流固耦合作用下盾構(gòu)下穿高架橋穩(wěn)定性分析

甄 正， 葛忻聲*， 王菁悅， 張 軍

(1.太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 太原 030024； 2.山西交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司， 太原 030032)

城市的建設(shè)逐漸朝向更高更深發(fā)展，對(duì)比地上建筑和地下結(jié)構(gòu)，空間廣闊且方便建設(shè)的后者更受城市規(guī)劃的青睞。城市隧道的發(fā)展從初期的單線到縱橫交錯(cuò)的多線，從“一洞一線”到“一洞多線”，隧道的橫斷面也越來(lái)越大。這種發(fā)展趨勢(shì)帶來(lái)地下空間高利用率的同時(shí)，也帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)，尤其是盾構(gòu)隧道在富水地層中掘進(jìn)時(shí)，噴射渣土改良劑、開挖土體、盾尾注漿等操作，破壞了原有地層中流固耦合穩(wěn)定狀態(tài)，形成了新的耦合場(chǎng)，造成了地表隆起或沉降、鄰近地下結(jié)構(gòu)變形、管片周圍超孔隙水壓力產(chǎn)生與消散等。當(dāng)盾構(gòu)下穿富水地層上的城市高架橋時(shí)，為了防止危險(xiǎn)產(chǎn)生，必須考慮到水土流固耦合問題，并制定相應(yīng)的隔離或加固措施。

糜瑞杰等[1]、喬世杰等[2]、成煒康等[3]研究了雙線盾構(gòu)隧道施工時(shí)，對(duì)地表、高架橋橋樁及建筑物樁基變形的影響，提出了合理的加固方案；仇文革等[4]、蔣華春等[5]、于德海等[6-7]、畢景佩等[8-9]以盾構(gòu)隧道下穿橋基為背景，運(yùn)用數(shù)值分析方法，探討了盾構(gòu)隧道施工時(shí)對(duì)地表、橋樁、隧道等的變形規(guī)律；朱金涌[10]、周詩(shī)俊[11]、胡瑞青等[12]研究了盾構(gòu)隧道下穿市政橋梁課題，采用樁基托換施工方案，并進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，證實(shí)了該方案的可行性。

學(xué)者們對(duì)盾構(gòu)下穿高架橋的研究主要圍繞在不考慮流固耦合作用的小直徑盾構(gòu)施工和大直徑泥水平衡盾構(gòu)方面，對(duì)流固耦合作用下的大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工考慮較少。目前大部分城市盾構(gòu)隧道修建在地下水位以下，當(dāng)土層滲透性較大時(shí)，水土流固耦合就發(fā)揮了重要作用。水土流固耦合的誘因是水壓，水壓和土體孔隙造就了滲透作用，滲透作用在襯砌的外圍，容易造成隧道的擴(kuò)徑，影響隧道外注漿效果；同時(shí)易在襯砌上形成貫穿縫，造成隧道滲水；嚴(yán)重時(shí)候會(huì)造成開挖面涌水、涌砂，甚至坍塌。因此，以在太原富水地層中大直徑土壓平衡盾構(gòu)下穿城市高架橋?yàn)楸尘?，采用有限元?shù)值模擬分析方法，考慮水土流固耦合作用，并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)資料，研究盾構(gòu)下穿高架橋時(shí)地表和地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得出地表、橋承臺(tái)和橋樁的變形規(guī)律及隧道周圍孔隙水壓力分布規(guī)律，以期為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

太原鐵路樞紐新建西南環(huán)線采用盾構(gòu)法施工，隧道全長(zhǎng)4 850 m，埋深9～24 m，地下水位位于地面下9～18 m，在隧道上方。盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)圓礫、卵石地層分部較廣，地質(zhì)補(bǔ)勘報(bào)告揭示最大圓礫、卵石粒徑為620 mm(圓礫、卵石地層顆粒級(jí)配較差)。地層主要形成于西山泥石流堆積。隧道縱斷面設(shè)計(jì)為11‰和3‰的單面坡，最小平面曲線半徑為1 200 m。橫斷面為標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)，隧道外徑11.7 m、內(nèi)徑10.6 m。隧道襯砌選用2 m環(huán)寬、550 mm厚的雙面楔形通用環(huán)管片，采用錯(cuò)縫、螺栓M36環(huán)向、M30縱向斜螺栓拼裝，施工采用先搭接2/3環(huán)寬徑向推上、再行縱向插入的拼裝方法。隧道途經(jīng)城市主干道西中環(huán)高架橋，掘進(jìn)沿北至南方向，與高架橋的夾角為96°10′。西中環(huán)高速是太原市重要的內(nèi)環(huán)道路，車流量大，圖1為隧道下穿的西中環(huán)高架橋。

圖1 西中環(huán)高架橋

西中環(huán)高架橋的橋承臺(tái)尺寸為10.3 m×6.4 m×2.5 m，采用C35混凝土澆筑，下端有6根1 500 mm@3 900 mm灌注樁，東側(cè)橋承臺(tái)下樁長(zhǎng)50 m，西側(cè)橋承臺(tái)下樁長(zhǎng)48 m。東側(cè)橋樁距隧道12.9 m，西側(cè)橋樁距隧道14.1 m，詳細(xì)情況如圖2所示。

圖2 隧道與高架橋位置示意圖

2 施工難點(diǎn)及施工措施

2.1 施工難點(diǎn)

盾構(gòu)隧道主要在砂卵石地層中掘進(jìn)，土體粒徑級(jí)配不良，一般粒徑為20～60 mm，最大粒徑為200 mm。土層松散，顆粒之間靠摩擦咬合保持穩(wěn)定，孔隙比較大，黏結(jié)性差。當(dāng)盾構(gòu)在該地層掘進(jìn)時(shí)，開挖面處形成應(yīng)力卸荷區(qū)，周圍土體失穩(wěn)，松動(dòng)塌落。同時(shí)，切削下的渣土摩擦阻力大，刀盤需要較大的扭矩。地下水位處于隧道頂部7 m以上，掘進(jìn)時(shí)隧道內(nèi)外形成水頭差，地下水朝向隧道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，給隧道的密封帶來(lái)隱患，易引起隧道滲漏甚至涌水。土顆粒滲透系數(shù)較大，螺旋輸送機(jī)不易形成栓塞效應(yīng)，造成渣土排出效率降低。西中環(huán)高速路為雙向六車道，是城市主干道，車流量大，對(duì)下穿施工擾動(dòng)相對(duì)敏感。太原目前沒有相關(guān)大直徑土壓平衡盾構(gòu)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，處理突發(fā)問題能力有限。

2.2 施工前加固措施

盾構(gòu)下穿高架橋時(shí)采取的加固措施主要為隔離樁結(jié)合深層地層注漿。其中隔離樁采用φ800 mm@1 000 mm C30鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)置尺寸為800 mm×1 000 mm 的鋼筋混凝土冠梁，左右橫向邊界距相近橋樁8.25 m，縱向超橋承臺(tái)兩側(cè)邊界15.0 m，樁底標(biāo)高較隧道底標(biāo)高低4 m。李士中[13]對(duì)比了淺層、深層、隧道周圍注漿加固隧道，證實(shí)了隧道周圍加固土體比淺層及深層注漿加固更能減少地表沉降變化。因此，隧道周圍土體進(jìn)行深層地層注漿，漿液為水泥-水玻璃雙液漿，加固區(qū)域?yàn)闄M向邊界超過隧道兩側(cè)3 m，縱向邊界與鉆孔灌注樁縱向長(zhǎng)度一致，豎向邊界為隧道頂部5 m和底部4 m。

2.3 施工參數(shù)設(shè)定

盾構(gòu)機(jī)下穿高架橋時(shí)的施工參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 盾構(gòu)機(jī)下穿高架橋時(shí)施工參數(shù)

3 模型建立

3.1 模型假定

擬建模型的假定：①模型的實(shí)體單元遵循小應(yīng)變土體硬化模型(HSS)屈服準(zhǔn)則；②開挖過程中，土體與結(jié)構(gòu)單元的性質(zhì)和參數(shù)不發(fā)生變化，土顆粒不可壓縮；③土層簡(jiǎn)化為水平方向，每層土體各向同性；④模擬盾構(gòu)機(jī)外殼、管片及橋承臺(tái)單元取線彈性，橋樁和鉆孔灌注樁用Embedded樁模擬；⑤不考慮注漿凝固過程。

3.2 模型參數(shù)

為避免模型尺寸效應(yīng)，取模型尺寸為120 m×80 m×60 m。盾構(gòu)掘進(jìn)方向與既有高架橋的夾角為96°10′，為方便模型建立，取兩者夾角為正交，以簡(jiǎn)化計(jì)算。模型位移邊界條件為四周和底面法向位移固定，上表面自由；水力邊界條件為四周和底面不透水，上表面透水；模型情況如圖3所示。

圖3 模型透視示意圖

大量成功的基坑與隧道案例表明，土體中絕大部分區(qū)域處于小應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)，土體應(yīng)變?cè)?.01%～0.1%[14-15]。因此模型中土體本構(gòu)模型采用小應(yīng)變土體硬化本構(gòu)模型，該模型是PLAXIS 3D軟件中高級(jí)本構(gòu)模型，能很好地模擬地下工程土體開挖情況，詳細(xì)的土層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。盾構(gòu)外殼重度為17.7 kN/m3，彈性模量為2.3×104MPa；管片重度為27 kN/m3，彈性模量為3.1×104MPa。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

3.3 施工工況模擬

盾構(gòu)施工過程的動(dòng)態(tài)模擬主要分以下幾個(gè)步驟：①計(jì)算模型初始地應(yīng)力平衡；②激活橋樁、承臺(tái)、上部荷載、隔離灌注樁及隧道周圍土體加固區(qū)域；③重置上一階段的位移場(chǎng)，凍結(jié)隧道區(qū)域內(nèi)土體，激活負(fù)向界面、板單元與截面收縮率，同時(shí)激活開挖面垂直荷載；④設(shè)定代表盾構(gòu)機(jī)各環(huán)的截面收縮率，凍結(jié)負(fù)向界面、板單元與截面收縮率，激活代表盾尾一環(huán)的注漿壓力，激活代表負(fù)向管環(huán)上盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)推力；⑤凍結(jié)注漿壓力，激活負(fù)向界面，選取代表管環(huán)的單元，賦予混凝土材料，盾構(gòu)完成一環(huán)的掘進(jìn)；⑥盾構(gòu)按照上面一環(huán)的步驟繼續(xù)掘進(jìn)一環(huán)，直到完成下穿高架橋。

盾構(gòu)施工模擬時(shí)，先設(shè)定已經(jīng)完成6環(huán)管片的拼裝，再進(jìn)行掘進(jìn)，每次掘進(jìn)1環(huán)，直至完成下穿高架橋。

3.4 施工模擬選取的斷面及樁位

選取盾構(gòu)機(jī)下穿高架橋時(shí)的三個(gè)斷面進(jìn)行分析，其中斷面編號(hào)、橋承臺(tái)編號(hào)和橋樁樁號(hào)如圖4所示。

圖4 下穿高架橋時(shí)斷面及樁位示意圖

4 盾構(gòu)下穿高架橋后計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 地表位移分析

先選取斷面1(34.85 m)處地表位移為監(jiān)測(cè)對(duì)象，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至斷面1時(shí)，對(duì)比考慮流固耦合作用、未考慮流固耦合作用及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量三種情況下的地表位移變化規(guī)律，得出曲線如圖5所示。不同情況下的斷面1處地表沉降曲線總體變化趨勢(shì)相同，呈現(xiàn)“U”形變化，符合Peck公式的高斯曲線變化規(guī)律?？紤]流固耦合作用下地表最大沉降值為10.69 mm，實(shí)際測(cè)量沉降值為8.80 mm，未考慮流固耦合作用下地表沉降值為5.262 mm。最大沉降方面考慮流固耦合作用更接近實(shí)際值，且總體變化軌跡類似。根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》GB 50911—2013中規(guī)定[16]，橋面、橋臺(tái)沉降允許值為±2 mm/d，累計(jì)值為±15 mm；相鄰承臺(tái)沉降差值不超過3 mm/d，累計(jì)值不超過20 mm；盾構(gòu)法隧道地表沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值中一級(jí)工程的地表沉降值為：堅(jiān)硬-中硬土累計(jì)值為10～20 mm，中軟-軟弱土累計(jì)值為15～25 mm，變換速率為3 mm/d。實(shí)際施工監(jiān)測(cè)值滿足該規(guī)范的沉降要求，但考慮到實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的各種不利狀況，采用流固耦合分析參與盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)，更有利于隧道施工時(shí)的安全與穩(wěn)定。

圖5 不同情況下斷面1地表沉降曲線

為了研究盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對(duì)某一斷面地表位移的影響，特選取斷面1，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至斷面前6 m處、經(jīng)過斷面、離開斷面6 m處三個(gè)施工階段，得到地表沉降曲線如圖6所示。同時(shí)另選取斷面2、斷面3，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至這三個(gè)斷面時(shí)，得到不同斷面處地表沉降曲線如圖7所示。

圖7 盾構(gòu)掘進(jìn)至不同斷面時(shí)地表沉降曲線

如圖6所示，盾構(gòu)接近、到達(dá)、遠(yuǎn)離斷面1時(shí)地表最大沉降值分別為7.789、10.69、12.47 mm，后兩個(gè)施工階段的絕對(duì)增量分別為2.901、1.78 mm。說明盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，隨著逐漸開挖至斷面1處，地表沉降值不斷增大；隨著盾構(gòu)遠(yuǎn)離該斷面，該處地表沉降值增速放緩。這是因?yàn)槎軜?gòu)在砂卵石層中掘進(jìn)時(shí)，打破了土層的穩(wěn)定局面，造成了砂卵石顆粒之間松動(dòng)，開挖面周圍土體向隧道內(nèi)移動(dòng)，隧道頂部塌落范圍直接擴(kuò)展至距開挖面幾環(huán)之外。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至該斷面處，地下水在壓力水頭作用下向開挖面處滲流，缺少了地下水浮力作用，隧道頂部沉降進(jìn)一步增大，引起地表沉降增加。當(dāng)盾構(gòu)遠(yuǎn)離該斷面時(shí)，斷面下部管環(huán)拼裝完畢，同時(shí)進(jìn)行了防滲處理，該處流固耦合作用減弱，地表沉降增加減緩。

圖6 斷面1的地表沉降曲線

如圖7所示，盾構(gòu)掘進(jìn)至斷面1～斷面3時(shí)引起地表沉降的變形曲線趨勢(shì)基本一致，最大沉降值分別為10.69、9.898、9.507 mm。說明盾構(gòu)下穿高架橋橋樁時(shí)，引起開挖面上部地表沉降的最大值緩慢減小。主要原因是橋樁和承臺(tái)的存在，在一定程度上阻止了隧道周圍砂卵石顆粒向隧道內(nèi)部移動(dòng)，防止隧道上部沉降區(qū)域擴(kuò)大化。

4.2 橋承臺(tái)位移分析

盾構(gòu)下穿高架橋過程中，會(huì)引起高架橋整體穩(wěn)定性變化，因此必須對(duì)橋承臺(tái)和橋樁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由于盾構(gòu)掘進(jìn)主要影響橋承臺(tái)豎直方向位移，故本節(jié)只分析橋承臺(tái)z向上位移。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至斷面1～斷面3時(shí)，引起了橋承臺(tái)豎向位移變化，如圖8所示。

圖8 盾構(gòu)下穿斷面1～斷面3時(shí)橋承臺(tái)z方向位移云圖

如圖8所示，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至斷面1時(shí)，橋承臺(tái)最大豎向位移為1.38 mm，最小豎向位移為0.16 mm，絕對(duì)差值為1.22 mm；到達(dá)斷面2時(shí)，橋承臺(tái)最大豎向位移為1.66 mm，最小豎向位移為0.26 mm，絕對(duì)差值為1.4 mm；到達(dá)斷面3時(shí)，橋承臺(tái)最大豎向位移為2.1 mm，最小豎向位移為0.3 mm，絕對(duì)差值為1.8 mm。其中盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)橋承臺(tái)的擾動(dòng)主要集中在靠近隧道，且與掘進(jìn)方向相反的邊角處。在位移上表現(xiàn)出向隧道中軸線方向和向隧道掘進(jìn)反方向移動(dòng)的趨勢(shì)，呈現(xiàn)出B1、A2處沉降量最大，C1、D2處沉降相對(duì)較小。橋承臺(tái)A1～D1的位移量大于橋承臺(tái)A2～D2，主要是由于橋承臺(tái)A1～D1相距隧道的距離較近且埋深略低0.7 m，受到的擾動(dòng)更大。同時(shí)，可以得出最大豎向位移的增幅大于最小豎向位移的增幅，這主要是由于隧道開挖后形成臨空區(qū)域，周圍土體向隧道內(nèi)部移動(dòng)，同時(shí)，地下水也向隧道開挖面流動(dòng)，由于砂卵石層滲透系數(shù)較大，加速了流固耦合作用。所以，盾構(gòu)下穿高架橋時(shí)，要著重監(jiān)測(cè)近隧道端承臺(tái)的位移變化，同時(shí)做好防滲工作。

4.3 橋樁位移分析

由于橋樁樁長(zhǎng)較長(zhǎng)(50 m、48 m)，在豎向位移上受到的擾動(dòng)較小，經(jīng)數(shù)值模擬后知位移在-1.56～-0.54 mm變化，故在本節(jié)中不做考慮。盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)過斷面1～斷面3后，得到了橋樁和隔離樁灌注樁在x、y向的變形規(guī)律，如圖9、圖10所示。

圖9 近隧道兩排橋樁與灌注樁x方向位移圖

圖10 近隧道兩排橋樁與灌注樁y方向位移圖

如圖9所示，紅色的變形曲線代表x軸負(fù)方向，藍(lán)色的變形曲線代表x軸正方向。從圖中可知，盾構(gòu)剛進(jìn)入橋樁加固區(qū)域后，對(duì)兩側(cè)灌注樁下半段產(chǎn)生影響，靠近橋承臺(tái)A1～D1的灌注樁最大位移值為10.69 mm，另一側(cè)靠近橋承臺(tái)A2～D2的灌注樁最大位移值為8.94 mm，此時(shí)的兩側(cè)橋樁變形較?。浑S著盾構(gòu)掘進(jìn)，橋承臺(tái)附近的灌注樁逐漸產(chǎn)生變形，且灌注樁的變形逐步地從下段向灌注樁的上部延伸，已變形的灌注樁位移不斷變大，同時(shí)，橋承臺(tái)下橋樁也受到掘進(jìn)影響，表現(xiàn)出遠(yuǎn)離隧道方向的變形；在盾構(gòu)經(jīng)過橋樁的過程中，灌注樁的頂端位移偏向隧道方向，但是變形不大。其主要原因是隧道開挖后造成隧道內(nèi)部卸荷，形成內(nèi)外土壓力差，同時(shí)，地下水也在水頭差的作用下向隧道內(nèi)部滲透，引起灌注管和橋樁頂端向隧道內(nèi)部彎曲，其樁下段受土體嵌固和上端傳來(lái)的位移影響，形成了弧形位移曲線。

如圖10所示，盾構(gòu)下穿橋樁的過程中，灌注樁變形位移絕對(duì)值在2.875～4.032 mm變形，且表現(xiàn)為隧道開到某一斷面時(shí)，影響開挖面前后16 m左右范圍的灌注樁，開挖面前影響范圍逐漸從5 m縮減至3 m，開挖面后影響范圍逐漸增加。灌注樁頂端表現(xiàn)出偏向y軸負(fù)方向，且變形范圍較小，樁身下段變形較大。橋樁的整體變形較小。這說明灌注樁很好地抵抗了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中盾殼引起的側(cè)摩阻力，阻止了附加應(yīng)力和變形傳遞到橋樁。因此，灌注樁在隔離隧道和橋樁間變形發(fā)揮重要作用，盾構(gòu)掘進(jìn)主要影響橋樁x向位移。

4.4 橋樁應(yīng)力分析

由于橋承臺(tái)A1～D1更靠近隧道，特選取其下2、4、6號(hào)橋樁進(jìn)行研究，分析盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對(duì)橋樁彎矩影響，如圖11所示。

圖11 掘進(jìn)過程中2、4、6號(hào)橋樁彎矩圖

如圖11(a)所示，2號(hào)樁頂端附近-10 m范圍內(nèi)主要是負(fù)彎矩，掘進(jìn)過程中彎矩由-113.74 kN·m變成-25.77 kN·m，橋樁樁身-30～-20 m彎矩由57.98 kN·m變成-95.15 kN·m，橋樁底端主要是正彎矩，由67.47 kN·m增大到128.30 kN·m；如圖11(b)所示，4號(hào)橋樁頂端主要也是負(fù)彎矩，掘進(jìn)過程中彎矩由-71.41 kN·m變成-30.20 kN·m，橋樁樁身彎矩波動(dòng)較大，由正彎矩變成負(fù)彎矩，橋樁底端彎矩隨著遠(yuǎn)離斷面1增幅不大，由12.30 kN·m向41.68 kN·m變化；如圖11(c)所示，掘進(jìn)過程中6號(hào)橋樁底端彎矩變化趨勢(shì)基本一致，最大可達(dá)-64.37 kN·m，樁頂彎矩由負(fù)值變成正值，樁身彎矩先增大后減小。主要原因是橋樁上部嵌固到橋承臺(tái)中，橋樁端部不能自由地變形，由外力引起的彎矩較大。2號(hào)橋樁彎矩正負(fù)彎矩都是最大，其彎曲變形引起了橋承臺(tái)的變形及彎矩，抵消了一部分來(lái)自水平方向的土壓力，減少了4號(hào)橋樁和6號(hào)橋樁的彎矩。2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)橋樁身彎矩隨著接近、到達(dá)及遠(yuǎn)離三個(gè)施工階段大致上表現(xiàn)出先增大后減少的趨勢(shì)，主要原因是由于開挖到斷面1處，斷面受到盾構(gòu)支護(hù)力向前方運(yùn)動(dòng)，周圍土體受到刀盤影響向隧道周圍移動(dòng)，引起了橋樁中段彎矩增加；遠(yuǎn)離時(shí)，斷面處受盾尾間隙的影響，周圍土向隧道內(nèi)部移動(dòng)，引起了橋樁中段彎矩減少。盾構(gòu)下穿高架橋時(shí)，注意加強(qiáng)對(duì)橋樁樁頂?shù)谋Ｗo(hù)，并快速通過，減少對(duì)橋樁彎矩的影響。

4.5 隧道周圍孔隙水壓力分析

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于隧道開挖、盾構(gòu)刀盤推力及同步注漿的作用，引起隧道周圍孔隙水壓力變化，直接影響到隧道管片結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性?？紤]到文章篇幅限制，選取斷面1處的孔隙水壓力變化進(jìn)行研究，未考慮流固耦合時(shí)孔隙水壓力主要靠地下水位高低來(lái)定孔隙水壓力大小，故孔隙水壓力云圖各孔隙水壓力等值線是水平的。因此，分析高架橋加固與未加固狀態(tài)下盾構(gòu)掘進(jìn)過程中接近、到達(dá)、遠(yuǎn)離該斷面時(shí)孔隙水壓力變化，更能得出影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素。盾構(gòu)經(jīng)過斷面1前后孔隙水壓力變化如圖12～圖14所示。

深藍(lán)色粗曲線為地下水位線

深藍(lán)色粗曲線為地下水位線

深藍(lán)色粗曲線為地下水位線

如圖12所示，考慮流固耦合作用下，盾構(gòu)接近斷面1處時(shí)，加固后與未加固，孔隙水壓力云圖呈層狀分布，隧道頂部都表現(xiàn)出了孔隙水壓力等值線向隧道內(nèi)部偏折，加固后的隧道孔隙水壓力值較大，頂部為-25 kPa，底部為-125 kPa；未加固的隧道頂部與底部孔隙水壓力均小于該值。其主要原因是加固后的隧道周圍是深層注漿區(qū)域，這部分區(qū)域的滲透率變得遠(yuǎn)小于原土層滲透率，當(dāng)盾構(gòu)接近斷面1處時(shí)，地下水在壓力水頭作用下，向開挖面處流動(dòng)，但距離開挖面較遠(yuǎn)，受到土體顆粒的阻隔，孔隙水壓力消散較少。而未加固時(shí)，地下水快速地向隧道開挖面處涌動(dòng)，孔隙水壓力消散較大。

如圖13、圖14所示，盾構(gòu)到達(dá)斷面1處時(shí)，加固后隧道頂部孔隙水壓力等值線斷開，其他位置孔隙水壓力等值線基本水平。其主要原因是高架橋加固后，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至斷面1處時(shí)，本來(lái)松動(dòng)的開挖面受到擾動(dòng)后出現(xiàn)部分塌落，地下水涌入隧道開挖面，造成隧道頂部孔隙水壓力降低。而隧道兩側(cè)有盾殼支撐，減弱了流固耦合作用，當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)斷面1處時(shí)，隧道上部?jī)蓚?cè)的孔隙水壓力等值線表現(xiàn)出稍微向下層土體偏折。隨著盾構(gòu)遠(yuǎn)離斷面1處，斷面1處管片拼裝完成，地下水與土體的流固耦合作用趨于平衡狀態(tài)，孔隙水壓力等值線呈現(xiàn)水平層狀。未加固時(shí)，隧道頂部孔隙水壓力基本維持在-25 kPa，而隧道兩腰和底部明顯減小，變成-50 kPa，孔隙水壓力等值線出現(xiàn)較大幅度向隧道底部偏折。主要原因是盾構(gòu)管片拼裝完成，管片滲透性小，地下水只能繞過隧道平衡水壓力。

隧道周圍孔隙水壓力分析后得知，地下水與土體間的流固耦合作用能影響隧道的安全與穩(wěn)定，采用提前深層地層注漿加固隧道周圍土體，能有效地降低隧道周圍土體流固耦合作用，防止隧道內(nèi)部發(fā)生大規(guī)模涌水。同時(shí)，提高隧道頂部和底部管片的防滲等級(jí)，并檢查管片拼裝效果與滲漏情況。

5 結(jié)論

依托太原鐵路樞紐新建西南環(huán)線盾構(gòu)隧道工程，考慮水土流固耦合作用，采用有限元數(shù)值模擬方法和實(shí)際監(jiān)測(cè)資料，研究了盾構(gòu)隧道下穿城市高架橋時(shí)地表和地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論。

(1)富水地區(qū)中盾構(gòu)下穿高架橋時(shí)，采用隔離樁結(jié)合深層地層注漿的預(yù)加固措施能有效地控制地表、橋承臺(tái)、橋樁變形，同時(shí)，考慮流固耦合作用的數(shù)值模擬結(jié)果更接近實(shí)際監(jiān)測(cè)情況，證實(shí)了用有限元數(shù)值模擬進(jìn)行盾構(gòu)下穿高架橋穩(wěn)定性分析的可靠性。

(2)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中接近、到達(dá)、遠(yuǎn)離某一斷面時(shí)引起地表沉降值增幅逐漸減緩，達(dá)到三個(gè)斷面時(shí)地表沉降變形規(guī)律基本一致，且所有施工階段引起的地表變形規(guī)律符合Peck經(jīng)驗(yàn)公式。

(3)盾構(gòu)施工主要影響橋承臺(tái)近隧道處邊角，其位移向隧道中軸線方向和掘進(jìn)反方向移動(dòng)的趨勢(shì)，且橋承臺(tái)離隧道越近受到的影響越大。橋樁受盾構(gòu)掘進(jìn)影響的主要位移變形與隧道掘進(jìn)方向垂直。灌注樁起到隔離隧道與橋樁水平土壓力作用，能很好地控制橋樁變形。

(4)橋樁頂部受到的彎矩較大，在盾構(gòu)施工過程中要密切監(jiān)測(cè)，防止彎矩過大引起橋承臺(tái)的變形。橋樁樁身彎矩隨著盾構(gòu)接近、到達(dá)及遠(yuǎn)離三個(gè)施工階段大致上表現(xiàn)出先增大后減少的趨勢(shì)。為減少施工中對(duì)橋樁附加彎矩的影響，下穿過程中盾構(gòu)應(yīng)快速通過。

(5)考慮流固耦合作用后，高架橋加固后與未加固兩種狀態(tài)，隧道頂部都表現(xiàn)出了孔隙水壓力等值線向隧道內(nèi)部偏折，加固后的隧道周圍孔隙水壓力遠(yuǎn)大于未加固的隧道周圍孔隙水壓力。施工前采用深層地層注漿加固隧道周圍土體，能有效地降低隧道周圍土體流固耦合作用。管片防滲的好壞直接影響著隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。