砂卵石地層盾構隧道下穿鐵路橋施工影響分析

陽 超， 盧雅欣， 何鎖宋， 張雪松， 張 浩， 王玉鎖

(1. 西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031; 2.中鐵北京工程局集團城市軌道交通工程有限公司，安徽合肥 230088)

近年來我國城市軌道交通迅速發(fā)展，受到地鐵線路規(guī)劃及地下空間的客觀限制，越來越多的城市地鐵面臨著下穿鐵路橋梁等既有工程。在盾構施工的過程中，地層受到擾動進而發(fā)生地面沉降。此時，橋梁樁基周圍土體應力狀態(tài)發(fā)生變化，產生不利變形，上部結構的安全也受到影響。盾構施工對鄰近既有結構及地層的影響也受到了國內外學者的關注。文獻[1]為了研究隧道施工對鄰近樁基的影響范圍，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)地基沉降發(fā)生在隧道的頂部，距隧道工作面1.5倍的隧道直徑區(qū)域樁基受到明顯影響。文獻[2]針對砂卵石地層中盾構隧道對鄰近樁基的影響進行研究，分析了樁基周圍的土壤顆粒運動特征。文獻[3-4]利用三維有限元模擬了鄰近樁基的盾構施工，分析了盾構掘進過程中樁身位移的變化。文獻[5]采用經驗公式估算雙洞型盾構隧道施工引起的地表沉降。文獻[6]結合正交試驗和方差分析，得出盾構施工對鄰近樁基的影響因素及程度，提出了樁基近鄰度的概念。文獻[7]分析不同加固方式下盾構隧道掘進對近接樁基位移和內力的影響。文獻[8]建立了盾構隧道穿越既有橋梁精細化施工控制體系，確保了既有橋梁的安全。

綜上所述，針對盾構施工對鄰近既有結構及地層的影響的研究已取得一定成果，然而砂卵石地層具有分散性強、自穩(wěn)性差的特點，盾構施工很容易破壞原始地層的平衡狀態(tài)，對鄰近既有結構的影響顯著，不同階段的施工對鄰近結構的影響具有疊加效應，而目前研究施工全過程對既有結構的影響較少，因此進行全過程施工影響研究非常有必要。本文依托成都地鐵9號線某盾構區(qū)間下穿既有鐵路橋工程，利用數(shù)值模擬方法分析左線、右線盾構隧道施工全過程對地表沉降、樁基和橋墩變形的影響。

1 工程概況

成都地鐵9號線盾構區(qū)間隧道與既有鐵路橋的位置關系如圖1所示。

圖1 既有鐵路橋與區(qū)間隧道位置關系

盾構區(qū)間隧道左線先后穿越64#、18#、65#橋墩，距離隧道分別為9.51 m、8.68 m、8.58 m，隧頂埋深21.35～22.77 m。盾構區(qū)間隧道右線先后穿越64#、17#、63#橋墩，距離隧道分別為10.87 m、9.47 m、8.10 m，隧頂埋深20.64～22.06 m。

穿越既有鐵路橋段的地質情況由上至下依次為人工填土、細砂及卵石土，穿鐵路橋段左線隧道主要穿越地層為全斷面卵石土；右線隧道主要穿越地層為卵石土、局部為粉細砂。

2 盾構隧道下穿鐵路橋施工影響數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型的建立

采用Midas GTX/NX建立地層結構模型，模型尺寸為102 m×74 m×40 m(長×寬×高)。模型沿Y軸負方向為左線隧道開挖前進方向，左線通過既有鐵路橋之后右線沿Y軸正方向開挖右洞，X軸為平面垂直隧道開挖前進方向，Z軸為高度方向。管片和盾殼考慮為殼單元，樁基采用植入式梁單元，其他均采用三維實體單元。考慮管片的單幅寬度為1.5 m，取2倍幅寬3 m為一開挖步，左洞和右洞都為34個開挖步。模型頂面為自由面，無約束；模型底部進行固定約束；模型側面進行水平約束。整體模型及位置關系模型如圖2所示。

圖2 整體模型及位置關系模型

2.2 計算參數(shù)

結合地質勘測資料及相關規(guī)范確定結構及土體參數(shù)，如表1、表2所示。

表1 結構物理力學參數(shù)

表2 土體物理力學參數(shù)

2.3 施工過程模擬

施工階段模擬過程如下：

(1)生成地層初始應力場，激活橋墩及樁基并進行位移清零。

(2)左線開挖并進行管片支護模擬。進行左線逐環(huán)土體開挖、管片施作、掌子面土倉壓力施加的施工過程的模擬，以此類推，直至左線掘進通過既有橋梁結構，掘進通過后，開始右線由反方向掘進施工模擬，循環(huán)過程同左線，直至左線、右線貫通。

按照上面的施工步驟循環(huán)進行，共計71個施工階段。

2.4 測點布置

由于本次施工階段較多，提取整個施工階段中的九個具有代表性的施工階段進行分析，按照施工的先后順序編號1～9，其中，1是左線穿越橋墩前施工階段，2～4分別是左線施工到距離64#、18#、66#橋墩最近位置處，5是左線施工完成，右線穿越橋墩前階段，6～8則是右線分別施工到距離65#、17#、63#橋墩最近位置處，9是盾構施工完成后。首先進行左線施工，隨后進行右線施工，其掘進方向及施工階段如圖3(a)所示。為了進一步分析整個施工階段過程中橋墩及樁基位移的變化規(guī)律，分別在6個承臺距離隧道最近的節(jié)點位置布置位移測點，測點布置如圖3(b)所示。

圖3 分析階段及承臺測點示意

上述分析階段對應的施工階段編號如表3所示。

表3 分析階段對應的施工階段編號

3 計算結果分析

3.1 地表沉降

左線、右線盾構施工完成后地表沉降如圖4所示。

圖4 盾構施工引起地表沉降云圖

選取模型沿隧道縱向中部橫斷面，提取該位置地表節(jié)點的豎向位移，作出地表沉降變化曲線如圖5所示。

圖5 地表沉降變化曲線

由圖4、圖5可知：

(1)在盾構掘進的過程中，地表豎向位移主要集中在隧道上部的地層中，且隨著隧道的掘進，發(fā)生位移的區(qū)域沿掘進方向向前擴展。這主要是由于盾構在掘進的過程中，盾構機對開挖面土體擠壓，使開挖面土體移動，隧道盾構周圍的土體受到施工擾動后，從而引起地層的隆沉。

(2)當左線隧道開挖完成時，發(fā)生位移的區(qū)域沿隧道縱向貫穿整個地層區(qū)域，此時地表沉降最大值為5.72 mm，在左線掘進終點位置處；右線隧道開挖完成時，地表沉降最大值為7.4 mm，位于兩條隧道中心線處。根據鐵運[2006] 146號《鐵路線路維修規(guī)則》和相關設計要求，盾構隧道下穿期間地面最大累計沉降值不超過30 mm，最大累計隆起量不超過10 mm，地表沉降在限定控制標準范圍內。

(3)當右線完全通過橋梁時，地表出現(xiàn)了較為明顯的沉降槽，地表位移變化區(qū)域為左線、右線隧道上部一定范圍的整個地表區(qū)域，即一條粗帶狀區(qū)域。

3.2 橋墩及樁基變形

3.2.1 橋墩豎向位移

左線、右線盾構施工完成后橋墩豎向位移如圖6所示。

圖6 橋墩豎向位移云圖

提取各測點(見圖3)整個施工階段的豎向位移，并以施工階段為橫坐標，測點豎向位移為縱坐標，作出時程曲線如圖7所示。

圖7 測點豎向位移時程曲線

由圖6、圖7可知：

(1)隨著盾構的掘進，沿掘進方向橋墩逐漸產生了豎向位移，且當盾構施工接近橋墩時，相應承臺測點處沉降變化較為明顯。左線開挖時，測點6所在的63#橋墩在縱向上距離左線開挖面最近，因此最先產1.5 mm左右的沉降值。

(2)樁基礎在豎直方向上發(fā)生變形且最大位移主要出現(xiàn)在樁頂?shù)奈恢茫蠖嗑a生的是向下的位移，這說明樁頂發(fā)生了沉降。右線隧道施工后，樁基及橋墩進一步沉降，樁基礎最大豎向位移為3.78 mm，位于17#橋墩內側。

(3)根據GB 50157-2013《地鐵設計規(guī)范》規(guī)定的墩臺沉降量不超過50 mm，相鄰墩臺的差異沉降不超過20 mm。結合本工程，取差異沉降值20 mm作為墩臺沉降允許位移值。根據數(shù)值分析結果，橋墩豎向沉降在限定控制標準范圍內。

3.2.2 橋墩水平位移

左線、右線盾構施工完成后引起的橋墩水平(圖2中X方向，即垂直于隧道軸向)方向位移如圖8所示。

圖8 橋墩水平(垂直于隧道軸向)方向位移云圖

提取各測點在整個施工階段的沿X(垂直于隧道軸向)方向的水平位移，并以施工階段為橫坐標，測點沿X方向的水平位移為縱坐標，作出時程曲線如圖9所示。

圖9 測點X(垂直于隧道軸向)方向位移時程曲線

由圖8、圖9可知：

(1)隧道左線貫通時，橋墩最大水平位移值為3.5 mm，位于66#橋墩外側；右線掘進完成，橋墩最大水平位移值為5.4 mm，位于63#橋墩外側。說明盾構施工擾動土體發(fā)生位移后，橋墩下樁基礎周圍土體對樁本身產生了擠壓，使樁身及橋墩開始發(fā)生垂直于隧道軸向水平方向位移，這樣可能使樁基礎發(fā)生一定程度的剪切破壞。

(2)隨著盾構的開挖掘進，左右側橋墩均產生垂直于隧道軸向水平水平位移，方向背離隧道，且近似呈對稱分布；盾構掘進完成后，測點最大水平位移為2 mm左右，分別在測點6(63#)和測點3(66#)。

(3)測點6(63#)由于縱向上距左線起始開挖最近，因此最先產生水平位移，然后沿著盾構隧道掘進方向，依次是測點1(64#)、測點5(17#)等。

3.2.3 樁基水平位移

圖10 樁基水平(垂直于隧道軸向)方向位移

左線、右線盾構施工完成后引起的樁基水平(垂直于隧道軸向)方向位移如圖10所示。

由圖10可知：

(1)左線隧道開挖完成后樁基最大水平位移值為1.3 mm，位于63#橋墩內側的樁基頂部；右線掘進結束，樁基最大水平位移值為2.0 mm，位于63#橋墩內側的樁基頂部。由此可見，右線盾構隧道施工引起的樁基水平位移出現(xiàn)疊加現(xiàn)象。

(2)盾構施工引起樁基的最大水平位移都出現(xiàn)隧道中線附近，方向背離隧道，且距離隧道越近，水平位移越大。由于隧道開挖是卸荷過程，隧道埋深以上土體會產生沉降，隧道下方土體會產生隆起，土體豎向應力傳遞路徑被切斷，土體中主應力方向由豎直方向變成水平方向，對于隧道中心線兩側土體產生擠壓的作用，使樁基產生背離隧道方向的位移。

(3)近接樁基礎水平位移控制標準，根據JGJ 94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》樁基地面處水平位移允許值為10 mm，對于水平位移敏感的建筑物取為6 mm的規(guī)定，結合本工程特點，取單樁水平位移允許值為6 mm。根據數(shù)值分析結果根據數(shù)值分析結果，橋樁基礎豎向沉降在限定控制標準范圍內。

4 結論

利用數(shù)值模擬，分析了盾構隧道下穿既有鐵路橋施工過程地表沉降、橋墩及樁基的豎直和水平位移的變化規(guī)律，得出以下結論：

(1)盾構隧道左線、右線施工完成后，地表沉降最大值位于兩區(qū)間隧道中部。

(2)隨著盾構的掘進，沿掘進方向橋墩及樁基逐漸產生豎向位移，且距離左線開挖面最近處最先產生沉降。樁基礎在豎直方向上發(fā)生變形且最大位移主要出現(xiàn)在樁頂?shù)奈恢茫?右線開挖后，樁基及橋墩進一步沉降，樁基礎最大豎向位移為3.78mm，樁基礎豎向沉降在限定控制標準范圍內。

(3)左、右線盾構施工引起樁基的最大水平位移都出現(xiàn)隧道中線附近，方向背離隧道，且距離隧道越近，水平位移越大。右線掘進結束，樁基最大水平位移值為2.0 mm，取單樁水平位移允許值為6 mm，樁基礎水平位移在限定控制標準范圍內。

(4)通過本次數(shù)值分析表明，樁基和墩臺的最不利位置分別為位于63#橋墩內側的樁基頂部、63#橋墩外側。因此盾構施工時，應重視對掌子面土倉壓力的控制，同時加強監(jiān)控量測，以保證施工安全。