，相鄰橋墩的沉降差較小，沉降速度接近，不容易產(chǎn)生較大的不均勻沉降，說明盾構(gòu)機掘進不會引起橋面產(chǎn)生大的沉降。

4.3 結(jié)論對比

文獻[19]得出地鐵盾構(gòu)施工引起路基擋墻豎向變形的大小與擋墻距離盾構(gòu)隧道的直線距離呈負相關，這與本文得出的橋梁墩臺和盾構(gòu)開挖位置之間的距離對橋梁墩臺的影響類似；毛遠鳳等[7]分析出地鐵盾構(gòu)左右線施工過程中，后施工右線過程中產(chǎn)生的路面沉降比施工左線過程中產(chǎn)生的要小，這與本文中得出的墩臺豎向沉降數(shù)據(jù)趨勢相同；韓秋石[20]論證出盾構(gòu)隧道下穿施工引起的既有橋梁樁基礎附加變形以沉降為主，水平向位移相對較小，這與本文得出的橋墩在豎向、縱向和水平方向位移的結(jié)論類似。由此可得，本文結(jié)論是正確的，具有一定的指導意義。

4.4 墩臺變形最值及監(jiān)控建議

表2為盾構(gòu)機在先左線后右線推進過程中橋梁墩臺沉降最值。由表2可知：在地鐵6號線下穿通燕高速公路北皇木廠橋工程模擬施工過程中，墩臺均勻總沉降量最大為6.8 mm，發(fā)生在施工結(jié)束時；相鄰墩臺的最大沉降差產(chǎn)生在右線開挖結(jié)束時，為2 mm，滿足規(guī)范要求。

表2 盾構(gòu)推進過程中墩臺沉降最值變化

同一位置處墩臺橫向沉降差產(chǎn)生于西2中間-南側(cè)墩臺和西2中間-北側(cè)墩在右線第20步開挖掘進時，為1.4 mm；墩臺的水平位移發(fā)生在東2橋墩在右線第32步開挖時，為2.8 mm，因此實際施工過程中，應加強右線施工過程中西2、東2橋墩的監(jiān)測。

因此地鐵盾構(gòu)施工過程中，應加強監(jiān)測控制，改善監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測方法，得到全面及時的監(jiān)測信息，以便對施工參數(shù)做出調(diào)整。左右線施工過程中靠近盾構(gòu)方向的橋墩由于受盾構(gòu)施工的影響明顯，沉降量大，速度快，是施工過程中應重點監(jiān)控的地方，應對其監(jiān)控力度進行加強；尤其是盾構(gòu)機通過時應增加監(jiān)測次數(shù)，控制土層及橋梁結(jié)構(gòu)的沉降，發(fā)現(xiàn)問題，及時對施工參數(shù)做出調(diào)整。

5 結(jié)論

(1)在隧道左右線開挖過程中，墩臺的豎向沉降大于橫向位移?？拷軜?gòu)通過位置的橋墩部位，墩臺沉降速度較大，沉降量大。

(2)在開挖過程中，相鄰橋墩的沉降差較小，不容易產(chǎn)生較大的不均勻沉降。盾構(gòu)機掘進不會對橋面產(chǎn)生大的沉降。

(3)現(xiàn)有規(guī)范無相鄰墩臺橫向沉降差的判定，本文可為規(guī)范編訂其容許變形值提供理論依據(jù)。

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