天津地鐵6 號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間下穿城市高架橋梁影響分析

高俊升

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300000）

1 引言

隨著近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，城市交通基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)建設(shè)，地下地上空間不斷開發(fā)，如修建城市地鐵隧道、城市高架橋梁等。大部分立交橋以及高架橋都采用樁基礎(chǔ)。隧道在施工過程中難免會(huì)穿越這些基礎(chǔ)，如北京地鐵10 號(hào)線區(qū)間下穿國(guó)貿(mào)立交橋樁基，最小凈距僅2.41m 等[1~3]。在盾構(gòu)掘進(jìn)穿越樁基的過程中，會(huì)擾動(dòng)周圍土體，這些擾動(dòng)產(chǎn)生的地層應(yīng)力及變形傳遞到樁基周圍，會(huì)引起樁基承載力的損失，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的不均勻沉降。另外，橋梁上部結(jié)構(gòu)的自重與荷載，會(huì)增加樁基變位，影響上部橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用，甚至可造成橋梁失穩(wěn)。因此，對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿城市高架橋梁影響進(jìn)行研究對(duì)實(shí)際工程具有一定的指導(dǎo)意義。

2 工程案例

2.1 工程概況

天津地鐵6 號(hào)線一中心醫(yī)院站—紅旗南路站區(qū)間下穿天津王頂?shù)探粯驑痘?。如圖1 所示，隧道中心平均埋深25m，線間距約17.5m，隧道結(jié)構(gòu)外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，管片厚度0.35m，環(huán)寬1.5m。

圖1 區(qū)間平面示意圖

王頂?shù)塘⒔粯驗(yàn)槌鞘锌焖僦鞲傻?。上部?gòu)造為混凝土連續(xù)梁，下部構(gòu)造為承臺(tái)+樁基礎(chǔ)，承臺(tái)平面尺寸4m×3.4m，承臺(tái)高1.5m。每個(gè)承臺(tái)下設(shè)6 根直徑400mm 的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)20.5m。樁基距盾構(gòu)管片外皮最小凈距2.29m。盾構(gòu)隧道與高架橋梁位置關(guān)系如圖2 和圖3 所示。

圖2 隧道與橋梁樁基平面位置關(guān)系 圖3 橋梁樁基圖

2.2 地質(zhì)概況

盾構(gòu)隧道主要穿越⑦粉質(zhì)黏土、⑧-1 粉質(zhì)黏土等土層，根據(jù)天津市地鐵6 號(hào)線一期工程詳細(xì)地質(zhì)勘察報(bào)告，如表1 所示。

表1 各土層物理學(xué)參數(shù)表

3 控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 承臺(tái)沉降標(biāo)準(zhǔn)值

承臺(tái)沉降控制指標(biāo)，主要依據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》及天津市城市軌道交通地下工程監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)圖中要求進(jìn)行控制。通過類比相似工程，并結(jié)合本工程實(shí)際情況，選取20mm 作為承臺(tái)沉降允許值[4]。選取允許值的80%作為承臺(tái)沉降警值，30%作為承臺(tái)沉降預(yù)警值（見表2）。

3.2 樁基水平位移警戒值

樁基水平位移控制指標(biāo)，JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，取樁基地面處水平位移允許值為10mm，水平位移敏感處為6mm。依據(jù)本工程特點(diǎn)，樁基水平位移允許值為6mm[5]。選取允許的80%作為樁基水平位移控制的警戒值，30%作為樁基水平位移控制的預(yù)警值（見表3）。

表2 承臺(tái)沉降控制值

表3 樁基水平位移控制值

4 模型建立及參數(shù)選取

4.1 建立模型

采用三維有限元軟件Midas/GTS 建立模型，X軸方向?yàn)闃蛄悍较?，Y方向?yàn)樗|(zhì)橋梁方向，Z方向?yàn)樨Q向。模型選取范圍為：X方向120m，Y方向80m，Z方向50m，從而有助于消除模型邊界效應(yīng)。模型共劃分單元587 260 個(gè)，節(jié)點(diǎn)98 645 個(gè)。隧道埋深取25m，如圖4 和圖5 所示。

基本假定：（1）各土層呈勻質(zhì)水平層狀分布且同一土層為各向同性，土體采用修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系；結(jié)構(gòu)體的變形在彈性范圍內(nèi)；模型處于彈性半無(wú)限空間中；（2）模型頂面為自由面，無(wú)約束；模型底面每個(gè)方向均約束；模型4 個(gè)側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無(wú)約束。

圖4 整體模型圖

圖5 隧道、橋樁、承臺(tái)空間關(guān)系圖

4.2 參數(shù)選取

注漿加固過程采用屬性替換實(shí)現(xiàn)，盾構(gòu)管片、橋梁樁基采用板單元模擬，周圍土體選用實(shí)體單元模擬。材料參數(shù)如表4 所示。

表4 結(jié)構(gòu)單元及實(shí)體單元參數(shù)表

5 注漿加固影響分析

5.1 加固方案

為保證工程順利實(shí)施，盾構(gòu)安全穿越高架橋樁基，本工程采用局部注漿加固方式。加固范圍為：隧道穿越的樁基附近平面30m 范圍內(nèi)，隧道中線外輪廓3m 范圍內(nèi)進(jìn)行加固。

模擬過程：將盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)后的一環(huán)土體單元去除，激活管片混凝土材料。注漿加固通過設(shè)置外片外皮3m 厚的加固層代替土體單元，如圖6 所示。

圖6 加固模型

5.2 地表沉降分析

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，會(huì)引起周圍地層的缺失，這種缺失延伸至地表，就會(huì)引起地表土層的沉降。通過對(duì)比未加固與加固情況下地表沉降數(shù)值，討論注漿加固措施對(duì)控制地表沉降的效果。

如圖7 所示，在未采取注漿加固措施情況下，地表沉降值最大處為1#樁基位置，即橫坐標(biāo)位置為0 處，且類似于對(duì)稱分布，最大沉降值為-23.63mm，產(chǎn)生沉降影響范圍約30m；采取注漿加固措施后，地面沉降值有明顯減小，最大沉降值約11.13m，降低了約47%。

圖7 地表沉降值對(duì)比

5.3 承臺(tái)沉降分析

樁基沉降的原因主要有：樁周土體下沉?xí)r產(chǎn)生的負(fù)摩阻力會(huì)導(dǎo)致樁基下沉；盾構(gòu)隧道穿越樁基時(shí)對(duì)樁基底部土體擾動(dòng)引起樁基下沉；土體的側(cè)向位導(dǎo)致起樁基側(cè)向變形，引起樁基沉降，最終引起承臺(tái)沉降，以上幾方面原因最終會(huì)引起承臺(tái)產(chǎn)生沉降。

根據(jù)以上分析，在有限元模型中，選取承臺(tái)頂部中心點(diǎn)作為沉降基點(diǎn)，得出隧道掘進(jìn)過程中承臺(tái)沉降變化曲線，如圖8 和圖9 所示。

圖8 加固前承臺(tái)沉降值

圖9 加固后承臺(tái)沉降值

對(duì)于樁基上部承臺(tái)，在盾構(gòu)初始時(shí)，是隨地面沉降而均勻沉降的，承臺(tái)的變形較小，承臺(tái)上部的結(jié)構(gòu)基本不會(huì)產(chǎn)生破壞。但是隨著盾構(gòu)的不斷掘進(jìn)，已經(jīng)沉降的土體趨于穩(wěn)定，此時(shí)的沉降主要為差異沉降，這種差異沉降可造成上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生受拉或者受壓破壞。而模擬的局部注漿加固措施，則可以減小這種差異沉降[6]。

從圖9 和圖10 可以看出，承臺(tái)沉降與地面沉降趨勢(shì)基本一致，但承臺(tái)沉降值總體上小于地面沉降。在未進(jìn)行注漿加固情況下，1 號(hào)承臺(tái)處最大，往兩側(cè)逐漸減小，最大沉降量約為18.2mm；采取加固措施后，承臺(tái)沉降明顯減小，最大沉降值約為12.7mm，減小了約30%。

5.4 樁基水平位移分析

隧道掘進(jìn)過程中，由于地層應(yīng)力狀態(tài)的不斷改變，將引起樁基水平方向產(chǎn)生水平位移，而隨著掘進(jìn)的不斷進(jìn)行，這種位移也隨之不斷變化。如圖10 和圖11 所示。

由圖中可以看出，樁基位移最大位置位于隧道加固范圍上方，2、3 號(hào)樁基最大水平位移為4.2mm，加固后最大水平位移減小至2.5mm，減少約40%。

6 監(jiān)測(cè)數(shù)值

目前，該天津地鐵6 號(hào)線已通車正式運(yùn)營(yíng)，根據(jù)施工期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，盾構(gòu)穿越橋樁處最大地面沉降約27mm，承臺(tái)沉降最大約10mm，與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相似。采用注漿加固較好地控制了盾構(gòu)穿越對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，確保盾構(gòu)安全穿越。

圖10 2 號(hào)樁基水平位移

圖11 3 號(hào)樁基水平位移

7 結(jié)論

采用三維有限元分析軟件MIDAS/GTS，建立計(jì)算模型，分析了盾構(gòu)下穿高架橋梁變化規(guī)律。重點(diǎn)分析了盾構(gòu)下穿過程中地面及樁基承臺(tái)沉降，樁基水平位移，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工檢測(cè)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論及建議：

1）地表沉降值最大處為1#樁基位置，即2 條隧道連線中間位置，且類似于對(duì)稱分布，承臺(tái)沉降趨勢(shì)類似于地面沉降。

2）盾構(gòu)穿越過程中，采用局部注漿加固方案，可有效地樁身的變形，能把變形控制在允許范圍之內(nèi)，數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的結(jié)果相似，小于允許值，可以保證盾構(gòu)施工安全。

3）盾構(gòu)穿越過程中，建議采用先注漿加固，后開挖的方式加固周圍地層。

4）在編制盾構(gòu)下穿橋梁工程的施工組織時(shí)，應(yīng)編制詳細(xì)的施工預(yù)案，必要時(shí)可考慮采取橋梁臨時(shí)豎向支頂措施。