地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路箱涵橋變形響應研究

陳曉偉，王智金，周 恒，周偉娜，王雪紅

(1.神州長城股份有限公司，北京 100176；2.中鐵建工集團裝飾工程有限公司，北京 100071)

0 引言

隨著我國城市地下空間的不斷開發(fā)利用，軌道交通得到迅速發(fā)展[1-3]。盾構(gòu)法作為隧道施工的重要方法，在地鐵隧道建設過程中被廣泛應用。受地鐵線路整體規(guī)劃影響，盾構(gòu)隧道的建設往往要穿越大量建(構(gòu))筑物。盾構(gòu)法施工過程造成了鄰域土體的卸荷，改變了土體原有的應力狀態(tài)，誘發(fā)建(構(gòu))筑物產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形，造成建(構(gòu))筑物的沉降或傾斜。

國內(nèi)外不少學者對此問題進行了研究[4-11]，但現(xiàn)有研究主要針對隧道下穿一般建(構(gòu))筑物(如商場、立交橋、住宅、教學樓等)展開，對于隧道下穿鐵路箱涵橋的變形響應缺乏分析研究[12-15]，主要表現(xiàn)在以下2個方面：

(1)盾構(gòu)隧道下穿鐵路箱涵橋過程中，通常對隧道拱頂進行注漿加固，但對注漿加固效果的優(yōu)劣，缺乏深入研究。

(2)受箱涵跨度限制，同一橋體的不同箱涵之間常存在沉降縫，盾構(gòu)隧道施工誘發(fā)沉降縫左右兩側(cè)產(chǎn)生沉降差，不可避免地會影響橋體上方列車的運營安全。現(xiàn)有研究成果中，缺乏對橋體沉降縫兩側(cè)變形機理的研究。

本文以北京地鐵某典型區(qū)間隧道下穿鐵路箱涵橋工程為例，采用數(shù)值模擬的方法，對盾構(gòu)隧道下穿鐵路箱涵橋的變形響應進行了研究，研究注漿加固效果的優(yōu)劣及同一橋體不同箱涵之間沉降縫兩側(cè)的變形機理。

1 工程概況

1.1 工程簡介

北京地鐵某區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道拱頂覆土深度約為11m。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)采用C50、抗?jié)B等級P10的預制鋼筋混凝土管片，管片外徑6.0m，厚度300mm，內(nèi)徑5.4m，環(huán)寬1.2m。襯砌管片分為6塊，塊與塊、環(huán)與環(huán)間用螺栓連接，采用錯縫拼裝。盾構(gòu)隧道所下穿鐵路箱涵橋為該標段范圍內(nèi)唯一一處特級環(huán)境風險源。鐵路箱涵橋為C35鋼混四孔框架橋，由三座并列的箱涵橋組成，從北到南依次為：橋①，單孔箱涵橋，孔徑為12m；橋②，雙孔箱涵橋，孔徑為2×15m；橋③，單孔箱涵橋，孔徑為12m。中間跨與兩邊跨之間，設置有20cm寬的沉降縫。盾構(gòu)隧道與鐵路箱涵橋相對位置如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與鐵路箱涵橋相對位置(單位：mm)Fig.1 Relative position of shield tunnel and railway box calvert (unit: mm)

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

研究區(qū)間工點范圍內(nèi)地層主要由人工堆積層、第四紀全新世沖洪積層和第四紀晚更新世沖洪積層組成。過橋區(qū)段地層自上而下為人工填土、粉土填土、粉細砂、中粗砂、圓礫、粉土、粉質(zhì)黏土、粉土、局部粉粘土、粉土、中粗砂及圓礫。

研究區(qū)間工點范圍內(nèi)，地貌類型單一，地下水動態(tài)類型主要為滲入-徑流型潛水，以大氣降水入滲、地下水側(cè)向徑流和“天窗”滲漏補給方式為主，以側(cè)向徑流和向下越流方式排泄，含水巖組為第四紀厚層碎石土層，含水巖組富水性較強。根據(jù)該區(qū)間的巖土工程詳勘報告，在最大鉆孔深度47m范圍內(nèi)，共發(fā)現(xiàn)三層地下水，地下水類型為一層潛水和兩層承壓水。

1.3 注漿預加固方案

盾構(gòu)隧道穿越鐵路箱涵橋過程中，隧道頂部設置3個注漿孔，徑向打設DN25徑向注漿管進行拱頂注漿預加固。注漿管長為5.5m，漿液擴散半徑設計為0.5m，注漿時應控制在距離開挖面5m以內(nèi)。漿液采用PO.42.5的普通硅酸鹽水泥，注漿壓力為0.5MPa左右。注漿預加固方案如圖2所示。

圖2 注漿預加固措施(單位：mm)Fig.2 The measure of grouting pre-reinforcement (unit: mm)

2 數(shù)值分析模型

2.1 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

本文應用MIDAS/GTS軟件進行數(shù)值計算，網(wǎng)格劃分采用定義線性梯度(長度)的方法，通過輸入起始單元線和結(jié)束單元線的長度，按線性插值，自動設置節(jié)點位置，使得鐵路箱涵橋和盾構(gòu)隧道周圍網(wǎng)格相對密集，邊界處網(wǎng)格相對稀疏。計算模型區(qū)域長寬高為260m×144m×40m，有限元模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分(單位：m)Fig.3 Mesh generation of FEM model(unit：m)

2.2 模型材料參數(shù)

本模型中地基土體選用Mohr Coulomb本構(gòu)模型，以實體單元建立，具體取值依據(jù)相應的地質(zhì)勘查報告數(shù)據(jù)，詳見表1。橋體結(jié)構(gòu)、盾殼及襯砌管片采用彈性本構(gòu)模型，橋體結(jié)構(gòu)及襯砌管片以實體單元建立，盾殼應用板單元建立。結(jié)構(gòu)部分物理力學參數(shù)見表2。

表1 地層物理力學計算參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)部分物理力學參數(shù)表

2.3 計算方案

依據(jù)設計要求，盾構(gòu)隧道下穿鐵路箱涵橋前，通過布置徑向注漿管對盾構(gòu)隧道進行注漿預加固。為評價注漿加固效果，針對兩種方案進行數(shù)值模擬：方案1，不考慮注漿加固措施；方案2，考慮注漿加固措施，如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬計算方案Fig.4 Calculation program of the numerical simulation

2.4 盾構(gòu)隧道施工過程模擬

本文采用單元網(wǎng)格激活—鈍化的方式模擬盾構(gòu)隧道動態(tài)開挖過程，盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬步驟如下所示：

(1)建立地層—盾構(gòu)隧道—鐵路箱涵橋三維數(shù)值分析模型，計算土體在自重應力下的初始應力場，并將位移清零；

(2)“激活”鐵路箱涵橋結(jié)構(gòu)單元，計算鐵路箱涵橋施做完成后的應力場分布，并將位移清零；

(3)定義盾構(gòu)隧道施工步序，每環(huán)土體開挖為1.2m。盾構(gòu)機推進按照3個施工階段進行，分別為土體開挖、盾殼推進、管片安裝及盾尾注漿，通過計算應力釋放比例分別為30%、30%、40%；

(4)依次循環(huán)第(3)步，先進行左線隧道施工，后進行右線隧道施工，直至開挖完成，本文土體開挖及盾構(gòu)隧道支護共計242步；

(5)計算及結(jié)果后處理分析。

3 監(jiān)測點布置與變形控制標準

為深入分析地鐵盾構(gòu)隧道施工對鐵路箱涵橋變形的影響，沿隧道掘進方向，在橋體兩側(cè)及中部設置3個監(jiān)測斷面，即斷面1、斷面2、斷面3，每個監(jiān)測斷面上設置7個典型監(jiān)測點，典型監(jiān)測點位于橋體邊緣、中部及沉降縫左右兩側(cè)。典型監(jiān)測斷面及典型監(jiān)測點布置如圖5所示。

圖5 鐵路箱涵橋典型監(jiān)測點布置Fig.5 Arrangement of monitoring points of railway box culvert

根據(jù)工程評估報告，鐵路箱涵橋結(jié)構(gòu)沉降及差異沉降控制值為+5mm～-5mm。在盾構(gòu)穿越鐵路箱涵橋期間，要加強監(jiān)測，并及時觀察橋體的變形情況。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 數(shù)值計算準確性驗證

為驗證數(shù)值計算結(jié)果的準確性，提取橋體中部斷面2沉降量與實測數(shù)據(jù)進行對比分析，如圖6所示；同時，提取監(jiān)測點JGC-08和監(jiān)測點JGC-11的沉降時程數(shù)值計算結(jié)果，將其與相應位置的監(jiān)測曲線進行對比分析，如圖7所示。分析圖6及圖7可知，數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果相近，二者在變化趨勢上高度相似，可互為驗證，數(shù)值計算結(jié)果有效地彌補了實測數(shù)據(jù)監(jiān)測點較少的不足，應用數(shù)值模擬方法，可以較好地模擬盾構(gòu)隧道下穿鐵路箱涵橋施工過程中產(chǎn)生的沉降。

圖6 橋體斷面沉降曲線對比Fig.6 Comparison of settlement curves of the bridge cross-section

圖7 監(jiān)測點沉降時程曲線對比Fig.7 Comparison of the subsidence time-history curves of monitoring points

4.2 鐵路箱涵橋斷面沉降響應分析

鐵路箱涵橋斷面沉降曲線如圖8所示。分析圖8可知：地鐵盾構(gòu)隧道施工對鐵路箱涵橋影響最大的區(qū)域為橋②，最大沉降量均出現(xiàn)在橋②中部，在不采用注漿預加固措施時，橋體最大沉降量約為5.8mm，不能滿足工程要求；采用注漿預加固措施后，橋體最大沉降量約為4.0mm，可滿足工程要求。沉降縫左右兩側(cè)存在明顯沉降差，在不采用注漿加固方案時，最大沉降差約為1.3mm；采用注漿預加固方案后，最大沉降差約為1mm，沉降縫的存在使得相鄰箱涵上方鐵軌不能同步沉降，易對列車的運營安全造成影響。采用注漿預加固措施，可在一定程度上降低沉降縫兩側(cè)差異沉降。

圖8 橋體斷面沉降曲線Fig.8 Settlement curves of the bridge cross-section

4.3 鐵路箱涵橋沉降時程響應分析

圖9 橋②典型監(jiān)測點沉降時程曲線Fig.9 Subsidence time-history curves of monitoring points of the railway box culvert bridge ②

鐵路箱涵橋橋②跨度較大，又為盾構(gòu)隧道主要穿越區(qū)域，所受影響最大，故主要分析橋②的沉降時程響應，響應曲線如圖9所示。本工程中，左線盾構(gòu)隧道先行施工，在左線盾構(gòu)隧道開挖面離開橋區(qū)保護段3天后，右線盾構(gòu)隧道開挖面開始進入橋區(qū)保護段。分析圖9可知，橋②沉降時程曲線呈兩段式分布：監(jiān)測點JCJ-07、JCJ-08和JCJ-09沉降量受左側(cè)盾構(gòu)隧道影響大而受右線盾構(gòu)隧道影響小；監(jiān)測點JCJ-10、JCJ-11和JCJ-12沉降量受左右兩線影響基本相同；監(jiān)測點JCJ-13、JCJ-14和JCJ-15沉降量受右線盾構(gòu)隧道影響大而受左線盾構(gòu)隧道影響小。左線盾構(gòu)隧道施工過程中，在開挖面距離監(jiān)測點18m時，開始逐步產(chǎn)生沉降；在開挖面位于監(jiān)測點正下方時，橋體沉降速率最快；在開挖面遠離監(jiān)測點18m后，沉降量趨于穩(wěn)定。右線盾構(gòu)隧道施工過程中，監(jiān)測點沉降規(guī)律與左線盾構(gòu)隧道基本相同。盾構(gòu)隧道下穿鐵路箱涵橋過程中，對沉降監(jiān)測點產(chǎn)生影響的縱向水平區(qū)間約為監(jiān)測點前3D(D為盾構(gòu)隧道直徑)至監(jiān)測點后3D，在開挖面位于監(jiān)測點正下方時，橋體沉降速率最快。工程實踐中，在開挖面距離監(jiān)測點3D及遠離監(jiān)測點3D范圍內(nèi)，應加密監(jiān)測。

5 結(jié)論

本文通過對北京地鐵某典型區(qū)間下穿鐵路箱涵橋工程的地質(zhì)條件、施工工藝、工況步序等的調(diào)研，結(jié)合數(shù)值模擬計算結(jié)果，研究了盾構(gòu)隧道下穿對鐵路箱涵橋的變形響應規(guī)律。主要結(jié)論包括以下3點：

(1)盾構(gòu)隧道下穿鐵路箱涵橋過程中，橋體沉降縱向影響范圍為監(jiān)測點前3D(D為盾構(gòu)隧道直徑)至監(jiān)測點后3D，工程實踐過程中，應對其沉降進行加密監(jiān)測；在開挖面位于監(jiān)測點正下方時，橋體沉降速率最快，工程實踐過程中，應注意控制橋體沉降速率。

(2)盾構(gòu)隧道下穿鐵路箱涵橋過程中，橋體最大沉降量約為5.8mm，沉降縫兩側(cè)箱涵會出現(xiàn)較大差異沉降，約為1.3mm，橋體上部鐵軌會發(fā)生不均勻沉降，易對橋體上方列車的運營安全造成影響。

(3)盾構(gòu)隧道穿越鐵路箱涵橋前，對盾構(gòu)隧道拱頂進行注漿預加固，可在一定程度上控制橋體沉降及沉降縫左右兩側(cè)差異沉降。采用注漿預加固措施后，橋體最大沉降量約為4.0mm，最大沉降差約為1.0mm，滿足工程要求。