地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道側(cè)穿城市重要橋梁安全影響分析

區(qū)楊蔭

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010）

1 前言

城市軌道交通的發(fā)展，對(duì)拉開(kāi)城市布局，支持城區(qū)發(fā)展建設(shè)，進(jìn)一步提升城市地位，都起到重要作用。而城市的過(guò)江大橋，也是連接城市交通干道的重要市政設(shè)施。由于條件所限，地鐵隧道不可避免需側(cè)穿橋梁樁基，如何確保地鐵隧道施工不影響橋梁安全，是亟需解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

某城市地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道，下穿江河后轉(zhuǎn)入城市道路，進(jìn)入了既有城市過(guò)江大橋的橋梁安全保護(hù)區(qū)內(nèi)（保護(hù)區(qū)范圍包括橋梁主體垂直投影面兩側(cè)各100m的區(qū)域，引橋垂直投影面兩側(cè)各30m的區(qū)域）。

基于以上背景，本文進(jìn)行了側(cè)穿城市重要橋梁安全影響分析。

2 工程概況及地質(zhì)水文

2.1 區(qū)間隧道概況

某市區(qū)間隧道工程下穿江河后轉(zhuǎn)入沿城市道路敷設(shè)，同時(shí)側(cè)穿既有城市過(guò)江大橋，區(qū)間隧道埋深約40m。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，為單洞單線圓形斷面，盾構(gòu)隧道管片圓環(huán)外徑6m，內(nèi)徑5.4m，管片厚度0.3m，環(huán)寬1.5m，采用錯(cuò)縫拼裝，管片環(huán)間及管片分塊間采用M24彎螺栓連接，為C50鋼筋混凝土預(yù)制管片。

區(qū)間線路為V型坡，設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房，側(cè)穿過(guò)江大橋區(qū)段位于V型坡一側(cè)上。

區(qū)間隧道掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)采用泥水式盾構(gòu)，盾構(gòu)刀盤(pán)直徑6.28m。

2.2 過(guò)江大橋概況

過(guò)江大橋采用雙向六車(chē)道，城市主干路I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)行車(chē)速度為50km/h，主橋長(zhǎng)300m，引橋長(zhǎng)419.022m，引道長(zhǎng)580.27m，橋?qū)?5m。主橋?yàn)?00m跨徑曲線梁非對(duì)稱(chēng)肋拱橋，由兩條傾斜的鋼箱梁拱肋、橋面曲線鋼箱梁、傾斜的吊桿、系桿及肋間平臺(tái)構(gòu)成。兩岸引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。主、引橋箱梁在肋間平臺(tái)處設(shè)置伸縮縫斷開(kāi)，肋間平臺(tái)主橋側(cè)設(shè)置牛腿及拉壓型球形支座用以支承主橋箱梁，肋間平臺(tái)引橋側(cè)設(shè)置牛腿及盤(pán)式支座用以支承引橋箱梁。

2.2 工程地質(zhì)及水文概況

區(qū)間隧道側(cè)穿橋梁范圍地層主要為成巖程度較深的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖⑦1-3，泥質(zhì)粉砂巖⑦2-3，地層表層土為黏土層及礫砂層。場(chǎng)地內(nèi)隧道圍巖分級(jí)為Ⅴ級(jí)。根據(jù)收集到地勘資料，有以下巖土物理力學(xué)參數(shù)。

各巖土主要物理力學(xué)參數(shù)表如表1。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)表

區(qū)間在鉆探深度范圍內(nèi)，場(chǎng)地內(nèi)地下水主要為上層滯水、第四系松散巖類(lèi)孔隙水、碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水：上層滯水主要接受大氣降水、農(nóng)田灌溉和自來(lái)水、雨水、污水等地下管線的垂直滲漏補(bǔ)給，排泄方式為大氣蒸發(fā)及下滲。第四系松散巖類(lèi)孔隙水主要來(lái)源于大氣降水和地表水補(bǔ)給；碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水，主要接受大氣降水和沖積砂礫或礫石層越流補(bǔ)給，沿含水層滲流排泄。

3 區(qū)間隧道與過(guò)江大橋樁基關(guān)系

地鐵區(qū)間隧道從過(guò)江大橋引橋東側(cè)穿過(guò)，距離引橋橋臺(tái)及橋墩樁基的水平凈距約20.7～56.2m。其中區(qū)間隧道與過(guò)江大橋A1橋臺(tái)樁基水平凈距最小，盾構(gòu)隧道右線距引橋A1橋臺(tái)樁基水平凈距為20.7m。區(qū)間隧道對(duì)引橋A1橋臺(tái)影響最大，故本文主要分析區(qū)間隧道施工對(duì)A1橋臺(tái)及樁基的影響。

圖1 區(qū)間隧道與過(guò)江大橋A1橋臺(tái)剖面關(guān)系圖

4 隧道施工對(duì)A1橋臺(tái)及樁基的影響分析

4.1 分析技術(shù)路線

將運(yùn)用Midas NX的地層-結(jié)構(gòu)模型的二維數(shù)值模擬方法評(píng)估區(qū)間隧道工程對(duì)過(guò)江大橋的影響，采用的技術(shù)路線如下：

（1）在獲得區(qū)間隧道盾構(gòu)施工前場(chǎng)地初始地應(yīng)力場(chǎng)和橋梁初始受力狀態(tài)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行區(qū)間左右線隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程的二維動(dòng)態(tài)模擬。

（2）分析盾構(gòu)施工過(guò)程中橋梁墩基結(jié)構(gòu)的受力及變形過(guò)程，確定盾構(gòu)施工過(guò)程橋梁墩基結(jié)構(gòu)的最大位移增量并評(píng)估對(duì)其影響的程度大小。

同時(shí)，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起土層損失時(shí)，將擾動(dòng)地層改變土體物理力學(xué)參數(shù)，破壞土體原有平衡狀態(tài)，導(dǎo)致地面出現(xiàn)沉降[1～3]。通過(guò)peck公式可以計(jì)算盾構(gòu)隧道沉降槽影響范圍，預(yù)測(cè)沉降槽影響范圍內(nèi)地表的沉降量。本文同時(shí)采用peck公式進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果評(píng)估區(qū)間隧道盾構(gòu)施工對(duì)過(guò)江大橋的影響。

4.2 MIDASGTS二維建模計(jì)算

橋梁承臺(tái)及樁基為C30鋼筋混凝土，其容重為23kN/m3，變形模量30000MPa，泊松比0.2；盾構(gòu)區(qū)間隧道管片為C50鋼筋混凝土，其容重為25kN/m3，考慮管片分塊拼裝的影響，其變形模量27600MPa，泊松比0.18。橋梁承臺(tái)及樁基本構(gòu)采用彈性模型，土層本構(gòu)采用修正摩爾庫(kù)倫模型。以此建立二維模型分析。有限元分析網(wǎng)格圖如圖2。

模擬分析流程如下：

（1）模擬橋梁樁基承臺(tái)修建及施加上部荷載后，將位移清零，得到盾構(gòu)隧道掘進(jìn)前初始應(yīng)力場(chǎng)；

圖2 有限元分析網(wǎng)格圖

（2）右線隧道及左線隧道先后從引橋A1橋臺(tái)東側(cè)掘進(jìn)穿越。

經(jīng)模擬分析得到：區(qū)間左右線隧道開(kāi)挖后，引橋A1橋臺(tái)樁基最大水平位移約2.7mm，最大沉降量為0.28mm。

4.3 peck公式計(jì)算

盾構(gòu)從過(guò)江大橋引橋A1橋臺(tái)側(cè)邊穿過(guò)，右線隧道中心線離橋臺(tái)樁基最小水平凈距約23.7m，可通過(guò)peck公式計(jì)算盾構(gòu)隧道沉降影響范圍，判斷盾構(gòu)施工對(duì)過(guò)江大橋的影響。

圖3 沉降槽示意圖

Peck公式：

式中，x-距隧道中心線的距離；S-距隧道中心線為x的地表沉降量；Smax-隧道中心線處最大沉降量；i-沉降槽寬度系數(shù)，可由下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

其中，H-覆土厚度；R-隧道外半徑。

W為沉降槽寬度，根據(jù)莫爾－庫(kù)侖理論，推導(dǎo)出W與i滿(mǎn)足W=3～5i的關(guān)系，又：

其中V（s）為沉降槽體積，可近似認(rèn)為橫向沉降槽體積等于地層損失VL。

A1橋臺(tái)處覆土厚度約39.6m，地層損失率取1%，通過(guò)計(jì)算，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地層最大沉降為10.72mm（位于左右線沉降槽疊加影響范圍），隧道線間距為13m，沉降槽寬度為123.34m，即區(qū)間隧道線路中心線兩側(cè)各55.17m范圍為沉降槽范圍。考慮左右線隧道疊加的影響，距右線隧道中心線西側(cè)23.74m的A1橋臺(tái)處地面沉降為4.56mm。

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬，區(qū)間盾構(gòu)隧道施工導(dǎo)致引橋A1樁基產(chǎn)生水平最大位移2.7mm及豎直最大位移0.28mm，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對(duì)過(guò)江大橋引橋A1樁基的影響極小。采用PECK公式預(yù)測(cè)地面沉降，可知距離隧道最近的引橋A1樁基處地表沉降為4.56mm。引橋橋臺(tái)沉降量及樁基變形量在控制值范圍內(nèi)。

盾構(gòu)隧道在泥巖、泥質(zhì)粉砂巖中掘進(jìn)，地層自穩(wěn)性較好；盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，同步注漿的及時(shí)跟進(jìn)，快速填充了管片脫出盾尾后與地層的間隙，減少了地層損失率，從而減小了對(duì)地層的擾動(dòng)；盾構(gòu)隧道與引橋A1樁基距離約20.7m，距離相對(duì)較大，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周邊地層的擾動(dòng)，反映到對(duì)橋梁樁墩的影響較小。因此，區(qū)間隧道盾構(gòu)施工，對(duì)過(guò)江大橋的影響可控，安全風(fēng)險(xiǎn)低。

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析研究，評(píng)估了區(qū)間盾構(gòu)隧道側(cè)穿過(guò)江大橋施工對(duì)橋梁的影響。通過(guò)有限元軟件建模分析及PECK公式計(jì)算分析，可知區(qū)間隧道盾構(gòu)施工側(cè)穿過(guò)江大橋，對(duì)橋梁基礎(chǔ)影響小，安全風(fēng)險(xiǎn)可控。另外，從分析過(guò)程可知，嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程地層損失，可減小盾構(gòu)施工對(duì)橋梁的影響。

對(duì)盾構(gòu)施工提出以下措施要求：

（1）盾構(gòu)施工中，應(yīng)控制泥漿質(zhì)量，合理保持泥水壓力，保持掌子面穩(wěn)定；

（2）側(cè)穿過(guò)江大橋前應(yīng)優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，減少超挖；

（3）應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，減小偏差；

（4）應(yīng)加強(qiáng)同步注漿及二次注漿，減小地層損失；

（5）加強(qiáng)信息化管理，施工期間對(duì)過(guò)江大橋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋，指導(dǎo)優(yōu)化調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)；施工后持續(xù)監(jiān)測(cè)過(guò)江大橋直至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

本文的分析研究，為區(qū)間隧道側(cè)穿過(guò)江大橋提供了理論及技術(shù)支撐。通過(guò)切實(shí)落實(shí)技術(shù)方案關(guān)鍵點(diǎn)和施工過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格把控，最終區(qū)間隧道順利側(cè)穿過(guò)江大橋，對(duì)過(guò)江大橋沉降及變形的影響較小，風(fēng)險(xiǎn)可控。