隧道埋深對(duì)既有橋梁的影響分析

張富明，魏清武

（中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)政治等領(lǐng)域得到極大地發(fā)展，大量人口涌入經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市地區(qū)，交通擁堵現(xiàn)象問(wèn)題越來(lái)越成為城市進(jìn)一步發(fā)展的阻礙。為了緩解城市的交通壓力，各大城市開(kāi)始極力發(fā)展地下交通。地鐵交通作為地下交通的主要方式，可以極大地緩解交通壓力，為城市的發(fā)展帶來(lái)更大的空間[1-3]。但隨之而來(lái)的問(wèn)題也開(kāi)始在大量的地鐵建設(shè)中出現(xiàn)。城市中的地鐵建設(shè)往往會(huì)從地下穿越各種建筑物，在施工過(guò)程中一定會(huì)或多或少的對(duì)上部建筑造成一定的影響，其中下穿在技術(shù)難度上是最大的，風(fēng)險(xiǎn)也最高。因此，必須研究隧道下穿對(duì)既有建筑物的影響。

針對(duì)隧道開(kāi)挖，已經(jīng)有眾多學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作。劉富強(qiáng)[4]利用多元優(yōu)化模型，通過(guò)前后對(duì)比的方式，分析總結(jié)除了多元優(yōu)化模型的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合工地實(shí)際的情況將多元回歸優(yōu)化模型在實(shí)際應(yīng)用中效益最大化；段軍朝、李珂等[5]以成都地鐵6號(hào)線某段下穿重型商混站為背景，利用有限元數(shù)值軟件模擬分析了隧道開(kāi)挖及施工過(guò)程總結(jié)了界定地層擾動(dòng)范圍的規(guī)律，提出了有效的施工建議，確保了施工安全；李志[6]以石家莊地鐵為背景，研究了隧道臨近區(qū)下穿建筑群，利用有限元軟件ANSYS模擬了磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)，并針對(duì)不同盾構(gòu)參數(shù)，分析了施工對(duì)地表沉降的影響，實(shí)用性較大；郭建圓[7]利用邁達(dá)斯GTS/NX軟件、兩階段法理論，研究了隧道開(kāi)挖導(dǎo)致的土體附加應(yīng)力對(duì)CFG復(fù)合地基樁土受力以及變形規(guī)律，通過(guò)改變CFG樁的參數(shù)，進(jìn)行了對(duì)盾構(gòu)隧道的響應(yīng)分析，還考慮不同隧道掘進(jìn)參數(shù)下，掘進(jìn)對(duì)復(fù)合地基的影響并提出了相應(yīng)的解決措施；徐朝輝[8]依托蘭州地鐵1號(hào)線，利用FALC 3D數(shù)值計(jì)算軟件，模擬了盾構(gòu)隧道下穿黃河段的強(qiáng)透水沙卵石地層，更具實(shí)際情況研究總結(jié)了塌方處理措施以及有效預(yù)防塌方的技術(shù)措施；司增國(guó)[9]利用邁達(dá)斯數(shù)值計(jì)算軟件以園上園小區(qū)樓群為模擬區(qū)，研究了隧道掘進(jìn)在開(kāi)挖次序不同的條件下，對(duì)不同高度的建筑物的影響，總結(jié)了雙線隧道對(duì)底層影響的區(qū)別，提出了控制變形的有效措施。Didascalou等[10]在柏林地鐵中開(kāi)展了一項(xiàng)測(cè)量活動(dòng)，以表征電磁波在地下鐵路隧道中的傳播。利用945和1853.4MHz的接收功率水平，研究了彎曲拱形隧道的衰減和衰落特性。

學(xué)者們研究模擬的大多為環(huán)境較差的地質(zhì)，多數(shù)為對(duì)建筑樓房的影響，而青島市區(qū)內(nèi)高架橋數(shù)量較多，具有新的研究?jī)r(jià)值。因此，文章以青島地鐵下穿高架橋?yàn)楣こ瘫尘埃贏NSYS和FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，研究了盾構(gòu)隧道在花崗巖地層中掘進(jìn)，對(duì)開(kāi)挖隧道深度對(duì)上部高架橋的影響做了分析。

1 工程實(shí)例

青島地鐵4號(hào)線洪山坡站—?jiǎng)潘扇氛緟^(qū)間位于青島市市北區(qū)，為本線第十二段區(qū)間。區(qū)間主要在道路南側(cè)行車區(qū)及綠化帶下穿行。地表道路兩側(cè)建構(gòu)筑物密集，多以5～7層及11、18層高層建筑為主。區(qū)間兩端的步進(jìn)洞、始發(fā)洞和接收洞及空推段采用礦山法，其余地段采用TBM法施工。區(qū)間地表范圍內(nèi)存在給水、雨水、污水、路燈、供暖、通訊、燃?xì)?、供電等管線，地下管線主要沿道路兩側(cè)及路中綠化帶鋪設(shè)。左、右線為兩條并行的單洞單線圓形隧道，隧道直徑為6m。隧道洞身范圍主要位于微風(fēng)化花崗巖層中，覆巖、覆土厚度約12.5～51m。區(qū)間采用2臺(tái)TBM從內(nèi)海區(qū)間TBM始發(fā)井兼軌排井始發(fā)，沿內(nèi)蒙古路—海泊橋站區(qū)間向東掘進(jìn)，依次經(jīng)過(guò)海泊橋站、鞍山路站、錯(cuò)埠嶺站、福州路站、洪山坡站及區(qū)間，然后進(jìn)入洪山坡站—?jiǎng)潘扇氛緟^(qū)間，在勁松三路站小里程端吊出。在洪山坡站大里程端頭與區(qū)間共同設(shè)置TBM步進(jìn)洞段，調(diào)整TBM始發(fā)前姿態(tài)。到達(dá)勁松三路站前Ⅵ級(jí)圍巖段均采用礦山法，開(kāi)挖形成接收洞室和空推拼管片段。區(qū)間起止里程Z（Y）DK10+546.000～Z（Y）DK11+665.250，ZDK11+305.806，左、右線隧道長(zhǎng)分別為1125.056m、1119.25m。在里程ZDK11+104.247 （YDK11+103.800）處設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道兼泵房。區(qū)間左、右線隧道平面曲線半徑最小為600m，線間距為14.0～16.8m，該地段采用TBM法施工，礦山法由兩端車站提供施工工作面。步進(jìn)洞及始發(fā)洞前2.0m二襯采取現(xiàn)澆C45、P12混凝土，TBM到達(dá)勁松三路站后澆環(huán)梁采用現(xiàn)澆C45、P10混凝土。高架橋與隧道位置關(guān)系圖如圖1所示。

2 數(shù)值計(jì)算模型與分析方法

2.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

圖1 隧道位置關(guān)系平面示意圖

文章利用有限元數(shù)值模擬軟件建立模型，依據(jù)地鐵下穿杭鞍高架橋?qū)嶋H情況，由于隧道沿高架橋下穿距離過(guò)長(zhǎng)，因此建立二維模型。因此，計(jì)算模型的尺寸為100m×70m×1m，橋樁地下長(zhǎng)度為15m，地上長(zhǎng)度10m，因不同地段高架橋兩側(cè)建筑物不同，所以同時(shí)建立兩側(cè)有建筑物與無(wú)建筑的模型，隧道從地下20m處，逐步加大開(kāi)挖深度至40m。對(duì)于模型土層的厚度，考慮實(shí)際工況的同時(shí)簡(jiǎn)化模型，從上至下各地層厚度依次取為3m、4m、8m、35m。二維數(shù)值模型如圖2所示。

2.2 力學(xué)參數(shù)

在三維數(shù)值模型中，地層的土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型，根據(jù)本地勘測(cè)資料可知，工程下穿1個(gè)地層，為微風(fēng)化花崗巖。施工過(guò)程涉及全斷面注漿加固。注漿加固區(qū)本構(gòu)關(guān)系同樣采用摩爾-庫(kù)倫模型，通過(guò)調(diào)整力學(xué)參數(shù)模擬加固效果，加固后具體參數(shù)的取值并無(wú)相關(guān)理論研究，文中根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)確定。地層參數(shù)如表1所示。

表1 土層基本物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬計(jì)算步驟

施工方法采取盾構(gòu)法施工，全斷面施工。計(jì)算模擬過(guò)程運(yùn)用FLAC 3D完成，為1個(gè)初始應(yīng)力平衡，然后同時(shí)開(kāi)挖兩個(gè)隧道，噴漿，鋪設(shè)管片。初始應(yīng)力平衡為精確度小于1×10-4，開(kāi)挖、噴漿、管片都計(jì)算6000步，最后得出計(jì)算結(jié)果。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

豎向位移云圖如圖3所示。從圖3可以看出，開(kāi)挖后隧道上部巖石會(huì)有少量沉降，而下部巖石會(huì)有少量隆起，最大隆起量為0.15573mm，最大沉降量為0.172mm，由于隧道再開(kāi)挖過(guò)程中主要下穿地層為微風(fēng)化花崗巖，橋梁沉降量也比較微小。

圖2 二維數(shù)值模型

圖3 豎向位移云圖

橋中點(diǎn)沉降量隨隧道開(kāi)挖深度的增加而變化的曲線圖如圖4所示，自變量為隧道埋深，因變量為隧道中點(diǎn)沉降量。從曲線中可以看出，隨著隧道埋深的增加，橋的沉降量也不斷增加，且在橋周圍有建筑物的情況下，沉降量會(huì)明顯大于橋周圍沒(méi)有建筑的橋的沉降。雖然各區(qū)域均有不同程度的位移變形，但都能滿足允許要求[11]。

圖4 橋中點(diǎn)位移變化圖

4 結(jié)論

經(jīng)以上分析，同時(shí)考慮周圍交通、不同土層以及橋梁的設(shè)計(jì)等，結(jié)合數(shù)值模型模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論。（1）隧道開(kāi)挖會(huì)造成圍巖擾動(dòng)，對(duì)隧道上部和下部巖石擾動(dòng)尤為明顯，上部巖石會(huì)發(fā)生沉降，下部巖石會(huì)隆起。（2）隨著隧道開(kāi)挖深度的增加，上部建筑物的沉降量也會(huì)隨之增加。（3）隧道下穿橋梁時(shí)，掘進(jìn)過(guò)程中上部有其他建筑物會(huì)比單獨(dú)下穿橋梁所造成的橋梁沉降更大。因此在新建隧道開(kāi)挖之前，需要采用隔斷法、土體加固、建筑物本體加固、基礎(chǔ)托換等措施保證既有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。