盾構(gòu)隧道下穿施工對鄰近鐵路橋梁的影響分析

孫雪兵

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

近年來，隨著城市軌道交通的大力發(fā)展，居民的出行得到了極大的便利。但由于城市軌道交通的建設(shè)通常受到城市空間的限制，將不可避免地出現(xiàn)盾構(gòu)隧道穿越鐵路橋梁等既有建(構(gòu))筑物的情況。地鐵的穿越施工不但會引起周圍地層損失從而導致地表沉降，同時也會造成既有橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的變形，從而給鐵路線路的正常運營帶來了潛在風險[1]。因此，新建盾構(gòu)隧道與既有橋梁樁基的相對位置關(guān)系對控制結(jié)構(gòu)的變形尤為重要。

國內(nèi)學者對隧道下穿既有橋梁樁基展開了大量研究。王立峰[2]采用正交試驗和數(shù)值模擬的方法，將盾構(gòu)掘進過程中樁基與隧道間的距離進行分類，同時提出了樁基近鄰度的計算方式；胡雄玉[3]采用有限元分析的方法，針對不同加固方式下盾構(gòu)隧道施工對既有樁基的影響進行了研究；王述紅等[4]以兩階段分析法為基礎(chǔ)，考慮樁結(jié)構(gòu)端承作用，對不同樁隧空間位置關(guān)系時盾構(gòu)開挖對樁基的影響進行了研究，提出了盾構(gòu)施工對樁基影響的理論計算方法。王俊[5]以長沙地鐵盾構(gòu)下穿新中路立交橋為工程依托，借助數(shù)值模擬分析了加固措施對控制樁基沉降的可行性；李旺旺等[6]以實際工程為例，通過地表沉降和橋樁監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合盾構(gòu)土壓力和注漿參數(shù)，研究了盾構(gòu)側(cè)穿橋梁時對橋梁沉降變形的影響；趙江濤等[7]建立盾構(gòu)穿越既有橋梁的施工控制體系，并將之應用于東干渠盾構(gòu)隧道穿越北苑橋主橋工程。朱逢斌等[8]通過建立三維有限元數(shù)值模型，對軟土地區(qū)盾構(gòu)掘進對鄰近樁基的影響進行了研究，并通過離心試驗驗證了數(shù)值計算結(jié)果的可靠性；彭坤等[9]通過模擬盾構(gòu)隧道順橋向穿越橋梁樁基的全過程，對不同樁基加固方案下地表沉降和樁身變形規(guī)律進行了分析；夏煒洋等[10]采用數(shù)值計算的方法，針對盾構(gòu)下穿萬福橋時對橋梁結(jié)構(gòu)的影響及管片襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進行了分析；鄭熹光[11]采用有限元法對不同工程地質(zhì)、樁基形式和不同樁隧位置關(guān)系下樁體變形和受力進行了研究。

上述研究雖從多個角度對隧道穿越既有橋梁影響規(guī)律進行了分析，但是上述文獻并未針對不同樁隧凈距對地表及既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的影響進行系統(tǒng)研究。為此，本文以武漢地鐵3號線盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路橋梁為工程依托，建立有限元數(shù)值模型，對盾構(gòu)掘進過程中不同樁隧凈距下盾構(gòu)施工對既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)及地表的沉降規(guī)律進行研究，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

武漢地鐵3號線一期工程二七路站—興業(yè)路站區(qū)間盾構(gòu)隧道先后穿越合武高鐵、京廣線等重要的既有鐵路線路。隧道采用盾構(gòu)法施工，襯砌結(jié)構(gòu)外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，幅寬1.5 m，厚0.3 m。新建盾構(gòu)隧道與既有鐵路橋梁位置關(guān)系見圖1。

圖1 隧道與既有鐵路橋梁位置關(guān)系(單位：m)

2 盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋梁數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

計算模型中，土體、橋梁結(jié)構(gòu)、管片和注漿層均采用Solid 45實體單元進行模擬，使用接觸單元來模擬土體與樁基、梁體結(jié)構(gòu)與橋墩之間的相互作用?？紤]到隧道埋深較淺，在計算中對自重應力場進行處理。模型建立過程中對左右邊界施加水平方向約束，模型底部施加豎向位移約束，頂部為自由面，前后邊界施加縱向位移約束。

根據(jù)武漢軌道交通3號線與既有鐵路橋梁樁基的位置關(guān)系，建立三維數(shù)值模型，見圖2。

圖2 三維數(shù)值模型

根據(jù)圣維南原理，模型范圍取3～5倍洞徑，沿隧道橫向60 m，沿隧道縱向71 m，豎向土體厚度60 m。地層參數(shù)根據(jù)實際勘測資料取值，并假定不同地層均按照相應厚度水平層狀分布。計算模型土體材料服從Druker-Prager準則，橋梁、墩臺樁基等結(jié)構(gòu)物則視為彈性體。

采用單元生死來模擬土體開挖、施作管片及注漿，通過調(diào)整注漿層參數(shù)的方法實現(xiàn)漿液的凝結(jié)硬化過程。同時，將隧道開挖引起的應力釋放分為2部分，隧道開挖且未施作管片之前應力釋放20%，在管片施作之后釋放其余部分。雙線隧道均設(shè)置12個開挖步，見表1。

表1 開挖步情況

2.2 參數(shù)的選取

考慮到管片接頭對結(jié)構(gòu)剛度的影響，將結(jié)構(gòu)剛度折減為0.85。同時結(jié)合地質(zhì)勘查報告及相關(guān)規(guī)范確定巖土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表2。

表2 巖土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 盾構(gòu)掘進對地表及既有結(jié)構(gòu)的影響

先開挖隧道右線，再開挖隧道左線。隧道埋深15 m，隧道左、右線與中間墩臺樁基凈距分別為4.2，5.6 m時既有橋梁中心線處地表沉降曲線見圖3。

圖3 地表沉降變化曲線

從圖3可以看出：①開挖隧道右線時地表沉降呈V形分布，地表最大沉降區(qū)域在拱頂附近，且隨著開挖的進行最大沉降呈增長趨勢；②開挖隧道左線時地表沉降規(guī)律與右線基本一致，即隨著開挖面的不斷推進，地表沉降峰值逐漸增大；③雙線貫通時隧道左右線中心處地表沉降最大值分別為12.737和12.678 mm，地表沉降呈W形分布。

右線貫通時隧道出口處沉降最大，其值為17.647 mm，雙線貫通時地表沉降基本沿隧道軸線左右對稱，最大沉降位于左線隧道出口，其值為20.374 mm。2#墩臺周邊地表沉降相對較小，表明橋梁樁基對其周圍地層沉降有一定的抑制作用。墩臺處與隧道進出口處的地表沉降差值為7.637 mm。

為獲得盾構(gòu)施工對既有橋梁樁基的影響，以2號墩臺下部樁群為例進行樁基的位移分析。2#墩臺樁基編號見圖4。

圖4 2#墩臺樁基編號

右線貫通時由于開挖中的地層擾動以及橋梁結(jié)構(gòu)荷載的直接作用，樁群最大豎向位移出現(xiàn)在靠近右線的樁頂，其值為-1.347 mm。雙線貫通時樁群的最大豎向位移靠近左線樁頂，其值為-2.649 mm，相較于右線貫通時有較大增長。樁群的上下兩部分豎向位移存在著較大差異。上半部分樁基位于隧道施工影響線之內(nèi)，下沉量較大。下半部分樁基由于受到的施工擾動較小，且該部分地質(zhì)條件相對較好，下沉量較小。

隧道雙線貫通時2#墩臺下部樁群垂直于盾構(gòu)掘進方向(X方向)的水平位移見圖5。水平位移以遠離左線隧道的方向為正向，反之為負向。

圖5 2號墩臺下部樁群水平位移曲線

從圖5可以看出：①1#樁位于墩臺中心處，由于其與左線隧道距離較近，故其在隧道中心處出現(xiàn)了正向位移，在深度25 m處出現(xiàn)了負向位移，最大水平位移為0.556 mm，但位移小于其他4根樁基。②2#，3#樁位移變化規(guī)律與1#樁相一致，正向最大水平位移分別為0.995，1.626 mm。這是由于2#，3#樁距左線更近，因此水平位移相對較大。③4#，5#樁位移變化規(guī)律與2，3#樁相反且量值相對較小，4#，5#樁最大水平位移分別為-0.538，-0.882 mm。

2.3.2 樁隧凈距對地表及既有結(jié)構(gòu)的影響

在隧道埋深、右線隧道與既有橋梁樁基距離一定的情況下，隧道左線與2#樁基之間的樁隧凈距分別取1.8 m(0.3D)，4.2 m(0.7D)及6.0 m(1D)。D為隧道外徑，其值為6 m。雙線貫通時地表沉降變化曲線見圖6。圖中虛線為不同工況下的隧道中心線。

圖6 雙線貫通時地表沉降變化曲線

從圖6可以看到：①樁隧凈距分別為1.8，4.2及6 m 時地表沉降均呈W形，且隨著樁隧凈距的增大,地表沉降最大值分別為12.729，12.737及12.515 mm;②墩臺及右線隧道中心線附近的地表沉降隨著樁隧凈距的增大而減小。這是由于左線隧道的開挖對墩臺處地層的擾動逐漸減小。

不同樁隧凈距下梁體結(jié)構(gòu)最大位移見表3。

表3 不同樁隧凈距下梁體結(jié)構(gòu)最大位移 mm

從表3可知：①由于首先對右線隧道進行開挖，右線貫通時左線還未施工，故在不同樁隧凈距下梁體結(jié)構(gòu)最大位移相一致。②雙線貫通當樁隧凈距由1.8 m 增至6.0 m時，梁體結(jié)構(gòu)最大豎向位移由-3.773 mm逐漸減小至-2.286 mm，最大沉降點均在2#墩臺頂。同時，隨著樁隧凈距的增大梁體結(jié)構(gòu)水平位移有所減小，但變化幅度很小，均不足1 mm。③不同樁隧凈距下梁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形以豎向位移為主。

雙線貫通時鋼軌豎向位移變化曲線見圖7?？芍?條鋼軌沉降變化規(guī)律基本一致，鋼軌豎向位移基本呈V形，軌道各點的沉降均隨著樁隧凈距的增大而減小。

圖7 雙線貫通時鋼軌豎向位移變化曲線

不同樁隧凈距下鋼軌最大豎向位移及位置見表4?？梢钥闯觯簶端韮艟嗟脑龃髮︿撥壋两档挠绊懖⒉幻黠@，不同樁隧凈距下鋼軌最大變形處鋼軌高差均不足0.1 mm，且最大豎向位移未超過6 mm的限值。

表4 不同樁隧凈距下鋼軌最大豎向位移及位置 mm

樁基最大豎向位移見表5?？梢姡弘S著樁隧凈距的增大，樁基最大豎向位移呈減小的趨勢。樁隧凈距為1.8 m時樁基最大豎向位移為-3.998 mm，樁隧凈距分別增至4.2，6.0 m時樁基最大豎向位移分別為-2.954，-2.309 mm，表明隧道開挖對樁基豎向位移的影響隨著樁隧凈距的增大而減小。

表5 不同樁隧凈距下樁基最大豎向位移

由于2#樁、3#樁與隧道左線的距離較近，故選取2#樁作為樁基水平位移的監(jiān)測對象。雙線貫通時2#樁垂直于盾構(gòu)掘進方向(X方向)的水平位移曲線見圖8。

圖8 雙線貫通時2#樁水平位移曲線

由圖8可見：①由于左線隧道開挖對土體產(chǎn)生擾動，在隧道中心處2#樁正向水平位移達到最大值，樁隧凈距為1.8，4.2和6.0 m時2#樁在隧道中心處的水平位移分別為1.996，1.204，0.738 mm；②在隧道中心以下約8 m處2#樁負向水平位移達到最大值，3種凈距下其值分別為3.413，1.594及0.867 mm；③隨著樁隧凈距的增大，2#樁水平位移明顯減小，這表明隧道開挖對2#樁水平位移的影響會隨著隧樁凈距的增大而減小。

3 結(jié)論

1)盾構(gòu)隧道的掘進會使鄰近樁基產(chǎn)生以沉降為主的附加變形，其最大沉降發(fā)生在樁頂；隨盾構(gòu)的推進地表沉降表現(xiàn)出較為明顯的增長趨勢，至隧道雙線貫通時地表最大沉降值為20.374 mm。

2)既有橋梁樁基對盾構(gòu)開挖引起的地層擾動能起到一定的阻隔作用，從而減小了盾構(gòu)施工所引起的變形。同時，由于樁側(cè)摩阻力的作用，2#墩臺周圍的地表沉降最大值小于隧道進出口處。

3)在樁隧凈距分別為1.8，4.2，6.0 m時，橋梁梁體與樁基產(chǎn)生的變形均以沉降為主，變形量隨樁隧凈距的增大而減小。隨樁隧凈距的增大相鄰兩股鋼軌水平高差及軌面沉降的變化趨勢不明顯，均未超出6 mm的限值。

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