盾構(gòu)隧道施工對既有橋梁影響及施工監(jiān)測分析

饒靖鵬,陳道政

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

盾構(gòu)施工對既有橋梁的影響是一個十分突出的問題。盾構(gòu)施工會引起既有橋梁樁基附近土體的擾動,產(chǎn)生地表沉降,從而會減小臨近橋樁的側(cè)摩阻力,進而引起橋墩的沉降和側(cè)向位移等。目前對于臨近既有橋梁的盾構(gòu)隧道施工所產(chǎn)生的影響,主要研究方法有理論分析和數(shù)值模擬分析。由于盾構(gòu)施工情況和地質(zhì)情況十分復(fù)雜,使用數(shù)值模擬的方法能較為全面和簡便地模擬盾構(gòu)施工的過程,分析由于盾構(gòu)施工所引起的既有橋梁的橋墩沉降與側(cè)向位移。

文獻[1]運用數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法,對盾構(gòu)施工穿越臨近橋樁的樁體沉降、樁體側(cè)向位移與地表沉降進行研究,證明對盾構(gòu)施工穿越臨近樁基的影響模擬是可靠的;文獻[2]采用Midas GTS/NX對實際盾構(gòu)工程進行模擬,結(jié)果表明,通過注漿加固等控制措施可以有效控制橋梁的變形;文獻[3]以盾構(gòu)區(qū)間下穿京開高速立交橋樁為例,利用FLAC3D軟件進行建模研究,計算結(jié)果表明,橋樁最大沉降量和地面沉降量與監(jiān)測結(jié)果較為吻合;文獻[4]通過有限元軟件在盾構(gòu)施工前對橋梁變形進行預(yù)測,通過優(yōu)化施工參數(shù)與實時監(jiān)測,控制盾構(gòu)隧道施工對上層橋梁的影響;文獻[5]采用數(shù)值模擬方法研究盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有建筑群的基礎(chǔ)沉降特性,并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析,揭示盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有建筑群施工中軟弱地層的擾動特性;文獻[6]研究砂卵石地層盾構(gòu)穿越多樣風險源工程施工措施,并以研究成果指導(dǎo)工程實踐,取得良好效果;文獻[7]以實際工程為背景,采用現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬、理論分析相結(jié)合的方法,研究鄭州粉土地層中盾構(gòu)隧道施工對臨近既有樁基的影響;文獻[8]采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對盾構(gòu)隧道穿越高鐵高架橋樁基礎(chǔ)的變形與受力規(guī)律進行系統(tǒng)研究;文獻[9]結(jié)合實際工程項目,運用有限元軟件Midas GTS/NX建立三維實體模型,按照實際施工情況,對盾構(gòu)隧道下穿既有高鐵橋梁樁基及普鐵路基的變形規(guī)律進行數(shù)值模擬分析;文獻[10]以杭州地鐵2號線雙線盾構(gòu)隧道下穿鳳起橋為例,通過Midas GTS/NX數(shù)值模擬軟件,模擬雙線盾構(gòu)隧道穿越鳳起橋樁基的過程,觀察橋梁沉降變化和受力情況,在盾構(gòu)隧道穿越橋梁樁基前、后,進行測點布置并監(jiān)測橋梁變形情況,與數(shù)值模擬進行對比分析。

本文以合肥市地鐵5號線北二環(huán)路站—麗水路站某區(qū)間內(nèi)側(cè)穿既有橋梁工程為例,運用Midas GTS/NX有限元軟件建立數(shù)值分析模型,模擬盾構(gòu)施工的工況,研究盾構(gòu)施工引起的既有橋梁的橋墩沉降、橋墩側(cè)向位移和地表沉降等問題。

合肥地鐵5號線北二環(huán)路站—麗水路站某區(qū)間隧道側(cè)穿既有橋梁,盾構(gòu)隧道在既有橋梁下方,埋深為24.925 m,既有橋梁兩側(cè)各30 m為影響范圍,盾構(gòu)機單線側(cè)穿長度為145 m(97環(huán)),盾構(gòu)機的掘進速度為10 m/d,左線先行施工,右線后行施工,左、右線盾構(gòu)隧道距離橋墩水平距離各為5.73 m。施工中在既有橋梁處建立監(jiān)測橋梁變化和地表變化的自動化監(jiān)測系統(tǒng),確保盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有橋梁的施工安全。在數(shù)值模擬中以該區(qū)間隧道盾構(gòu)側(cè)穿既有橋梁為工程實例,對盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁所引起的橋墩沉降、橋墩側(cè)向位移和地表沉降3個指標進行模擬分析,最后將模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比,以驗證建立數(shù)值計算模型和參數(shù)選擇的合理性、可靠性。

1 模型建立及參數(shù)選擇

本文運用Midas GTS/NX有限元軟件進行建模時,樁體采用彈性模型,樁徑為1.5 m,1號樁基群長均為43.5 m,2號、3號樁基群長均為34.5 m;盾構(gòu)機外殼外徑6.0 m,外殼厚0.15 m;隧道管片也采用彈性模型,外徑5.7 m,管片厚0.3 m;注漿層厚度0.15 m。橋墩、盾構(gòu)機外殼、襯砌管片及注漿液等模型材料及其力學性質(zhì)參數(shù)見表1所列。

表1 模型材料及其力學性質(zhì)參數(shù)

橋梁與盾構(gòu)隧道的模型及其位置關(guān)系如圖1所示,盾構(gòu)施工模型如圖2所示。

巖土體采用修正摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型,根據(jù)地層分布的特點,計算模型將巖土體從地表向下簡化為5層,即地層1～地層5。將橋梁上部荷載轉(zhuǎn)換為成橋荷載1 850 kN/m2,通過3D單元面加載到橋墩頂面上,來模擬橋梁上部荷載對橋墩的作用。巖土體模型如圖3所示,橋墩監(jiān)測點如圖4所示,地層巖土體力學性質(zhì)參數(shù)見表2所列。

圖1 橋梁橋墩與隧道模型及其位置關(guān)系

圖2 盾構(gòu)施工模型

圖3巖土體模型

圖4 橋墩監(jiān)測點分布

表2 地層巖土體力學性質(zhì)參數(shù)

2 計算結(jié)果與分析

2.1 既有橋梁橋墩沉降

在左、右線盾構(gòu)施工穿越既有橋梁時對橋墩沉降進行了全程監(jiān)測,時間從2020年6月2日至2020年7月11日(下面圖表中的日期表示為月-日)。盾構(gòu)施工穿越既有橋梁時,92D1監(jiān)測點的橋墩沉降模擬值與實測值如圖5所示,其余5個監(jiān)測點的實測值與模擬值對比見表3所列。

當左線盾構(gòu)隧道穿越既有橋梁后,橋墩監(jiān)測點的模擬沉降約為-0.08～-0.61 mm,當左、右線盾構(gòu)隧道全部側(cè)穿既有橋梁后,橋墩監(jiān)測點的模擬沉降約為-0.12～-0.69 mm,右線盾構(gòu)隧道穿越既有橋梁后橋墩的沉降值明顯大于左線隧道穿越既有橋梁后橋墩的沉降值;橋墩沉降的實測值和模擬值之間差距很小,2組數(shù)據(jù)比較吻合。

圖5 92D1監(jiān)測點模擬值與實測值時程曲線對比

表3 盾構(gòu)施工側(cè)穿既有橋梁時橋墩5個監(jiān)測點沉降實測值與模擬值對比 單位:mm

從圖5可以看出,92D1監(jiān)測點橋墩沉降的模擬值和實測值相差很小,吻合較好,數(shù)值模擬模型參數(shù)的選取能較好地模擬盾構(gòu)施工對既有橋梁橋墩沉降的影響。

2.2 既有橋梁橋墩側(cè)向位移

左、右線盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有橋梁后,橋墩的X、Y向側(cè)向位移云圖分別如圖6所示。

從圖6可以看出:當左、右線盾構(gòu)隧道全部側(cè)穿既有橋梁后,橋墩的X、Y向側(cè)向位移約為0～0.41 mm;橋墩X、Y向側(cè)向位移的分布規(guī)律差異比較大,靠近左線盾構(gòu)隧道一側(cè)的橋墩X向側(cè)向位移較大;在左、右線隧道之間的橋墩Y向側(cè)向位移較大。

分別選取在X、Y向上側(cè)向位移最大的監(jiān)測點90D1和91D1,對比其側(cè)向位移模擬值與實測值,如圖7所示。

圖6 橋墩X、Y向側(cè)向位移云圖

圖7 2個監(jiān)測點X、Y向最大側(cè)向位移模擬值與實測值對比

當左、右線盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有橋梁后,模擬值與實測值的曲線基本重合,橋墩的側(cè)向位移隨著盾構(gòu)施工的進行逐漸增加,模擬值與實測值吻合較好。

2.3 既有橋梁附近地表沉降

左、右線盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有橋梁后,既有橋梁周邊巖土體的沉降云圖分別如圖8所示。

圖8 左、右線隧道側(cè)穿后巖土體沉降云圖

從圖8可以看出:當左線隧道側(cè)穿后,橋梁附近巖土體的模擬沉降約為0～-4.30 mm;當右線隧道側(cè)穿后,橋梁附近巖土體的模擬沉降約為0～-4.41 mm;隧道側(cè)穿既有橋梁后,隧道上方巖土體的模擬沉降值大于其他部位巖土體的模擬沉降值。

左、右線盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有橋梁后,橋梁周邊地表沉降的實測值與模擬值對比見表4所列。

由表4可知,盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有橋梁后地表沉降的模擬值與實測值相差不大,8個監(jiān)測點中模擬值與實測值相差最大的是DB3-3,監(jiān)測點處沉降的相對誤差為9.52%,差距仍然不大。

通過比較既有橋梁橋墩沉降、側(cè)向位移及既有橋梁周邊土體沉降的模擬值與實測值發(fā)現(xiàn),這3個指標的模擬結(jié)果與實測結(jié)果相差不大,吻合度較高,驗證了本文數(shù)值分析模型和參數(shù)選取的可靠性,證明運用有限元數(shù)值分析方法分析盾構(gòu)隧道側(cè)穿對既有橋梁的影響是可行的。

表4 地表沉降實測值與模擬值對比 單位:mm

3 結(jié) 論

(1) 盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有橋梁橋墩的實測沉降最終累計值在-0.10～-0.70 mm之間,橋墩沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處于正常狀態(tài),施工完成后,橋墩的沉降逐漸趨于穩(wěn)定。左、右線隧道側(cè)穿既有橋梁后橋墩的沉降值明顯大于左線隧道側(cè)穿既有橋橋后橋梁的沉降值。

(2) 左、右線盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有橋梁后,橋墩的X、Y向側(cè)位移約為0～0.41 mm。靠近左線盾構(gòu)隧道一側(cè)的橋墩X向側(cè)向位移較大;在左線盾構(gòu)隧道和右線盾構(gòu)隧道之間的橋墩Y向側(cè)向位移較大。

(3) 左、右線盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有橋梁后,周圍巖土體的沉降值分別約0～-4.30 mm、0～-4.41 mm,隧道上方巖土體的沉降量大于其他部位巖土體沉降量。

本文建立的盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有橋梁的數(shù)值計算模型,針對橋墩沉降、橋墩側(cè)向位移和既有橋梁周邊土體沉降3個指標,將模擬結(jié)果與實測結(jié)果進行對比,結(jié)果表明3個指標的模擬值與實測值吻合較好,所建模型有很好的適用性,也證明了運用本文的數(shù)值計算方法可以預(yù)測類似的盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有橋梁施工引起的橋墩沉降、橋墩側(cè)向位移及周邊地表沉降的結(jié)果。