超大直徑盾構(gòu)下穿河流橋段影響研究

姚曉勵(lì) 劉飛 張偉

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

引言

伴隨著城市建設(shè)飛速發(fā)展，地上可利用空間日益縮減。盾構(gòu)法隧道由于對(duì)地面交通影響較小，施工過程中噪音和擾動(dòng)較小等優(yōu)點(diǎn)，已成為解決城市核心區(qū)交通擁堵的主要途徑。由于隧道選線受多方因素，有時(shí)不可避免需穿越河流橋段。隧道掘進(jìn)將對(duì)河流地層造成擾動(dòng)，進(jìn)一步使得地層、橋梁基礎(chǔ)以及其他市政建構(gòu)筑物的變形和應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而影響河流橋段建構(gòu)筑物的安全運(yùn)營。

陳孝瓊［1］基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析了地鐵盾構(gòu)隧道下穿河流時(shí)，覆土深度以及掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地層變形的影響。白楊［2］結(jié)合鄭州地鐵5 號(hào)線工程實(shí)例，分析了盾構(gòu)在富水砂層中下穿河流的沉降原因，并提出了相關(guān)措施。郭濤［3］提出了盾構(gòu)隧道在穿越江河時(shí)覆土層最小埋深的改進(jìn)計(jì)算方法，考慮了隧道掘進(jìn)過程中，土體自身剪切作用對(duì)抗浮的貢獻(xiàn)。易小明［4］通過地層變形實(shí)測(cè)與三維流固耦合數(shù)值模擬分析了地下水作用和地層變形的機(jī)制，說明圍巖、地下水與施工控制是海底隧道的核心要素。晏勝榮［5］分析了大直徑土壓平衡盾構(gòu)下穿河流的施工風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并提出相應(yīng)控制措施。吳世明［6］分析了水底盾構(gòu)隧道下穿堤防時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)源，并提出了合理可行的風(fēng)險(xiǎn)控制及處理措施。彭坤［7］建立三維數(shù)值計(jì)算模型，模擬了盾構(gòu)下穿立交橋梁樁基的過程，對(duì)地面沉降以及樁基的變形進(jìn)行了分析。鄭熹光［8］采用數(shù)值分析方法研究了盾構(gòu)隧道對(duì)鄰近橋梁樁基的變形和應(yīng)力影響。郭玉海［9］通過數(shù)值模擬建立了盾構(gòu)下穿高架橋的計(jì)算模型，并通過室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出適用于盾構(gòu)下穿高架橋的掘進(jìn)參數(shù)。對(duì)于超大直徑泥水平衡盾構(gòu)下穿包含河流、箱涵及橋梁的復(fù)雜河流橋段時(shí)所引起的變形及應(yīng)力研究較少。

1 工程概況

該工程為城市公路隧道，上下雙向4 車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為60km。隧道采用直徑15.8m 的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行修建。管片外徑為15.2m，內(nèi)徑13.9m，環(huán)寬2m，采用7 ＋2 ＋1 分塊形式，錯(cuò)縫拼裝。

盾構(gòu)隧道下穿河流、既有箱涵以及橋梁橋樁。河流寬約45m，河底標(biāo)高－1.86m，距離盾構(gòu)頂約22.5m ～23.5m。既有箱涵底部深約8m范圍內(nèi)采用攪拌樁加固，樁底標(biāo)高為－10.88m，距離盾構(gòu)頂約13m。斜穿橋梁橋樁處隧道覆土約29m，直接下穿的橋樁有20 根，近距側(cè)穿有8根，樁徑均為1.2m，最不利位置處橋樁至盾構(gòu)結(jié)構(gòu)頂距離為3.8m。

既有建筑物與盾構(gòu)隧道的平面位置關(guān)系如圖1 所示。盾構(gòu)隧道與既有箱涵的豎向位置關(guān)系如圖2 所示。盾構(gòu)隧道與橋梁部分樁基礎(chǔ)的豎向位置關(guān)系如圖3 所示。

圖1 隧道與河流橋墩平面位置關(guān)系圖Fig.1 The relationship of plane position between shield and river bridge

圖2 Ⅰ-Ⅰ剖面隧道與既有箱涵豎向關(guān)系圖（單位： m）Fig.2 Profile of the relationship between shield and existing box culvert（unit：m）

圖3 Ⅱ-Ⅱ剖面隧道與橋梁橋樁豎向關(guān)系圖（單位： m）Fig.3 Profile of the relationship between shield and bridge pile foundation（unit：m）

根據(jù)地勘結(jié)果，該段場(chǎng)地地層自上而下主要為素填土、細(xì)粉砂①、淤泥質(zhì)黏土、粉細(xì)砂②、硬塑狀殘積土、硬塑狀殘積土、全風(fēng)化變質(zhì)砂巖和強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖。

2 數(shù)值分析

2.1 模型簡(jiǎn)介

根據(jù)隧道與河流、橋梁以及箱涵之間的相互位置關(guān)系，結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)條件，利用Midas GTS NX建立了該段影響區(qū)域的三維有限元模型。其中盾構(gòu)隧道共下穿兩個(gè)橋臺(tái)和兩個(gè)橋墩的樁基礎(chǔ)，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，只建立下穿影響范圍最大的西側(cè)橋臺(tái)和橋墩樁基礎(chǔ)和承臺(tái)，忽略橋梁上部結(jié)構(gòu)。所建模型如圖4a所示。各建構(gòu)筑物相對(duì)位置關(guān)系見圖4b。為避免邊界效應(yīng)的影響，模型中地層的左右邊界取的都是隧道邊線加3.5 倍的開挖直徑，下邊界為隧道邊線加2 倍開挖直徑，上邊界是河床面，縱向前后邊界均取距離既有結(jié)構(gòu)邊線約40m。故模型尺寸為x×y×z＝120m×100m×80m，除地層頂面（河床面）與橋樁承臺(tái)頂面為荷載邊界條件外，其余均為位移邊界。地層底面施加固定約束，其余四個(gè)側(cè)面均施加法向位移約束。

圖4 建筑區(qū)域模型及網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Building model and mesh diagram

2.2 材料參數(shù)設(shè)定

土體采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則滿足Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。隧道襯砌為C60 混凝土預(yù)制管片，橋樁基礎(chǔ)和截流箱涵均為C30 混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土、盾殼鋼材和注漿體材料均采用彈性本構(gòu)模型。地層、箱涵以及注漿體均采用實(shí)體單元模擬，橋樁采用梁?jiǎn)卧⑴c地層間建立接觸單元，橋臺(tái)與橋墩承臺(tái)、管片以及盾殼均采用殼單元模擬。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，模型將箱涵底部水泥攪拌樁處土層參數(shù)（黏聚力、內(nèi)摩擦角）提高20%以模擬水泥攪拌樁。模型所用各材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。各種材料參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告和同地區(qū)已有類似研究文獻(xiàn)選取。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Physical and mechanical parameters of materials

2.3 施工參數(shù)模擬

1.盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

掌子面掘進(jìn)推力P根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：K0為靜止土壓力系數(shù)，取0.5；γ′是土的有效重度；H為隧道拱頂上覆土厚度（m）；pw為水壓力；20kPa為波動(dòng)壓力。

考慮盾構(gòu)掘進(jìn)過程中進(jìn)漿比重為1.2t／m3，故掌子面壓力梯度為12kPa。盾尾注漿壓力視作掌子面支護(hù)力的1.2 倍。計(jì)算得：掌子面掘進(jìn)推力約為470kPa，盾尾注漿壓力為564kPa。

2. 結(jié)構(gòu)荷載參數(shù)

水壓力按河流設(shè)計(jì)水位自動(dòng)計(jì)算?？紤]橋梁上部結(jié)構(gòu)傳遞給橋梁基礎(chǔ)的荷載，經(jīng)計(jì)算取橋臺(tái)和橋墩的樁基礎(chǔ)承臺(tái)荷載分別為21.48kPa 和86.81kPa，同時(shí)施加自重荷載。

3.土體損失

由于地質(zhì)條件不同，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中所引起的地層損失率不同，數(shù)值分析控制在0.1%到0.3%之間。其中，巖性較好的地層中的地層損失率較低。此模型中考慮盾構(gòu)隧道穿越強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖，巖性較差，因此地層損失率可取0.3%。

2.4 掘進(jìn)過程模擬

通過鈍化開挖區(qū)土體和激活支護(hù)單元的方式模擬盾構(gòu)掘進(jìn)的開挖與支護(hù)。以每一環(huán)作為一個(gè)施工步驟，共50 環(huán)，管片寬度為2m。具體施工步驟見表2。

表2 數(shù)值模擬主要施工步驟Tab.2 Construction steps of numerical simulation

3 模擬結(jié)果分析

3.1 地表沉降

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)通過河流且地層變形趨于穩(wěn)定后，沉降云圖如圖5 所示。由圖可知，隧道掘進(jìn)通過后的土層沉降具有明顯的三維特征。隧道上方土體產(chǎn)生不同程度的沉降，隧道下方土體由于土體的開挖卸荷而產(chǎn)生回彈變形。并且土體的豎向變形隨著距隧道軸線距離不同和沿隧道軸線方向的位置不同也有所變化。

圖5 整體沉降云圖（單位： m）Fig.5 Deformation nephogram（unit：m）

盾構(gòu)隧道軸線正上方地表的最終沉降曲線如圖6 所示，從圖中可以看出：樁基區(qū)域地表最終沉降要大于其余區(qū)域地表沉降，表示盾構(gòu)穿越過程中橋梁樁基礎(chǔ)對(duì)地表沉降具有一定的影響。且橋臺(tái)樁基礎(chǔ)位置處的地表沉降較橋墩樁基礎(chǔ)處的地表沉降大，兩處最終沉降值分別為8.30mm和5.70mm。

圖6 隧道軸線正上方地表最終沉降Fig.6 Surface settlement above the tunnel axis

圖7所示為橋臺(tái)樁基位置處橫斷面（圖5 中Ⅲ-Ⅲ剖面）地表的最終沉降曲線。曲線顯示地表最終沉降最大值發(fā)生在隧道軸線正上方，隨著距隧道軸線距離增大，沉降逐漸減小。沉降影響范圍為隧道軸線左右兩側(cè)各約20m，共40m（2.5 倍盾構(gòu)直徑）。

圖7 橋臺(tái)樁基位置橫截面地表最終沉降Fig.7 Surface settlement at the cross section of abutment pile foundation

3.2 橋梁樁基分析

1.橋梁樁基應(yīng)力分析

圖8所示為橋樁基礎(chǔ)最終應(yīng)力云圖，從云圖中可以看到樁基礎(chǔ)最大壓應(yīng)力發(fā)生在墩3 承臺(tái)基礎(chǔ)中部，最大壓應(yīng)力值為8.57MPa。

圖8 樁基礎(chǔ)最終應(yīng)力云圖（單位： kPa）Fig.8 Stress nephogram of pile foundation（unit：kPa）

圖9所示則為樁基礎(chǔ)最大壓應(yīng)力所在位置附近節(jié)點(diǎn)所受壓應(yīng)力在施工過程中的變化曲線，曲線顯示初始樁基所受壓應(yīng)力比較穩(wěn)定，當(dāng)盾構(gòu)隧道下穿至其下方時(shí)，壓應(yīng)力開始增大，通過后則漸漸趨于穩(wěn)定。

圖9 樁基最大壓應(yīng)力隨施工過程變化曲線Fig.9 Variation of maximum compressive stress of pile foundation with construction process

2.橋梁樁基豎向位移分析

盾構(gòu)掘進(jìn)通過后的橋梁樁基礎(chǔ)最終沉降云圖如圖10 所示。以每個(gè)橋梁樁基承臺(tái)四個(gè)角點(diǎn)的豎向位移平均值作為相應(yīng)承臺(tái)的沉降值，得到各承臺(tái)的沉降值隨施工變化曲線，如圖11 所示。

圖10 橋梁樁基礎(chǔ)最終沉降云圖（單位： m）Fig.10 Settlement nephogram of bridge pile foundation（unit：m）

從圖7和圖10 中可以看處：盾構(gòu)下穿過程中橋梁樁基承臺(tái)會(huì)發(fā)生豎向位移。結(jié)合圖1 可知最大沉降發(fā)生在隧道軸線上方，且隨著距隧道軸線距離增加而逐漸減小。臺(tái)1 ～臺(tái)4以及墩1的豎向位移都是隨著盾構(gòu)的推進(jìn)先期有略微的向上隆起，隨后又發(fā)生沉降，最終又會(huì)有略微的向上隆起。該過程中最大沉降發(fā)生在臺(tái)2，其值為7.34mm，而墩2 ～墩4 在施工過程中始終都是向上隆起，最大隆起發(fā)生在墩4 上，其隆起值為1.67mm。

3.橋梁樁基水平位移分析

同樣，以承臺(tái)四個(gè)角點(diǎn)的水平位移表示相應(yīng)承臺(tái)的水平位移，并計(jì)算得到各承臺(tái)的總水平位移，如圖12 為各承臺(tái)總水平位移值隨施工過程的變化曲線。從圖12 中可以看出施工過程中最大水平位移發(fā)生在臺(tái)4 上，其值為2.31mm。

圖12 橋梁樁基承臺(tái)水平位移隨施工過程變化曲線Fig.12 Variation of horizontal displacement of bearing platform of bridge pile foundation with construction process

3.3 箱涵分析

1.箱涵應(yīng)力分析

圖13所示為箱涵最終應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看到盾構(gòu)下穿過程中箱涵所受最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在最北端截面上部，其壓應(yīng)力值為2.52MPa。

圖13 箱涵最終應(yīng)力分布云圖（單位： kPa）Fig.13 Stress nephogram of box culvert（unit：kPa）

2.箱涵位移分析

如圖14 和圖15 所示分別為箱涵最終沉降和最終總位移云圖，云圖顯示箱涵最大沉降和總位移均發(fā)生在箱涵中部，最大沉降量和總位移分別為5.55mm和5.91mm。從圖15 中還可看出箱涵兩端略有隆起，最終隆起值為3.38mm，由此可以計(jì)算得到箱涵的傾斜率為0.15‰。圖16 為箱涵最大位移隨施工過程的的變化曲線，給出了各個(gè)階段箱涵的最大位移。

圖14 箱涵最終沉降云圖（單位： m）Fig.14 Settlement nephogram of box culvert（unit：m）

圖15 箱涵最終總位移云圖（單位： m）Fig.15 Displacement nephogram of box culvert（unit：m）

圖16 箱涵最大位移隨施工過程變化曲線Fig.16 Variation of maximum displacement of box culvert with construction process

5 結(jié)語

本文依托于某大直徑泥水平衡盾構(gòu)下穿河流橋段工程，通過建立地層-隧道-建／構(gòu)筑物三維有限元模型，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表、橋梁樁基以及箱涵的位移影響，同時(shí)對(duì)橋梁樁基和箱涵的應(yīng)力進(jìn)行了分析研究，得到以下結(jié)論：

1.施工引起地層最大沉降點(diǎn)分布在隧道拱頂，最大沉降值約為17.0mm；地表最大沉降發(fā)生在橋臺(tái)樁基礎(chǔ)所在位置河床面，最大沉降值約為8.30mm。

2.隧道下穿過程中樁基礎(chǔ)最大壓應(yīng)力逐漸增大至盾構(gòu)通過，最大壓應(yīng)力值為8.57MPa，發(fā)生在墩3 承臺(tái)基礎(chǔ)中部；橋梁基礎(chǔ)承臺(tái)最大沉降發(fā)生在盾構(gòu)軸線上方，位于臺(tái)2，其值為7.34mm，最大隆起發(fā)生在墩4 上，其隆起值為1.67mm。橋梁基礎(chǔ)承臺(tái)最大水平位移發(fā)生在臺(tái)4 上，其值為2.31mm。

3.施工引起的箱涵所受最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在最北端截面上部，其壓應(yīng)力值為2.52MPa；箱涵最大沉降和最大總位移均發(fā)生在箱涵中部，最大沉降量和總位移分別為5.55mm 和5.91mm。箱涵兩端略有隆起，最終隆起值為3.38mm，由此可以計(jì)算得到箱涵的傾斜率為0.15‰。［1］ 陳孝瓊.盾構(gòu)隧道下穿河流引起的地層變形規(guī)律研究［D］.北京交通大學(xué)，2018