盾構隧道近距離側穿高架橋橋樁風險分析

趙麗雅

(海峽交通工程設計有限公司, 福建福州 350000)

城市地鐵盾構隧道的掘進經(jīng)常無法避免會下穿(側穿) 房屋、高架橋、管道、涵洞等。盾構下穿(側穿)既有建(構)筑物過程中會對基礎周圍地層產生擾動，從而影響樁基變形以致建(構)筑物上部結構產生變形影響正常使用，施工風險非常大[1-2]。因此對地鐵隧道開挖過程中既有建(構)筑物樁基結構的變形進行研究是十分必要的，尤其是在小凈距施工時如何保證二者的安全成為研究的重難點。王炳軍等[3]通過系統(tǒng)的數(shù)值試驗來分析盾構法隧道開挖對建筑物樁基變形與承載特性的影響; 朱逢斌等[4]通過數(shù)值模擬與離心機試驗結果的對比分析，驗證了數(shù)值模擬研究盾構隧道開挖對臨近樁基影響是可靠的; 李樹奇等[5]運用ANSYS 數(shù)值分析軟件研究了盾構施工對橋梁樁基的影響。隧道施工會引起隧道周圍地層移動，其產生的自由土體位移場使得工作狀態(tài)的結構產生附加彎矩和變形，對既有結構的安全使用產生風險。筆者以福州某地鐵隧道復合式土壓平衡盾構下穿高架橋工程為背景，使用數(shù)值模擬方法分析盾構側穿橋墩的受力與變形。

1 工程概述

福州地鐵某區(qū)間隧道工程采用復合式土壓平衡盾構施工，區(qū)間在里程右DK16+769.686～右DK16+869.510(主橋墩中心里程)側穿上下店路高架橋，區(qū)間右線距高架橋舊橋樁最小凈距3.06 m，左線距高架橋新橋樁最小凈距2.89 m。區(qū)間在里程左DK16+908.310、右DK16+899.127(主橋墩中心里程)側穿妙峰路高架橋，區(qū)間右線距高架橋橋樁最小凈距15.89 m，左線距高架橋橋樁最小凈距僅2.84 m。下穿高架橋洞頂土層主要為雜填土、填石、淤泥、粉質黏土、強風化花崗巖、微風化花崗巖。盾構區(qū)間隧道洞頂覆土19.8～ 22.2 m，此區(qū)間車流量較大，地表沉降控制要求嚴格，隧道距離橋墩不足一倍洞徑，盾構側穿高架橋期間容易造成地表沉降過大，橋墩沉降、變形過大甚至出現(xiàn)裂縫，影響上部結構車輛運行。區(qū)間隧道與高架橋相互關系見圖1～圖3。

圖2 區(qū)間隧道與上下店路高架橋剖面關系

圖3 區(qū)間隧道與妙峰路高架橋剖面關系

區(qū)間隧道采用2臺復合式土壓平衡式盾構機進行掘進。隧道結構采用預制C50管片，外徑為6.2 m，內徑為5.5 m，管片厚度為350 mm。

2 數(shù)值模擬計算建模

2.1 幾何模型

根據(jù)地質資料、工程經(jīng)驗和理論分析，對該工程采用MIDAS /GTS NX 建立有限元模型分析隧道開挖地表沉降和高架橋橋樁及承臺的沉降變形情況，所取土體范圍為250 m×398 m×106 m(X×Y×Z)，在此區(qū)域模擬一個土層及區(qū)間隧道模型。地層采用實體單元模擬，三維有限元計算模型共61 815個單元，10 759個節(jié)點。模型不考慮地下水的影響，且初始應力場設置為自重應力。為了符合實際的施工，將盾構推進簡化成一個非連續(xù)的推進過程，盾構推進實際上是盾構剛度及荷載的遷移，用改變單元材料類型和參數(shù)的方法反映盾構的推進過程，而每一次向前推進的過程中，盾構周圍土體受力狀態(tài)也發(fā)生變化。模擬計算前，先在模型里預設隧道開挖土體、盾殼單元、管片單元及注漿體單元。盾構推進時假設盾構一步一步跳躍式向前推進，每次向前推進一定長度，隧道土體開挖后及時改變相應單元的材料模型和參數(shù)來模擬管片拼裝和同步注漿，模型不考慮盾尾空隙的存在，亦不考慮地面和橋墩的行車荷載。計算模型底部約束水平和豎直方向位移；模型兩側約束水平位移。

區(qū)間盾構隧道與高架橋位置關系計算模型見圖4～圖6。

圖4 三維幾何模型及單元劃分

圖5 上下店路橋樁與盾構隧道位置關系

圖6 妙峰路橋樁與盾構隧道位置關系

2.2 力學模型及參數(shù)選取

計算時，地層采用Mohr-Coulomb塑性模型；管片采用各向同性彈性模型。

土層參數(shù)及荷載按以下原則選?。?/p>

(1)粘聚力、內摩擦角、重度按巖土詳勘報告中的物理力學指標進行設置。

(2)當?shù)叵滤惠^高，按土層飽和狀態(tài)考慮。

(3)彈性模量以過往工程經(jīng)驗，以巖土詳勘報告中土的壓縮模量進行設置。

(4)盾構刀盤推力按靜止土壓力的1.1～1.2倍進行設置，取160 kPa。

(5)橋梁自重及行車荷載等效為靜力均布荷載施加于承臺。

土層參數(shù)力學參數(shù)見表1。

表1 土體力學參數(shù)

管片材料混凝土強度設定為C50。橋梁橋樁材料混凝土強度設定為C30，具體參數(shù)見表2。

表2 管片及復合地基參數(shù)表

2.3 計算工況

模型中忽略構造應力將初始應力場視為土體自重應力場，只施加自重荷載，土體處于平衡狀態(tài)后位移清零。假定在隧道開挖施工前，土體自重及上覆土層固結沉降已完成。橋梁自重和行車荷載在初始應力場前施加。

3 計算結果及分析

3.1 計算結果分析

圖7～圖10為區(qū)間左線、右線在模擬范圍內分別貫通后橋梁承臺的水平位移及豎向位移云圖。圖11為沿鐵路路基縱斷面豎向位移云圖。

圖7 上下店路高架橋承臺水平位移

圖8 上下店路高架橋承臺豎向位移

圖9 妙峰路高架橋承臺水平位移

圖10 妙峰路高架橋承臺豎向位移

經(jīng)計算，區(qū)間隧道施工時引起的上下店路高架橋梁承臺行最大水平位移0.54mm<3mm，最大沉降位移為3.37mm<15mm，縱向相鄰橋梁墩臺最大差異沉降值1.42mm<2mm，滿足要求。區(qū)間隧道施工時引起的妙峰路高架橋梁承臺最大水平位移1.37mm<3mm，最大沉降位移為0.16mm<15mm，縱向相鄰橋梁墩臺最大差異沉降值1.79mm<2mm，滿足要求。

3.2 施工建議

根據(jù)以上數(shù)值分析結果，提出如下施工建議：

(1)目前國內盾構施工技術能夠保證在鐵路運營與安全不受影響的前提下順利完成下穿鐵路隧道的施工。

(2)該盾構隧道采用復合式土壓平衡盾構，在穿越橋樁前建議100 m試驗段，根據(jù)試驗段制定穿越橋樁的最佳施工參數(shù)，優(yōu)化最佳施工參數(shù)，保證開挖面穩(wěn)定，加強同步注漿與必要的補壓措施，來控制橋梁樁基的沉降。

(3)施工中應注意對盾構機姿態(tài)進行控制，確保盾構按照設計線路推進，隨時調整盾構施工參數(shù)，減少盾構的超挖和欠挖，以改善盾構前方土體的坍落或擠密現(xiàn)象，降低地基土橫向變形施加于樁基上的橫向力。

(4)采用同步注漿，減少盾尾通過后隧道外周圍形成的空隙，減少隧道周圍土體的水平位移及因此產生的對樁基的負摩阻力，及時進行二次注漿。

(5)采取一切必要的技術措施，確保盾構在通過橋樁段過程中不停機或更換刀具。

(6)加強監(jiān)測，采取相應措施，包括對高架橋樁基的變形、沉降的監(jiān)測，如橋樁或土體發(fā)生較大變形應及時反饋設計、施工單位以調整施工參數(shù)或采取必要的地面加固措施。

4 結論

以復雜的工程實際為出發(fā)點，通過Midas有限元程序建立三維模型，模擬盾構開挖的施工過程，得到盾構側穿高架橋所引起的橋梁承臺沉降結果：

(1) 盾構在全風化、強風化巖層層環(huán)境下穿既有建(構)筑物時，對周圍土層擾動的影響較小。

(2)高架橋橋梁承臺的沉降較小，均在控制要求以內，在不采取加固措施情況下，通過選取合理的盾構推進參數(shù)，盾構隧道可以安全側穿高架橋橋臺樁基。

(3) 盾構機在下穿既有結構過程中，應做好加固措施，避免長時間的停機，減少盾構的方向糾偏，嚴格控制好掘進參數(shù)，及時做好二次補漿、加密監(jiān)測點的布置。