新建TBM隧道對(duì)既有立交橋和暗渠的影響分析

劉 嘉

（青島市地鐵一號(hào)線(xiàn)有限公司，山東 青島 266021）

數(shù)值計(jì)算方法是分析TBM隧道下穿橋梁和暗渠力學(xué)機(jī)理一個(gè)重要手段。周群立等[1]以合肥地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿五里墩立交橋?yàn)楣こ瘫尘?，提出了適合該工程盾構(gòu)施工時(shí)的地層損失率控制指標(biāo)、橋梁基礎(chǔ)差異沉降控制指標(biāo)；奚正平[2]運(yùn)用實(shí)際下穿工程案例，證明了可以采取一定的加固措施來(lái)控制下穿構(gòu)筑物而造成的沉降；徐占軍[3]、薛暉等[4]對(duì)區(qū)間隧道下穿高速橋進(jìn)行了有限元分析。

1 工程概況

1.1 線(xiàn)路設(shè)計(jì)概況

青島地鐵1號(hào)線(xiàn)海小區(qū)間左線(xiàn)TBM施工段長(zhǎng)度828.751m（里程：ZSK39+574.474～ZSK39+751.474、ZSK39+870.607～ZSK40+522.358），右線(xiàn)658m（里程：YSK39+864.358～YSK40+522.358），從海泊橋沿人民路向北至穿過(guò)南寧路、撫順路，下穿人民路立交橋，進(jìn)入小村莊車(chē)站。區(qū)間平面線(xiàn)路為直線(xiàn)段，線(xiàn)間距為14～16m，覆土厚度為20～29m，線(xiàn)路最大坡度為25‰；區(qū)間在K40+140.000處設(shè)置1座聯(lián)絡(luò)通道兼泵房。

1.2 地質(zhì)概況

TBM主要穿越微風(fēng)化花崗巖，隧道埋深為26～29m，微風(fēng)化花崗巖覆蓋厚度為8～16m，首段掘進(jìn)177m，其中第70～136m為Ⅲ2級(jí)圍巖，其余為Ⅳ1級(jí)圍巖。

2 數(shù)值計(jì)算模擬

2.1 模型的建立

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和理論，考慮模型尺寸效應(yīng)。模型中開(kāi)挖隧道邊緣到整個(gè)模型左、右邊界距離應(yīng)取3D～5D（D為開(kāi)挖隧道直徑），這樣其邊界處認(rèn)為不受隧道開(kāi)挖影響。否則，模型尺寸過(guò)小會(huì)使計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確[5]。模型中盾構(gòu)隧道直徑取6m，管片厚度取0.3m，盾構(gòu)管片長(zhǎng)1.5m，模型的幾何尺寸為90m×50m×50m。相應(yīng)的計(jì)算模型如圖1所示。

2.2 模型參數(shù)的選擇

對(duì)于模型土層，機(jī)構(gòu)采用各向同性摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型，本構(gòu)模型采用的是彈性模型。模型中管片、土層、橋梁、管片注漿為實(shí)體單元。在建立盾殼、暗渠管道模塊時(shí)，為使模型結(jié)構(gòu)耦合便于計(jì)算，采用板單元進(jìn)行模擬[6-10]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查和數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)，選取的模型參數(shù)如表1所示。

圖1 模型及地層劃分

表1 模型巖土介質(zhì)力學(xué)參數(shù)表

2.3 模擬方法

在數(shù)值模擬中，TBM采用分段掘進(jìn)開(kāi)挖，并且左線(xiàn)先行開(kāi)挖，左線(xiàn)開(kāi)挖結(jié)束后進(jìn)行右線(xiàn)開(kāi)挖。模擬施工過(guò)程以2個(gè)管片3m為一個(gè)施工步驟，先進(jìn)行左線(xiàn)開(kāi)挖后進(jìn)行右線(xiàn)開(kāi)挖。左右線(xiàn)一共是36個(gè)施工步驟，每個(gè)施工步驟是一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖的過(guò)程；并且施加不同的掘進(jìn)壓 力（120kN/m2、240kN/m2、360kN/m2、480kN/m2和600kN/m2）以進(jìn)行敏感性分析[11]。

3 可靠性分析

將工程實(shí)際監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示。由圖2可知，實(shí)際監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和數(shù)值模擬計(jì)算數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，沉降值差別不大，沉降曲線(xiàn)均是一個(gè)沉降槽。但因?yàn)樵趯?shí)際工程中會(huì)有各種偶然因素對(duì)沉降數(shù)值造成影響，所以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際沉降均比模擬數(shù)值沉降要大，不過(guò)均在安全允許值范圍內(nèi)，誤差值最大為10.7%。由此說(shuō)明，用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行TBM下穿構(gòu)筑物的分析計(jì)算是合理的。

圖2 模擬和實(shí)際地表沉降數(shù)據(jù)對(duì)比圖

4 橋臺(tái)豎向位移分析

橋臺(tái)和橋墩的三維豎向位移云圖如圖3所示；橋板豎向位移隨著橋臺(tái)位置的變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖3 橋梁三維豎向位移云圖

從圖3可以看出，橋梁的橋臺(tái)豎向位移曲線(xiàn)大致呈W形，并且位移數(shù)值都比較小，方向都是向下。橋臺(tái)出現(xiàn)的最大位移值出現(xiàn)在中間橋墩偏右位置處，為3.49mm；最小值豎向則出現(xiàn)在橋梁最左側(cè)附件，為1.03mm，最大值比最小值大238.8%。從位移云圖可以看出，橋臺(tái)后端的豎向位移大于前段位移，分析可能是因?yàn)門(mén)BM隧道開(kāi)挖方向是從橋梁后端指向前端的方向，后端先行開(kāi)挖后，隧道周?chē)鷩鷰r會(huì)發(fā)生擾動(dòng)并發(fā)生應(yīng)力重分布，繼續(xù)往前進(jìn)行開(kāi)挖會(huì)持續(xù)對(duì)后端圍巖造成擾動(dòng)，并且后端圍巖因?yàn)槌两挡粡氐走€會(huì)發(fā)生隨時(shí)間的持續(xù)性沉降，進(jìn)而造成橋臺(tái)后端豎向位移大于前端。因此，在實(shí)際施工中應(yīng)格外注意橋臺(tái)緊挨隧道施工一側(cè)的位移監(jiān)測(cè)，防止安全隱患的發(fā)生。

圖4 橋板豎向位移曲線(xiàn)圖

從圖4可以看出，不同掘進(jìn)壓力下橋板累計(jì)豎向位移是不同的，但變化曲線(xiàn)的趨勢(shì)相同，大致于30m位置處呈對(duì)稱(chēng)軸分部，呈W形。隨著距離橋板最邊緣距離的增加，豎向位移先增大后減小，最后到對(duì)稱(chēng)軸處一直增加?；诓煌木蜻M(jìn)壓力可以明顯看出，隨著掘進(jìn)壓力的增大，橋板累計(jì)豎向位移減小。掘進(jìn)壓力為120kN/m2、240kN/m2、360kN/m2、480kN/m2和600kN/m2時(shí)的最大沉降量分別為3.53mm、3.49mm、3.39mm、3.32mm、3.25mm，減少速率依次為1.14%、2.95%、2.11%、2.15%，減少速率先增大后減小。綜合考慮240kN/m2作為掘進(jìn)壓力開(kāi)挖隧道，是性?xún)r(jià)比最高的選擇方案。

5 暗渠沉降分析

暗渠的三維豎向位移云圖如圖5所示；暗渠豎向位移隨著暗渠位置的變化曲線(xiàn)如圖6所示。

圖5 暗渠三維豎向位移云圖

從圖5可以看出，暗渠靠近隧道的一端的豎向位移值比較大，并且位移云圖大致呈階梯狀分布，在靠近暗渠最邊緣距離25m附近豎向位移值最大，為3.35mm，符合規(guī)范要求。

從圖6可以看出，暗渠累計(jì)豎向位移都是隨著距離暗渠最邊緣距離的增加先減小后增大，在不同掘進(jìn)壓力下的曲線(xiàn)圖的趨勢(shì)也都一樣，并且在25m處附近豎向位移值最大。因?yàn)榘登蠖颂幨强拷淼篱_(kāi)挖段，所以左端相對(duì)于右端豎向位移變化明顯，影響也更嚴(yán)重。隨著掘進(jìn)壓力的增大，暗渠豎向位移都是逐漸減?。壕蜻M(jìn)壓 力 為120kN/m2、240kN/m2、360kN/m2、480kN/m2、600kN/m2時(shí)的最大沉降量分別為3.42mm、3.25mm、3.09mm、2.93mm、2.76mm，減少速率依次為5.23%、5.18%、5.46%、6.16%，速率先減小后增大。在實(shí)際工程中遇到TBM地鐵隧道下穿暗渠的工程，應(yīng)該根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益盡可能地增大掘進(jìn)壓力來(lái)減少TBM隧道開(kāi)挖對(duì)暗渠的影響。

6 結(jié)論

文章以青島地鐵1號(hào)線(xiàn)海小區(qū)間為背景，運(yùn)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行隧道開(kāi)挖并分析既有立交橋和暗渠的力學(xué)機(jī)理，得出以下結(jié)論：

（1）TBM地鐵隧道開(kāi)挖對(duì)既有立交橋的影響主要體現(xiàn)在TBM隧道開(kāi)挖會(huì)對(duì)先行開(kāi)挖的部分持續(xù)造成擾動(dòng)，并且先開(kāi)挖部分圍巖因?yàn)槌两挡粡氐走€會(huì)發(fā)生隨時(shí)間的持續(xù)性沉降，進(jìn)而造成橋臺(tái)先開(kāi)挖部分豎向位移大于后開(kāi)挖部分。對(duì)于不同的掘進(jìn)壓力，隨著掘進(jìn)壓力的增大，立交橋橋板累計(jì)豎向位移減小，但是不同掘進(jìn)壓力的豎向位移變化曲線(xiàn)趨勢(shì)是一致的。

（2）暗渠靠近隧道的一端的豎向位移值比較大，并且位移云圖大致是呈階梯狀分布，在靠近暗渠最邊緣距離25m附近豎向位移值最大。對(duì)于不同的掘進(jìn)壓力，掘進(jìn)壓力越大，豎向位移越小，變化趨勢(shì)也一致。