盾構(gòu)隧道下穿黃河施工對已建橋梁基礎(chǔ)的影響模擬

賈少春

（1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，710043，西安∥高級工程師）

由于地鐵隧道常穿行于城市的繁華地帶，施工時(shí)會(huì)不可避免地對地表及隧道周邊的建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生影響［1］。尤其是在近距離下穿埋深較深的橋梁樁基時(shí)，盾構(gòu)開挖掘進(jìn)會(huì)引起深層土體發(fā)生較大位移［2］，影響樁基的承載能力。當(dāng)位移值較大時(shí)，可能導(dǎo)致橋樁發(fā)生附加變形和差異沉降，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)開裂、傾斜，嚴(yán)重影響橋梁安全和正常使用［3-6］。因此，如何評估盾構(gòu)隧道施工對城市已有建（構(gòu)）筑物的影響，尤其是盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中對建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)的影響，是指導(dǎo)盾構(gòu)隧道施工的關(guān)鍵［7］。

盾構(gòu)隧道施工中。通常將盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降值及建構(gòu)筑物的變形值作為調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、保障工程順利進(jìn)行的重要依據(jù)［8］。本文通過對蘭州軌道交通1號線迎門灘—馬灘區(qū)間下穿黃河段盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了盾構(gòu)隧道開挖對既有銀灘黃河大橋基礎(chǔ)和周邊地表沉降的影響，以期為今后類似工程的安全施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

蘭州軌道交通1號線迎門灘—馬灘區(qū)間是國內(nèi)首次下穿黃河的地鐵隧道施工。區(qū)間左右線均采用泥水加壓平衡式盾構(gòu)施工，區(qū)間隧道設(shè)計(jì)外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片寬1.5 m，下穿黃河段長度約404 m。該區(qū)間底板埋深13.4～32.4 m，在下穿黃河段底板埋深較深；平面布置采用雙繞線布置，左線距銀灘大橋南側(cè)邊界線8.69 m，右線距銀灘大橋南側(cè)邊界線26.89 m。

銀灘黃河大橋由左、右岸引橋工程和主橋工程三部分組成，其中：主橋長803.48 m，橋面寬25.5 m；主跨2孔、跨徑133 m；副跨19孔、跨徑40 m；采用單塔斜拉結(jié)構(gòu)，塔高79 m。盾構(gòu)隧道與銀灘大橋的位置關(guān)系示意圖如圖1所示。

該區(qū)間盾構(gòu)施工需長距離穿越黃河上游高富水、大粒徑、高硬度砂卵石等地層，有大量的漂石存在，施工受地層條件與水文條件影響較大，可能會(huì)引起盾構(gòu)掘進(jìn)困難、泥水加壓及出碴困難、隧道涌水和涌砂等施工風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘查資料，該區(qū)間隧道所處地層覆土依次為：人工填土，厚度0.8～14.5 m；黃土狀土，厚度0.6～5.0 m；卵石土層，厚度4.2～21.7 m。地質(zhì)縱剖面圖如圖2所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與銀灘大橋關(guān)系圖

圖2 迎門灘—馬灘區(qū)間地質(zhì)縱剖面圖

2 數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 基本假定

管片內(nèi)力計(jì)算及三維精細(xì)化模型建模過程中主要引入的基本假定如下：卵石層為各向同性的彈塑性材料，本構(gòu)關(guān)系采用D-P模型；盾殼假設(shè)為剛體；盾殼具有很高的剛度和強(qiáng)度，實(shí)際施工中盾殼的變形非常微小，可以忽略不計(jì)；模型中采用實(shí)體單元來模擬管片；計(jì)算過程中對同步注漿進(jìn)行簡化，不考慮漿液的凝固過程。

2.2 數(shù)值模型

為消除模型邊界效應(yīng)，減少有限元軟件的求解自由度規(guī)模，取河段中間40.5 m長的盾構(gòu)隧道進(jìn)行研究。河水水位取歷史最高水位9 m（相對于河底）。模型橫向取111.0 m，其左邊界距離左線隧道中心24 m。因隧道右線距離銀灘大橋橋臺(tái)較遠(yuǎn)，本次僅模擬左線隧道側(cè)穿橋臺(tái)。計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型

2.3 計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)下穿黃河段的地質(zhì)剖面圖，河床自上而下依次為2-10卵石層和3-11卵石層，計(jì)算模型取2-10卵石層的厚度為10 m。隧道位于3-11卵石層中。計(jì)算模型的參數(shù)參照地勘資料所建議的地層參數(shù)選取，如表1所示。

表1 計(jì)算模型材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.4 施工過程模擬

以掘削面施加頂進(jìn)壓力來模擬盾構(gòu)機(jī)作業(yè)在開挖面上的頂推力，本模型的頂推力取0.35×106Pa。

首先，模擬自重應(yīng)力場，初始應(yīng)力場為重力場和河水均布壓力引起的場的疊加，在模型頂面施加了8.82×104Pa的河水均布壓力；然后，模擬銀灘大橋沉井基礎(chǔ)、承臺(tái)和下部結(jié)構(gòu)，把上部結(jié)構(gòu)及活載以面荷載的方式加在主墩頂部；最后模擬盾構(gòu)開挖。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 自重應(yīng)力平衡階段

表2給出了地層自重應(yīng)力平衡階段、橋梁基礎(chǔ)施工階段、橋梁主結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)營階段所產(chǎn)生的位移（所給出的結(jié)果均為扣除了地層自重應(yīng)力平衡階段的位移）。

表2 主橋基礎(chǔ)底面豎向的歷史位移 m

3.2 豎向位移變化

左線隧道貫通以后，盾構(gòu)開挖引起的地層豎向位移云圖如圖4所示。盾構(gòu)開挖過程擾動(dòng)了土體，造成土體應(yīng)力損失，隧道周圍土體發(fā)生變形。變形反應(yīng)到地表，引起了地表發(fā)生沉降。其最大沉降值位于隧道拱頂位置處。

圖4 左線隧道貫通后地層的豎向位移云圖

選取代表性斷面進(jìn)行分析，其地表豎向位移曲線如圖5所示。從圖5可知，左線隧道貫通以后，地表最大豎向位移計(jì)算值為6.7 mm，實(shí)測值為5.9 mm，誤差僅為13.5%。沉降槽實(shí)測曲線和數(shù)值模擬計(jì)算所得的沉降槽曲線寬度基本相同，形態(tài)相似。

圖5 代表性斷面的地表豎向位移曲線

如圖6所示，從豎向位移隨開挖步驟的變化曲線可以看出，隧道在掘進(jìn)的過程中，受盾構(gòu)頂進(jìn)推力的影響，從地層豎向位移的變化趨勢看，實(shí)測值和計(jì)算值均表現(xiàn)為：先隆起后沉降，計(jì)算所得最大隆起量為0.5 mm，實(shí)測最大隆起值為1.8 mm。位于隧道拱頂位置處的深層土體受盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)影響最大，計(jì)算所得最大沉降值為22.0 mm，實(shí)測所得最大沉降值為19.5 mm。數(shù)值模擬所得曲線和實(shí)測所得曲線形態(tài)吻合度較高，數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的參考價(jià)值。

圖6 豎向位移隨開挖步的變化曲線

3.3 水平位移變化

如圖7所示，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果均顯示：盾構(gòu)開挖擾動(dòng)不僅造成隧道上方土體產(chǎn)生豎向位移，左右兩側(cè)土體在水平方向也發(fā)生橫移，計(jì)算所得最大橫移量為18.0 mm，實(shí)測左右兩側(cè)土體最大橫移量為15.0 mm。從圖7可知，計(jì)算和實(shí)測所得土體橫移量曲線形態(tài)吻合度較好，數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的參考價(jià)值。

圖7 土體橫移量隨開挖步的變化曲線

考慮到實(shí)際盾構(gòu)隧道施工過程中存在土方超挖、同步注漿不及時(shí)、曲線施工糾偏等各種不可控因素，且盾構(gòu)穿越地層主要為大粒徑卵石地層，圍巖的穩(wěn)定性差，地層受擾動(dòng)影響較大，易引起較大變形，使得實(shí)際地表沉降量可能會(huì)比計(jì)算值大。因此，盾構(gòu)施工時(shí)需要根據(jù)情況及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，必要時(shí)采取地層加固措施，以保證施工安全［12］。

3.4 盾構(gòu)開挖對橋梁基礎(chǔ)的影響

如表3所示，在深層土體的水平位移和地應(yīng)力損失導(dǎo)致的豎向位移兩者的共同作用下，橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的傾斜。該區(qū)間隧道施工引起橋梁基礎(chǔ)的豎向位移和水平位移值均較小，可以認(rèn)為盾構(gòu)開挖對橋梁基礎(chǔ)位移的影響可以忽略，滿足施工時(shí)的變形值控制標(biāo)準(zhǔn)。

表3 盾構(gòu)開挖引起橋梁基礎(chǔ)的位移值統(tǒng)計(jì)表 mm

3.5 內(nèi)力分析

左線隧道貫通后的管片應(yīng)力值如圖8所示。盾構(gòu)施工完成后橋梁基礎(chǔ)應(yīng)力值如圖9所示。

圖8 左線貫通后的隧道管片應(yīng)力云圖

圖9 盾構(gòu)施工完成后橋梁基礎(chǔ)的應(yīng)力云圖

從圖8可以看出，左線隧道在貫通以后，管片的最大變形量為0.39 mm，最大拉應(yīng)力值為39.8 MPa。從圖9可以看出，橋梁基礎(chǔ)在盾構(gòu)施工前后的應(yīng)力強(qiáng)度值幾乎沒有變化，均為18.1 MPa。由此可得出，盾構(gòu)施工對橋梁基礎(chǔ)的應(yīng)力影響很小，并不影響橋梁的正常使用。

4 結(jié)語

在盾構(gòu)隧道施工過程中，地表和鄰近的橋梁基礎(chǔ)在豎向和水平向均會(huì)產(chǎn)生位移，位移值隨盾構(gòu)掘進(jìn)逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。在土體和橋梁基礎(chǔ)的共同作用下，橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生傾斜，但變形值很小，可以忽略不計(jì)。盾構(gòu)隧道施工擾動(dòng)土體，使土體及橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生相對變形，導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的附加力。但由于隧道距橋基礎(chǔ)水平距離較大，在隧道施工的過程中對橋梁基礎(chǔ)的應(yīng)力影響很小。