地鐵重疊隧道盾構(gòu)下穿拱橋數(shù)值分析

武保華

(西南交通大學(xué)希望學(xué)院土木工程學(xué)院，四川 成都 610400)

0 引言

隨著城市交通的發(fā)展，城市地鐵因其占用土地和空間少、運(yùn)輸能量大、運(yùn)行速度快、環(huán)境污染小、乘客安全舒適等優(yōu)點(diǎn)被多個(gè)城市采用，城市軌道交通的區(qū)間路線在城市的主要城區(qū)施工，一般采用盾構(gòu)施工的方式[1-4]。隨著城市地鐵建設(shè)的不斷深入，地鐵的區(qū)間路線在城市的老城區(qū)沿主要的交通走廊鋪設(shè)，將不可避免地與已建建筑及橋梁的基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的位置關(guān)系矛盾，如國外日本東京的四孔近距離地鐵隧道、新加坡高速公共交通系統(tǒng)中的四孔快速地鐵隧道。受交通、管線、既有建(構(gòu))筑物等客觀因素影響，為降低工程風(fēng)險(xiǎn)、減少工程投資并減小環(huán)境影響，地鐵區(qū)間隧道需要在狹窄的空間穿過，不可避免會(huì)采用重疊隧道的方案進(jìn)行穿越。在復(fù)雜城市環(huán)境下，對重疊隧道下穿既有建筑和橋梁的情況，如何保證隧道自身施工安全同時(shí)最大限度地減少對既有建筑和橋梁的影響是一個(gè)重要的研究課題。

近年來，相繼有科研人員對重疊隧道地鐵施工展開研究，肖瀟等[5]對多線疊交盾構(gòu)施工引起土體變形進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，黃俊等[6]對地鐵重疊隧道上覆地層變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，張海波等[7]以上海軌道交通明珠線二期工程浦東南路近距離疊隧道盾構(gòu)施工為研究對象，采用三維非線性有限元，對近距離疊交下后建隧道盾構(gòu)施工引起老襯砌的應(yīng)力和變形進(jìn)行模擬。

拱橋?yàn)槌o定結(jié)構(gòu)，特別是連拱拱橋，微小沉降都會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力改變，使之失穩(wěn)；而地鐵下穿拱橋的盾構(gòu)施工不可避免會(huì)導(dǎo)致拱橋橋臺(tái)的不均勻沉降，危害橋梁的正常使用和承載能力，如何分析地鐵重疊隧道盾構(gòu)施工對周圍的土體的擾動(dòng)影響，確保連拱拱橋的正常使用和盾構(gòu)的順利推進(jìn)，是盾構(gòu)隧道下穿建筑物的設(shè)計(jì)與施工中的非常關(guān)鍵的問題，文寶軍等[8]針對地鐵盾構(gòu)隧道下穿護(hù)城河拱橋的沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬并提出了相應(yīng)的控制措施。

本文結(jié)合成都地鐵重疊隧道盾構(gòu)下穿某實(shí)腹式連拱拱橋?qū)嵗?，采用MIDAS/GTS有限元對4條重疊隧道盾構(gòu)施工下穿實(shí)腹式連拱拱橋進(jìn)行數(shù)值分析，提出施工措施，為設(shè)計(jì)和施工提供參考[9]。

1 工程概況

成都市某三跨磚拱橋，橋梁采用實(shí)體墩式擴(kuò)大基礎(chǔ)形式，建成于20世紀(jì)60年代，在2004年進(jìn)行過橋面系改造。設(shè)計(jì)凈跨徑12.0 m，拱頂厚60 cm，拱腳厚度80 cm，設(shè)計(jì)荷載：汽-13級(jí)，驗(yàn)算荷載：拖-60 t，拱圈采用舊城墻磚，用100級(jí)砂漿砌筑；成都地鐵5號(hào)、6號(hào)線區(qū)間隧道穿越該拱橋及河流，5號(hào)線隧道距離該橋墩基礎(chǔ)最小凈距4.37 m～6.11 m；6號(hào)線隧道距離該橋墩基礎(chǔ)最小凈距2.98 m～3.74 m。該橋與成都地鐵5號(hào)、6號(hào)線位置關(guān)系圖見圖1。

拱橋及下穿重疊隧道的土體力學(xué)性質(zhì)及土層厚度如表1所示。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

2 盾構(gòu)施工數(shù)值模擬分析

2.1 研究方法

根據(jù)所提供的區(qū)間設(shè)計(jì)方案等資料，采用施工場地地質(zhì)勘探報(bào)告中地層分布建立計(jì)算模型，采用三維有限元數(shù)值分析方法，對盾構(gòu)區(qū)間施工下穿連拱拱橋整個(gè)施工過程進(jìn)行模擬，主要針對施工過程中對已有橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行位移沉降分析，并驗(yàn)算在隧道盾構(gòu)施工過程中拱圈應(yīng)力情況，對拱橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)，并根據(jù)拱橋的加固方案，進(jìn)行數(shù)值分析與實(shí)測數(shù)據(jù)對比。

2.2 計(jì)算模型

數(shù)值模型坐標(biāo)系：計(jì)算模型的水平X軸指向盾構(gòu)掘進(jìn)方向?yàn)檎凰結(jié)軸方向指向連拱拱橋橫斷面方向?yàn)檎?；豎直Z軸指向重力反方向?yàn)檎?/p>

計(jì)算范圍：Y軸方向：左右邊界距連拱拱橋橋臺(tái)后側(cè)40 m；X軸方向：左右邊界距連拱拱橋中軸線各64 m；Z軸方向：模型上表面取為天然地面，下表面取至距上表面50 m。模型尺寸(長×寬×高)：137 m×128 m×50 m。

模型網(wǎng)格：整個(gè)計(jì)算模型單元數(shù)為119 868個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為62 675個(gè)。圖2為整體分析三維數(shù)值模型網(wǎng)格圖；圖3為該連拱拱橋和重疊隧道三維數(shù)值模型關(guān)系網(wǎng)格圖。

2.3 計(jì)算參數(shù)

本構(gòu)模型：各巖土層采用彈塑性摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，已有橋梁基礎(chǔ)、臺(tái)身以及拱上建筑、隧道襯砌結(jié)構(gòu)等均采用線彈性材料本構(gòu)模型。

邊界條件：X軸方向前后邊界施加X方向上連桿約束；Y軸方向前后邊界施加Y方向上連桿約束；Z軸方向下表面邊界施加Z方向上連桿約束。

計(jì)算參數(shù)：土層力學(xué)參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4 控制點(diǎn)位置

為了分析重疊隧道盾構(gòu)施工對拱橋的影響，沿著里程增大方向(即隧道掘進(jìn)方向)將拱橋基礎(chǔ)分為0號(hào)臺(tái)、1號(hào)墩、2號(hào)墩和3號(hào)臺(tái)，分析墩臺(tái)基礎(chǔ)4個(gè)腳點(diǎn)的位移變形情況，變形控制點(diǎn)如圖4所示。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

1)盾構(gòu)施工6號(hào)線左線不同位置時(shí)的拱橋的基礎(chǔ)控制點(diǎn)位移。

0號(hào)臺(tái)控制點(diǎn)位移如圖5所示，1號(hào)墩控制點(diǎn)位移如圖6所示，2號(hào)墩控制點(diǎn)位移如圖7所示，3號(hào)臺(tái)控制點(diǎn)位移如圖8所示。

從圖5中可以看出：

a.0號(hào)臺(tái)在盾構(gòu)未到時(shí)，基礎(chǔ)4個(gè)控制點(diǎn)位移是向上的，呈現(xiàn)的是隆起的趨勢。

b.到達(dá)0號(hào)臺(tái)時(shí)，盾構(gòu)一側(cè)的基礎(chǔ)控制點(diǎn)3號(hào)、4號(hào)點(diǎn)位下降，隨著盾構(gòu)的向前推進(jìn)，3號(hào)、4號(hào)點(diǎn)位下降，1號(hào)、2號(hào)點(diǎn)位由于翹曲原因呈現(xiàn)向上的位移。

c.盾構(gòu)離開拱橋后，0號(hào)臺(tái)的基礎(chǔ)位移隆起最大為9.84 mm,位于0號(hào)臺(tái)左側(cè)，沉降最大為5.41 mm，位于0號(hào)臺(tái)右側(cè)。

從圖6中可以看出：

a.1號(hào)墩在盾構(gòu)未到時(shí)，基礎(chǔ)4個(gè)控制點(diǎn)位移變化不大，由于0號(hào)臺(tái)的基礎(chǔ)變位，呈現(xiàn)的是沉降的趨勢，沉降位移在1 mm之內(nèi)。

b.到達(dá)1號(hào)墩時(shí)，盾構(gòu)一側(cè)的基礎(chǔ)控制點(diǎn)3號(hào)、4號(hào)點(diǎn)位下降，隨著盾構(gòu)的向前推進(jìn)，3號(hào)、4號(hào)點(diǎn)位下降，1號(hào)、2號(hào)點(diǎn)位由于翹曲原因呈現(xiàn)向上的位移。

c.盾構(gòu)離開1號(hào)墩后，3/4號(hào)點(diǎn)位沉降明顯，到達(dá)2號(hào)墩后沉降趨緩；由于翹曲因素1/2號(hào)點(diǎn)位隆起趨勢漸緩。

d.盾構(gòu)離開拱橋后，1號(hào)墩的基礎(chǔ)位移隆起最大為3.41 mm，位于1號(hào)墩左側(cè)，沉降最大為8.75 mm，位于1號(hào)墩右側(cè)。

從圖7中可以看出：

a.2號(hào)墩在盾構(gòu)未到時(shí)，基礎(chǔ)4個(gè)控制點(diǎn)位移變化不大，由于0號(hào)臺(tái)和1號(hào)墩的基礎(chǔ)變位，呈現(xiàn)的是沉降的趨勢，沉降位移在1 mm之內(nèi)。

b.到達(dá)2號(hào)墩時(shí)，盾構(gòu)一側(cè)的基礎(chǔ)控制點(diǎn)3號(hào)、4號(hào)點(diǎn)位下降，隨著盾構(gòu)的向前推進(jìn)，3號(hào)、4號(hào)點(diǎn)位下降，1號(hào)、2號(hào)點(diǎn)位由于翹曲原因呈現(xiàn)向上的位移。

c.盾構(gòu)離開2號(hào)墩后，3/4號(hào)點(diǎn)位沉降明顯，到達(dá)3號(hào)臺(tái)后沉降趨緩；由于翹曲因素1/2號(hào)點(diǎn)位隆起趨勢漸緩。

d.盾構(gòu)離開拱橋后，2號(hào)墩的基礎(chǔ)位移隆起最大為2.94 mm，位于2號(hào)墩左側(cè)，沉降最大為7.98 mm，位于2號(hào)墩右側(cè)。

從圖8中可以看出：

a.3號(hào)臺(tái)在盾構(gòu)未到時(shí)，基礎(chǔ)4個(gè)控制點(diǎn)位移由于0號(hào)臺(tái)、1號(hào)墩和2號(hào)墩的基礎(chǔ)變位，呈現(xiàn)的是隆起的趨勢，隆起位移在7 mm之內(nèi)。

b.到達(dá)3號(hào)臺(tái)時(shí)，盾構(gòu)一側(cè)的基礎(chǔ)控制點(diǎn)3號(hào)、4號(hào)點(diǎn)位下降，隨著盾構(gòu)的向前推進(jìn)，3號(hào)、4號(hào)點(diǎn)位下降，1號(hào)、2號(hào)點(diǎn)位由于翹曲原因呈現(xiàn)向上的位移。

c.盾構(gòu)離開3號(hào)臺(tái)后，3/4號(hào)點(diǎn)位沉降明顯，離開3號(hào)臺(tái)一段距離后沉降趨緩；由于翹曲因素1/2號(hào)點(diǎn)位隆起趨勢漸緩。

d.盾構(gòu)離開拱橋后，3號(hào)臺(tái)的基礎(chǔ)位移隆起最大為8.18 mm，位于3號(hào)臺(tái)左側(cè)，沉降最大為2.24 mm，位于3號(hào)臺(tái)右側(cè)。

2)盾構(gòu)施工6號(hào)線左線不同位置時(shí)拱橋基礎(chǔ)位移評價(jià)。

綜合以上所述，6號(hào)線左線盾構(gòu)施工過程中拱橋基礎(chǔ)位移評價(jià)如表3，表4所示。

表3 盾構(gòu)不同位置時(shí)拱橋基礎(chǔ)位移評價(jià)表 mm

表4 相鄰橋梁墩臺(tái)間差異沉降 mm

3)盾構(gòu)施工6號(hào)線左線不同位置時(shí)拱橋拱圈應(yīng)力評價(jià)。

盾構(gòu)施工6號(hào)線左線不同位置時(shí)拱橋拱圈應(yīng)力結(jié)果如表5所示。

表5 盾構(gòu)施工不同位置的拱圈應(yīng)力 MPa

4)盾構(gòu)施工結(jié)果分析。

因該拱橋下穿4條地鐵線路，分別為5號(hào)線左右線和6號(hào)線左右線，并且為上下重疊布置，其中，6號(hào)線左線隧道頂部離西北橋基礎(chǔ)較近，經(jīng)過數(shù)值模擬分析，6號(hào)線左線盾構(gòu)施工過程中，0號(hào)臺(tái)和1號(hào)墩的差異沉降及2號(hào)墩和3號(hào)臺(tái)的 差異沉降不滿足要求；第一孔L/4拱圈主應(yīng)力和第三孔3L/4拱圈主應(yīng)力由于拉應(yīng)力過大，不滿足拱圈容許應(yīng)力值。

故當(dāng)4條隧道盾構(gòu)施工后，更不滿足沉降和應(yīng)力的要求，因此，需要對拱橋進(jìn)行加固處理。

4 拱橋加固數(shù)值分析及實(shí)測結(jié)果比較

4.1 拱橋加固方案

1)靠近西北橋0號(hào)橋臺(tái)和3號(hào)橋臺(tái)外側(cè)地面各打設(shè)兩排φ159×8 mm@0.4 m管棚，約束橋梁的水平位移，管棚長14.5 m，底部伸入基礎(chǔ)底2 m，管棚內(nèi)插入3根直徑20 mm鋼筋，管內(nèi)灌注水泥漿。

2)2號(hào)橋墩和3號(hào)橋墩基礎(chǔ)埋設(shè)直徑52 mm的袖閥管，以利于橋墩沉降時(shí)對中間基底進(jìn)行注漿加固，注漿管長約6.2 m～6.8 m。注漿孔南北東西向間距2 m，注漿范圍南北長度50 m(同基礎(chǔ)長)。

3)對全橋橋拱進(jìn)行鋼筋混凝土支撐。為保證支撐效果，支撐底部設(shè)置400 mm厚鋼筋混凝土支撐板，側(cè)墻設(shè)置300 mm厚，拱板設(shè)置400 mm厚。主筋保護(hù)層：迎水側(cè)為50 mm，其余為40 mm。鋼筋的連接采用焊接，焊接長度單面焊不小于10d，雙面焊不小于5d。

4.2 拱橋加固后數(shù)值分析及實(shí)測結(jié)果比較

盾構(gòu)施工過程從5號(hào)線左線開始施工，盾構(gòu)施工過橋后6 m，再施工5號(hào)線右線，然后施工6號(hào)線左線，最后施工6號(hào)線右線。

拱橋加固后，盾構(gòu)過程中控制點(diǎn)的位移和差異沉降經(jīng)數(shù)值模擬分析得到表6，表7所示結(jié)果；拱橋拱圈應(yīng)力結(jié)果如表8所示。

表6 加固后盾構(gòu)不同位置時(shí)拱橋基礎(chǔ)位移評價(jià)表 mm

表7 加固后相鄰橋梁墩臺(tái)間差異沉降 mm

表8 盾構(gòu)施工過程中拱圈應(yīng)力 MPa

加固后的拱橋在盾構(gòu)過程中對控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測，并與數(shù)值模擬進(jìn)行對比。

以0-2號(hào)控制點(diǎn)為例，基礎(chǔ)沉降變形與實(shí)測結(jié)果如圖9所示。

5 結(jié)論與建議

通過該連拱拱橋在四條地鐵隧道下穿盾構(gòu)施工的數(shù)值模擬和實(shí)測結(jié)果分析對比，得到下面的結(jié)論：

1)城市地鐵盾構(gòu)施工對連拱拱橋影響較大，應(yīng)首先進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到拱橋基礎(chǔ)的沉降規(guī)律，并確定最大變形位移，同時(shí)應(yīng)分析拱橋的應(yīng)力狀態(tài)。

2)由于拱橋受到水平推力的影響，數(shù)值模擬時(shí)應(yīng)著重考慮拱橋的邊界條件，結(jié)合巖土+結(jié)構(gòu)一體化建模方式有助于全面分析地鐵盾構(gòu)下穿拱橋的整體變化。

3)數(shù)值分析的結(jié)論應(yīng)與實(shí)測資料進(jìn)行對比分析，合理調(diào)整巖土的本構(gòu)關(guān)系，為類似地層及下穿建筑物提供工程參考。