地鐵隧道下穿施工對(duì)橋梁地上結(jié)構(gòu)的影響研究

姚春雷

摘要：為了分析隧道施工對(duì)現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)的影響，創(chuàng)建了數(shù)值計(jì)算模型ABAQUS，并研究了橋梁結(jié)構(gòu)的位移和變形以及內(nèi)力的反作用，該結(jié)構(gòu)的沉降和變形可分為以下兩個(gè)步驟：均勻沉降階段和局部加速沉降階段;地梁的沉降和變形情況大致是一樣的，可以相互替換，地板梁的彎矩大于覆蓋梁的彎矩，得出的所有結(jié)論對(duì)今后的地鐵隧道施工有價(jià)值。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道;地下通道施工;地基橋梁施工;影響

隨著城市化的步伐不斷加大，人口繼續(xù)從農(nóng)村轉(zhuǎn)移到城市地區(qū)，城市人口的極速增加會(huì)給城市交通帶來很大的負(fù)擔(dān)。地鐵需具有功能正常的地下系統(tǒng)，并且能保證安全且方便使用，為了可以更好地補(bǔ)償?shù)孛孢\(yùn)輸工具上的這些缺陷，使得地鐵成為了大都市炙手可熱的一種新型交通工具，很多城市現(xiàn)已大力發(fā)展地鐵建設(shè)。

1項(xiàng)目概述

某個(gè)地鐵線，線路途經(jīng)市內(nèi)很多街區(qū)，貫穿新中軸線區(qū)域，地鐵大致呈南北“Y字形”走向。這條地鐵線線路較長(zhǎng)，所以開發(fā)起來相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于施工單位技術(shù)要求較高，這個(gè)地鐵線路的隧道是采用礦山法建造的：左線長(zhǎng)2.162公里，右線長(zhǎng)2.163公里。隧道下面的一段隧道穿過立交橋，該天橋建于1980年代，是連續(xù)的三層梁橋，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，左右橋的設(shè)計(jì)是分開的，并且彼此不依賴隧道和橋梁之間的位置。隧道軸線與橋梁軸線之間的夾角為62°。橋樁的基礎(chǔ)是直徑為1.0 m的整體鉆孔樁，為摩擦型樁。 為了便于分析，對(duì)1號(hào)橋墩樁的基礎(chǔ)從左到右進(jìn)行編號(hào)。本文對(duì)一號(hào)橋墩樁基礎(chǔ)進(jìn)行了分析，其中隧道范圍內(nèi)地質(zhì)為風(fēng)化花崗巖，覆蓋層厚度為12.2 m，距拱頂?shù)木嚯x最短的僅0.2 m。為了維持橋梁的穩(wěn)定性，不影響正常的運(yùn)行，該項(xiàng)目采取了以下技術(shù)措施：使用直徑為42毫米，壁厚為3.5毫米的無縫鋼管進(jìn)行固結(jié); 隧道開挖輪廓線后3.0 m內(nèi)層的灌封區(qū)域，厚度為0.2 m，C25 +噴射混凝土格柵為初始支撐結(jié)構(gòu)，兩層厚度為0.3 m，混凝土強(qiáng)度為C35的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，只有這樣的混凝土結(jié)構(gòu)才能順利完成這條地鐵線的建設(shè)。

2 3D模型的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述尺寸，首先創(chuàng)建基本形狀的兩個(gè)三維幾何模型。除其他事項(xiàng)外，兩個(gè)模型中樁基礎(chǔ)的幾何組必須使用壓力命令連接到每個(gè)底層單元。由于地鐵隧道的穿透方向與橋梁基礎(chǔ)的位置傾斜，因此隧道的實(shí)體單元的邊界可能與地面的六面體單元的邊界不完全匹配。為了確保調(diào)整以下邊界條件的張力，必須根據(jù)地面六面體元素的邊界物理地切割隧道的實(shí)體元素的多余部分。由于兩個(gè)基本圖的三維模型包含更多的幾何組，因此還必須執(zhí)行自動(dòng)連接幾何的命令，這不僅可以確保在已建立的3D幾何模型中沒有形成雙曲面，而且還可以確保樁基與地面節(jié)點(diǎn)之間的耦合。在承臺(tái)+樁基礎(chǔ)的3D模型中，定義了兩個(gè)幾何組，因?yàn)榈叵滤淼纼蓚?cè)的樁基礎(chǔ)和其他部分的樁基礎(chǔ)具有不同的橫截面尺寸，故而分為兩個(gè)幾何組。對(duì)于兩個(gè)3D模型的筏板部分，柵格元素的大小設(shè)置為2。高度風(fēng)化的砂巖和隧道單元上方的土壤層的二維模型，網(wǎng)格單元的大小設(shè)置為3。隧道的基本元素部分的網(wǎng)格元素的大小必須與它所在的地面層的網(wǎng)格元素的大小相對(duì)應(yīng)，以便確保隧道和地面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的配合。地鐵隧道襯砌部分的網(wǎng)格大小設(shè)置為2。堆疊網(wǎng)格元素的大小設(shè)置為4，蓋子基礎(chǔ)中蓋子部分的網(wǎng)格元素的大小設(shè)置為2。一旦完成網(wǎng)絡(luò)劃分，就定義了兩種基本類型的3D有限元模型。這兩個(gè)基本圖的三維模型顯示了基礎(chǔ)和地下隧道的整體等軸測(cè)圖，等軸測(cè)圖的一部分，下方的整體圖以及三維模型的整體效果圖[2]。

從上面提到的兩個(gè)基礎(chǔ)的三維模型的俯視圖，我們可以清楚地看到筏板下部的網(wǎng)格線：在俯視圖2（c）中，筏板+樁基礎(chǔ)的模型是密實(shí)的樁基，筏板下部的網(wǎng)格線不如筏+帽+樁基模型規(guī)則。它也可以解釋為什么基筏+樁屬于該組，而基筏+平臺(tái)+樁以及下部平臺(tái)和樁基可以成為一個(gè)組合。在圖中，我們可以清楚地看到地鐵隧道兩端的網(wǎng)格有一部分不規(guī)則，因?yàn)樵诎惭b三維幾何模型時(shí)進(jìn)行了連續(xù)切割操作以形成合理的網(wǎng)格邊界的原因，因此我們從上面的三維模型的示意圖中可以非常明確的分析出筏板+樁基礎(chǔ)與隧道這三個(gè)部分緊密相連，相互促進(jìn)成為一體，互相聯(lián)系，缺一不可，三維模型的實(shí)現(xiàn)有利于更好的發(fā)展橋梁建設(shè)工作。

3結(jié)果分析

地梁與構(gòu)造柱共成抗震限裂體系，減緩不均勻沉降的負(fù)作用。與基礎(chǔ)梁有區(qū)別，基礎(chǔ)梁主要起聯(lián)系作用，增強(qiáng)水平面剛度，有時(shí)兼作底層填充墻的承托梁，不考慮抗震作用。地梁一般指梁板式筏形基礎(chǔ)和柱下條基中的梁，該梁的最大彎矩在上部跨中及下部支座處，縱向鋼筋的接頭盡量避免在內(nèi)力較大的地方，選擇在內(nèi)力較小的部位，宜采用機(jī)械連接和搭接，不應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)電弧焊接。左右兩邊隧道的構(gòu)造同時(shí)影響地梁部分，會(huì)導(dǎo)致隧道左端更多的下垂和變形。當(dāng)右隧道開挖至40 m時(shí)（也就是說，掌子面低于樁），計(jì)算得出的左地面梁的曲線近似為線性，這表示當(dāng)手掌表面下降到樁端以下時(shí)，橋梁的空中結(jié)構(gòu)的剛度就足夠了，可以承受一定程度的重量，考慮到地層運(yùn)動(dòng)對(duì)橋梁的有害影響，土壤結(jié)構(gòu)中普遍存在沉積物和變形等這些原因。隨著右隧道逐漸越過1號(hào)墩位，接地梁本身的剛度不足以承受由地層位移引起的額外變形，計(jì)算曲線顯示出具有大中小邊的非線性定律。當(dāng)右邊的隧道越過1號(hào)橋的支柱，并且開挖面距離4號(hào)樁25 m時(shí)，地梁的變形逐漸穩(wěn)定，這樣就可以保證地梁的安全和穩(wěn)定，不會(huì)那么容易受到外界環(huán)境變化對(duì)地梁的影響，只有這樣操作，才能保障地梁的穩(wěn)定。

在交叉路口施工期間，計(jì)算得出的隧道凈跨中相應(yīng)的變形相對(duì)較大，特別是在隧道上部最大變形為14.7 mm， 這表明必須在隧道網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)構(gòu)建的相應(yīng)的地面結(jié)構(gòu)，尤其是對(duì)于拱頂而言，所受到的影響是特別大的。右橋位于右隧道中心線的右側(cè)。 地梁的沉降曲線幾乎呈線性變化，這表明右地梁的剛度足以承受結(jié)構(gòu)引起的不利影響。應(yīng)該注意的是，在地梁右半徑的右側(cè)的一小塊區(qū)域產(chǎn)生了輕微的向上變形，最大值為0.8毫米。地板梁的左端強(qiáng)烈依賴于最大設(shè)計(jì)值為4.1 mm的右通道，因此，在對(duì)梁的下方進(jìn)行施工的階段，由于沉降幅度起伏不定，變化度比較大，所以地梁要著重注意，以免發(fā)生變形，影響整體施工效果，而對(duì)于拉梁僅僅是一種聯(lián)系梁或者構(gòu)造梁。例如專門承擔(dān)上部填充墻的聯(lián)系梁，例如承臺(tái)之間的梁，例如一些重要獨(dú)基之間的拉梁。它們的特征就是，梁底一般都可以不在持力層上，因?yàn)樗鼈儾恍枰袚?dān)地基反力。反而要防止地梁受地基反力而破壞，所以地梁下經(jīng)常要墊爐渣，用來增強(qiáng)地梁的承重能力，減少地梁的變形幾率，最大程度的避免因?yàn)榈亓鹤冃味鴮?dǎo)致的施工項(xiàng)目質(zhì)量問題出現(xiàn)。

4結(jié)束語

通過研究隧道施工過程中土壤結(jié)構(gòu)的沉降和變形規(guī)則，可以將沉降和變形過程分為兩個(gè)階段：均勻沉降階段和局部加速沉降階段。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜偉.地鐵隧道下穿施工對(duì)橋梁地上結(jié)構(gòu)的影響研究[J].山西建筑，2020，46（02）：112-114.

[2]李鳳岐.蘭州黃土地區(qū)地鐵隧道下穿的高層建筑基礎(chǔ)選型研究[D].蘭州理工大學(xué)，2019.

[3]趙玉中.復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)隧道與建構(gòu)筑物相互作用研究[D].安徽理工大學(xué)，2018.

（作者單位：中交一公局集團(tuán)盾構(gòu)公司）