貴陽(yáng)地鐵2號(hào)線(xiàn)下穿鐵路橋三維數(shù)值模擬分析

史鍇然，戚幸鑫，盧 鋒，李 思

(西南交通大學(xué)，四川成都610031)

軌道交通發(fā)展至今日，我國(guó)許多城市已建立起基本的軌道交通網(wǎng)絡(luò)。隨著日益增長(zhǎng)的軌道交通里程，城市中不可避免地會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越“擁擠”的現(xiàn)象。為了節(jié)約土地資源，就需要充分利用城市土地，這樣便會(huì)使得近距離施工問(wèn)題大量涌現(xiàn)，其中城市地鐵與橋梁基礎(chǔ)的相互影響的問(wèn)題也日益突出[1]。合理地分析地鐵近接施工對(duì)既有橋梁的影響，保證既有橋梁的正常運(yùn)營(yíng)和地鐵隧道施工的順利進(jìn)行，對(duì)我國(guó)城市軌道交通建設(shè)具有積極的意義[2]。

針對(duì)地鐵隧道與既有橋梁的相互影響，已經(jīng)有許多學(xué)者從各個(gè)方面進(jìn)行了研究。鄭熹光[1]等總結(jié)出幾種樁的形式和樁與隧道的位置關(guān)系，并通過(guò)三維數(shù)值分析方法模擬隧道施工后樁的應(yīng)力和位移的變化規(guī)律。龔愛(ài)軍[3]、李松[4]、張竹清[5]等重點(diǎn)研究了樁基水平位移及沉降的發(fā)展規(guī)律。熊剛[6]等總結(jié)了隧道近接施工對(duì)既有樁基影響的四種研究方法及其發(fā)展過(guò)程，指出了每種研究方法的適用條件。宋衛(wèi)東[7]等分析了隧道開(kāi)挖對(duì)橋臺(tái)和地面環(huán)境的影響。還有許多學(xué)者[8-15]提出了針對(duì)橋梁基礎(chǔ)沉降的系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制方法。

本文結(jié)合貴陽(yáng)地鐵2#線(xiàn)隧道下穿既有川黔鐵路橋工程，計(jì)算不同圍巖壓力釋放率下隧道施工對(duì)既有鐵路橋的影響，所涉及的橋梁材料特殊性、雙洞隧道斜穿既有鐵路橋的情況，與前人所做的大部分研究工作存在一定的差異，故存在研究?jī)r(jià)值與意義。本文通過(guò)采用有限差分軟件FLAC 3D，建立高仿真三維模型，考慮隧道施工對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響，加入了對(duì)橋梁拱圈應(yīng)力的影響分析；按照設(shè)計(jì)方案模擬地鐵隧道施工對(duì)川黔鐵路橋的位移和應(yīng)力影響，并提出建議。

1 工程概況

下穿隧道為雙洞單線(xiàn)結(jié)構(gòu)，隧道埋深15.8～63.6 m，采用礦山法施工。如圖1所示，既有鐵路橋?yàn)楣皹蚪Y(jié)構(gòu)，橋梁全長(zhǎng)104.5 m。其中1#拱圈與5#拱圈為混凝土拱圈，其他拱圈為石砌拱圈。隧道與鐵路橋之間的夾角為54°。

圖1 橋梁立面(單位：m)

區(qū)間隧道區(qū)域地貌類(lèi)型為溶蝕殘丘、洼地與槽谷相間地貌。場(chǎng)區(qū)總體地勢(shì)西北高東南低，地形坡度一般為1～2 °。隧道上覆素填土，層厚9.8 m，下部基巖為泥巖、砂巖，以砂巖為主，巖層產(chǎn)狀N28 °～35 °E/SE,傾角45～55 °，與隧道走向呈垂直狀態(tài)，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。地下水位埋深2.3～8.5 m。

2 控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 位移標(biāo)準(zhǔn)

由于川黔鐵路橋修建年代較早，且條石拱圈曾采用噴射混凝土維修加固過(guò)，對(duì)于位移控制標(biāo)準(zhǔn)，綜合參考TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》、TB 10623-2014《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》、鐵運(yùn)[2006]146號(hào)《鐵路線(xiàn)路修理規(guī)則》的控制標(biāo)準(zhǔn)，本文對(duì)川黔鐵路橋沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)為：

(1)墩臺(tái)的工后均勻總沉降不應(yīng)大于15 mm，相鄰墩臺(tái)最終沉降差不應(yīng)大于5 mm；

(2)線(xiàn)路軌道10 m弦測(cè)量的高低偏差應(yīng)小于4 mm。

2.2 應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，按照(鐵運(yùn)函[2004]120號(hào))《鐵路橋梁檢定規(guī)范》第7.3.15條規(guī)定，選擇控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)混凝土拱圈最大壓應(yīng)力不能超過(guò)12.30 MPa，最大拉應(yīng)力不能超過(guò)0.55 MPa；

(2)砌體拱圈最大壓應(yīng)力不能超過(guò)6.10 MPa，最大拉應(yīng)力不能超過(guò)0 MPa。

3 三維計(jì)算

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)實(shí)際情況，應(yīng)用FLAC 3D有限差分軟件建立隧道下穿鐵路橋模型(圖2、圖3)。為充分模擬隧道的三維空間效應(yīng)，計(jì)算模型所取范圍是：沿橫向取50 m，沿縱向取180 m，深度取隧道仰拱下方50 m；約束情況為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面；計(jì)算中地層及初期支護(hù)采用彈塑性實(shí)體單元模擬，管棚及超前小導(dǎo)管采用彈性實(shí)體單元模擬，二次襯砌采用彈性實(shí)體單元模擬。

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型

圖3 隧道與鐵路橋交叉段俯視

3.2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

圍巖及襯砌材料的物理力學(xué)指標(biāo)參照《貴陽(yáng)市軌道交通2號(hào)線(xiàn)一期(詳細(xì)勘察階段)三橋站～二橋站區(qū)間巖土工程勘察報(bào)告》選取，混凝土材料物理參數(shù)根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》選取，所確定的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

地面雙向六車(chē)道公路總寬約為32 m，根據(jù)JTG B01-2003《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，計(jì)算取22.5 kN/m作為車(chē)輛荷載。列車(chē)荷載參照TB 10002.1-2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》，靜力荷載取92 kN/m，標(biāo)準(zhǔn)活載取“中-活載”。

4 結(jié)果分析

4.1 不同圍巖壓力釋放率下隧道開(kāi)挖對(duì)鐵路橋影響

分別考慮圍巖壓力釋放率為10 %、20 %、30 %、40 %、50 %、60 %、70 %、80 %、90 %及100 %這10種工況。圍巖壓力釋放率為襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)圍巖壓力比例，例如圍巖壓力釋放率為10 %時(shí)，即圍巖承擔(dān)90 %圍巖壓力，襯砌承擔(dān)10 %圍巖壓力。采用全斷面開(kāi)挖方式對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬(圖4、圖5)。

圖4 不同圍巖壓力釋放率下橋面沉降沿橋梁縱向變化曲線(xiàn)

圖5 不同圍巖壓力釋放率下橋面最大沉降曲線(xiàn)

4.1.1 橋梁位移分析

結(jié)合圖4、圖5和表2可以看出，從橋面絕對(duì)沉降來(lái)看，隨著圍巖壓力釋放率的增大，橋面沉降也逐漸增大。沿橋梁縱向方向上隧道開(kāi)挖洞室邊緣5 m左右范圍內(nèi)，存在明顯的沉降變化，且每級(jí)壓力釋放率下的最大沉降位置處于兩隧道洞室之間。圍巖壓力釋放率從80 %到100 %時(shí)，橋面沉降的增加明顯高于其他區(qū)間，增加了4.89 mm，圍巖壓力釋放率為100 %的最大橋面沉降為80 %時(shí)的約3倍；圍巖壓力釋放率在10 %到70 %之間時(shí)，橋面最大沉降變化趨于平緩。當(dāng)圍巖壓力釋放率小于等于80 %時(shí)，橋面最大沉降小于15 mm，相鄰墩臺(tái)的沉降差均小于2 mm，軌道差異沉降的變化量基本與橋墩差異沉降保持一致，線(xiàn)路10 m弦的高低偏差均小于4 mm，符合位移控制標(biāo)準(zhǔn)。

表2 不同圍巖壓力釋放率下既有鐵路橋沉降統(tǒng)計(jì) mm

4.1.2 橋梁拱圈應(yīng)力分析

由表3可以看出，在隧道開(kāi)挖時(shí)不同圍巖壓力釋放率下，橋梁拱圈基本以受壓為主。在同等壓力釋放率下，由于材料性質(zhì)和拱圈尺寸不同，混凝土拱圈的最大主應(yīng)力均小于石砌拱圈。在壓力釋放率為80 %～100 %的區(qū)間內(nèi)，1#拱圈和2#拱圈由于距離開(kāi)挖隧道近，受開(kāi)挖影響大，其最大主應(yīng)力的增量比3#、4#、5#拱圈大，其中2#拱圈的最大主應(yīng)力增量達(dá)到了2.4 MPa。當(dāng)應(yīng)力釋放率為100 %時(shí)，2#拱圈將承受0.13 MPa的拉應(yīng)力。當(dāng)圍巖壓力釋放率小于等于80 %時(shí)，對(duì)應(yīng)每一級(jí)釋放率，最大主應(yīng)力均在4#拱圈，超過(guò)2#、3#石砌拱圈54 %以上，與1#、5#混凝土拱圈相差超過(guò)2 MPa。

表3 不同圍巖壓力釋放率下橋梁拱圈主應(yīng)力統(tǒng)計(jì) MPa

4.2 隧道施工對(duì)鐵路橋的影響

4.2.1 開(kāi)挖工序

①施作右線(xiàn)隧道大管棚；②施作右線(xiàn)隧道超前小導(dǎo)管；③右線(xiàn)以2 m為一進(jìn)尺臺(tái)階法循環(huán)開(kāi)挖并施作初期支護(hù)；④右線(xiàn)隧道施作二次襯砌；⑤施作左線(xiàn)隧道大管棚；⑥施作左線(xiàn)隧道超前小導(dǎo)管；⑦左線(xiàn)以2 m為一進(jìn)尺臺(tái)階法循環(huán)開(kāi)挖并施作初期支護(hù)；⑧左線(xiàn)隧道施作二次襯砌(圖6、圖7、表4)。

圖6 橋面沉降隨右線(xiàn)掌子面推進(jìn)沿橋梁縱向變化曲線(xiàn)

圖7 橋面沉降隨左線(xiàn)掌子面推進(jìn)沿橋梁縱向變化曲線(xiàn)

表4 既有鐵路橋橋面橫向差異沉降統(tǒng)計(jì)

4.2.2 橋梁位移分析

本文認(rèn)為當(dāng)隧道開(kāi)挖導(dǎo)致的橋面沉降達(dá)到0.5 mm時(shí)，隧道開(kāi)挖對(duì)橋梁產(chǎn)生了影響。由圖6可以看出，采用設(shè)計(jì)方案施工時(shí)，隨著右線(xiàn)掌子面向既有鐵路橋推進(jìn)，橋梁沉降逐漸增加，當(dāng)右線(xiàn)掌子面距橋梁15 m時(shí)，橋面沉降達(dá)到了0.5 mm；掌子面越過(guò)橋梁之后的沉降增加比越過(guò)橋梁之前明顯減少，當(dāng)掌子面越過(guò)橋梁25 m時(shí)，隨著掌子面繼續(xù)推進(jìn)，橋梁沉降趨于穩(wěn)定，可以近似認(rèn)為此時(shí)沉降為最終沉降。右線(xiàn)隧道開(kāi)挖完成后橋面最大沉降位置在3#拱圈，為1.17 mm。由圖7可以看出，左線(xiàn)隧道開(kāi)挖后橋面最大沉降位置在2#拱圈，為1.97 mm，在左右線(xiàn)之間沉降曲線(xiàn)呈U型，橋面整體沉降不超過(guò)2 mm；對(duì)比不同圍巖壓力釋放率下橋面沉降，按設(shè)計(jì)方案施工時(shí)隧道圍巖壓力釋放率約為70 %。由表4可以看出，1#橋墩處的橋面差異沉降有0.56 mm，為橋墩處橋面最大差異沉降，1#、2#橋墩處橋面差異沉降僅相差14.3 %，2#與3#、2#與4#橋墩處橋面差異沉降相差分別超過(guò)56 %和81 %，說(shuō)明隧道開(kāi)挖對(duì)1#、2#橋墩產(chǎn)生的影響大于3#、4#橋墩，且隨著橋墩與隧道距離的增加，這種影響呈快速下降的趨勢(shì)。

4.2.3 橋梁拱圈應(yīng)力分析

由表5可以看出，隧道開(kāi)挖完成后，拱圈均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，混凝土拱圈應(yīng)力均小于石砌拱圈；最大壓應(yīng)力位于4#拱圈，為3.44 MPa，小于控制標(biāo)準(zhǔn)的6.10 MPa的控制標(biāo)準(zhǔn)?；炷凉叭Φ淖畲笾鲬?yīng)力小于石砌拱圈的最大主應(yīng)力。對(duì)比不同圍巖壓力釋放率情況下的應(yīng)力大小，按設(shè)計(jì)方案施工時(shí)隧道圍巖釋放率約為70 %，這與由位移得出的圍巖壓力釋放率相同。

表5 既有鐵路橋拱圈主應(yīng)力統(tǒng)計(jì) MPa

5 結(jié)論及建議

(1)隧道開(kāi)挖時(shí)圍巖壓力釋放率越大，鐵路橋產(chǎn)生的沉降越大，每級(jí)壓力釋放率下的最大沉降位置處于兩隧道洞室之間。橋梁拱圈基本以受壓為主，由于材料性質(zhì)和拱圈尺寸不同，混凝土拱圈的最大主應(yīng)力均小于石砌拱圈，當(dāng)圍巖壓力釋放率為100 %時(shí)，2#拱圈才承受拉應(yīng)力。綜合考慮位移控制標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)施工控制圍巖壓力釋放率小于80 %時(shí)，可保證既有鐵路橋運(yùn)營(yíng)安全。

(2)隨著掌子面向既有鐵路橋推進(jìn)，橋體沉降隨著與隧道開(kāi)挖面的距離減小而增大，相鄰兩橋墩上存在沉降差。右線(xiàn)隧道開(kāi)挖完成后橋面最大沉降位置在3#拱圈，左線(xiàn)隧道開(kāi)挖后橋面最大沉降位置在2#拱圈。參照不同圍巖壓力釋放率下的橋面沉降，按照設(shè)計(jì)施工時(shí)隧道圍巖釋放率約為70 %。綜合考慮位移控制標(biāo)準(zhǔn)以及應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)按照設(shè)計(jì)施工時(shí)，能夠基本保證既有鐵路橋運(yùn)營(yíng)安全。

(3)實(shí)際施工中，圍巖壓力釋放率不能直接測(cè)量得到，應(yīng)通過(guò)橋梁沉降反應(yīng)；建議左右線(xiàn)掌子面錯(cuò)開(kāi)施工，掌子面錯(cuò)開(kāi)距離大于3倍洞徑；為減少施工期間對(duì)既有鐵路橋的影響，在下穿既有鐵路橋時(shí)，應(yīng)禁止爆破；采用分步短進(jìn)尺開(kāi)挖、及時(shí)施作初期支護(hù)以控制應(yīng)力釋放和地層位移，使圍巖壓力釋放率低于80 %。