砂卵石地區(qū)盾構下穿某拱肋梁橋數(shù)值分析

沈奇

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200072）

0 引言

近年來，國內主要城市地鐵建設規(guī)模越來越大，盾構區(qū)間穿越重要建、構筑物的案例也越來越多。盾構掘進過程中，土體的卸載作用使得其周圍巖土體的初始應力場受到破壞進而產生應力重分布。巖土中應力的變化使得土體顆粒相互擠壓或移動，最終體現(xiàn)為上部建、構筑物及地面的沉降和側向位移。境內外很多專家學者前期對上述各種相似工況開展了研討、論證，并獲得了某些研究結論，但基于城市地質情況復雜多變的特點，以及不同的周邊環(huán)境，盾構下穿引起的上部建、構筑物的變形及應力變化規(guī)律也會有所不同，因此采取的加固措施也不盡相同。

文中立足于成都市某條地鐵線路中的某個區(qū)間工程，探討砂卵石地區(qū)盾構下穿城市某拱肋梁橋的加固設計，利用有限元分析軟件模擬穿越前預加固工況及盾構掘進工況，分析了在采取預加固措施條件下盾構掘進對橋梁產生的影響，為相似工程提供借鑒和指導。

1 工程概況

成都市某地鐵區(qū)間下穿一處拱肋梁橋，該橋橋臺為重力式橋臺，持力層為中密砂卵石層，橋型為單跨鋼筋混凝土中承式拱肋橋。該拱肋梁橋橋臺底埋深約12.44m。

工程場地標高為500.45～500.58m（1956成都高程系），地形地貌較為簡單，場地范圍內上覆第四系人工填土層（1-1雜填土、1-2素填土）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（2-3黏質粉土、2-5砂卵石）組成，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖（4-2強風化泥巖、4-3中風化泥巖）。盾構下穿橋臺區(qū)段掘進地層以2-5砂卵石及4-2、4-3泥巖為主。

橋梁所跨越地表河流為成都市某主要河流，該河流河床較平坦，河面寬度約50m，河水面坡降不大，低于現(xiàn)河岸地坪標高約3.0m；該河段河水流速為1m/s左右，流向由北向南，岸坡由漿砌條石砌筑。場地地表水均屬于四川西部平原岷江水系，具有較多的地表水徑流，是該地區(qū)地下水、地表水和河水之間轉化的主要方式。

根據成都地區(qū)水文資料、地下水的賦存情況，地下水存在以下幾種不同類型：一是存在于黏性土、粉土層之上填土層的上層滯水；二是存在于第四系黏性土、粉土、砂土、卵石土層的孔隙潛水；三是存在于基巖裂隙水（基巖溶孔溶隙裂隙潛水）。

（1） 上層滯水。上部滯水以透鏡體的形式分布在表面，并沉積在卵石層上方的填充層中，主要來源于降水和周邊城鄉(xiāng)居民的生活用水。水量變化大，且不穩(wěn)定。

（2） 第四系孔隙水。場地卵石層厚且分層，有較多的孔隙水，水位也較高，主要來源于大氣降水和區(qū)域地表水。孔隙水在卵石層中形成自由且貫通的水面。

（3） 基巖裂隙水。下伏基巖為白堊系灌口組泥巖，地下水主要存在于基巖裂隙中，含水量較小，但在巖層較為破碎的情況下，容易形成一個局部富水區(qū)域。根據相關水文地質資料和現(xiàn)有工程資料，滲透系數(shù)k 約為0.027～2.01m/d，平均為0.44m/d。屬弱～中等透水層?？辈炱陂g對鉆探孔進行了潛水靜止水位測量，地下水位埋深3.00～5.80m，水位年變化幅度約1～2m之間。區(qū)間卵石層滲透系數(shù)較大，水量比較豐富。

區(qū)間可采用的工法有明挖法、盾構法和礦山法。因區(qū)間線路埋深較深，若采用明挖法施工，需拆除橋梁、河流導改、交通疏解、管線改遷，工程造價較高且對周邊環(huán)境影響較大，不宜采用明挖法施工。若采用礦山法施工，需進行施工降水至隧道底板以下1m，而開挖地層為強透水卵石層且與上方河道存在水力聯(lián)系，無法實現(xiàn)上述降水目標，同時礦山法施工工期較長，對地面建構筑物的影響較大，不宜采用礦山法施工。盾構法施工能更好的適應地下水位較高、滲透系數(shù)較大的工程環(huán)境，且施工工期短、對地面建構筑物的影響較小，因此區(qū)間采用盾構法施工，與橋臺豎向距離最小約12.6m，管片外直徑為6m。

圖1 某拱肋梁橋與地鐵區(qū)間隧道位置關系

2 盾構法施工引起沉降機理

2.1 盾構法施工主要階段

盾構施工按照工序主要分為3個步驟。第1步驟為土層開挖階段，通過盾構機前端全斷面刀盤的旋轉，對開挖面上的土層進行切割；第2 步驟是管片拼裝、注漿施工階段：盾構機向前頂進某個行程量（即略大于管片寬度）后，可以進行管片的拼裝及盾尾同步注漿。此時，由于盾體向前移動，此處地層土壓力主要由盾尾到管片周邊的同步注漿壓力平衡；第3 步驟為盾尾剝離與管片階段：管片與土層之間的注漿材料逐漸固化，強度增加。

2.2 盾構法施工導致地表變形的因素

盾構法施工導致地層表面隆沉是一個復雜的工程技術問題。具體情況來說，導致地層表面隆沉有多個因素：刀盤開挖面土體產生的移動、該處地下水位的下降；土體顆粒被擠壓到盾體的尾部空間；盾構本體上下俯仰、左右擺動的變化；盾體在掘進過程中對周邊土體產生摩擦力、剪切力；掘進施工造成該處水體流失從而造成土體固結；管片在受到較大的水、土壓力作用下可能會產生的收斂變形；盾尾通過后，管片周邊地層形成或大或小的孔隙，并且沒有及時進行二次注漿作業(yè)。盾構掘進引起地層表面沉降發(fā)展的過程和不同發(fā)展階段［1］見表1。

表1 盾構法施工引起地表沉降發(fā)展階段

2.3 盾構法施工沉降曲線

盾構法施工引起的地層表面沉降表現(xiàn)出以盾構機為中心的擴散式分布。典型的地面沉降曲線如圖2所示。

圖2 盾構法施工沉降曲線

3 變形控制標準及變形測點布置

3.1 變形控制標準

在盾構隧道施工及相關輔助施工（如地基加固、跟蹤注漿等）過程中，均應對隧道結構、地層、地表、建（構）筑物及地下管線等，進行系統(tǒng)全面的監(jiān)控量測。監(jiān)控量測項目主要包括隧道結構的變形、地層變形和地表沉隆、建（構）筑物及地下管線的變形（位移）、建（構）筑物外觀觀察等。建（構）筑物沉降、變形控制標準參考標準［2，3］，并按其他相關設計規(guī)范及產權主管部門的要求執(zhí)行。

市政橋梁工程控制指包括橋梁墩臺允許沉降控制值、縱橫向相鄰橋梁墩臺間差異沉降控制值等。城市橋梁沉降控制值可參照表2取值。

表2 城市橋梁沉降控制值 mm

3.2 變形測點布置

為研究盾構施工對橋臺的影響，在南北兩側橋臺基礎底部角點布置8個變形測點，編號為0-1～0-4、1-1～1-4，分析橋臺的位移變形情況，測點布置如圖3所示。

圖3 變形測點布置

4 設計加固措施

盾構下穿該拱肋梁橋采用加固措施如下：

（1） 盾構始發(fā)前在橋臺外側采用袖閥管注漿加固，參考標準［4］，注漿漿液采用水泥漿，注漿孔在地面進行鉆孔，注漿孔間距0.6m 梅花型布置，漿液有效擴散半徑0.4m。加固體水平范圍為橋臺周邊（非臨河面）8m、豎向深度24m。

（4） 下穿區(qū)段采用增設注漿孔管片進行洞內360°二次注漿加固，注漿加固半徑為3m。

5 盾構施工數(shù)值仿真模擬分析

運用Midas/civil 和Midas/GTS 有限元計算軟件對盾構下穿該拱肋梁橋建立三維數(shù)值模型，主要分析盾構通過后由于地層的滯后沉降對橋梁的影響，并結合城市橋梁沉降控制值評估橋梁的安全性。模型尺寸153m×94m×44m（長×寬×高）。網格劃分如圖4 所示。模型邊界施加連桿約束。

圖4 整體三維數(shù)值模型網格

圖5 拱肋梁橋與地鐵盾構隧道三維數(shù)值模型關系

表3 土層物理力學參數(shù)

表4 結構材料參數(shù)

根據勘察報告顯示，該項目所處地層物理力學參數(shù)主要如下：

模型中巖土層采用彈塑性摩爾-庫倫屈服準則［5］；橋臺基礎、管片結構等均采用線彈性材料本構模型；兩個圓曲形拱肋梁、橋面下方的橫、縱梁采用梁單元，拱肋梁至橋面之間的吊桿采用桁架單元，橋面結構采用板單元。

計算荷載綜合考慮巖土體自重、地應力場、結構自重、車道荷載等，不考慮溫度和地震作用的對結構模型的影響。按照施工工序的模擬流程具體如下：

（1） 模擬整體計算模型范圍內地層的初始地應力場。

（2） 加入橋梁結構，模擬施工前整體計算模型模擬區(qū)域的應力場。

（3） 對兩側橋臺周邊土體進行袖閥管注漿加固，在橋臺后側施作1.5m@2.5m鋼筋混凝土樁，并在相鄰車站端頭處打設兩排159 超前大管棚，角度為2°，施作范圍是150°范圍內。

（4） 右線盾構掘進，管片拼裝完成后進行整環(huán)二次注漿加固，加固半徑3m。

（5） 左線盾構掘進，管片拼裝完成后進行整環(huán)二次注漿加固，加固半徑3m。

計算采用的是累加模型，即每個模擬施工工況都延續(xù)了上一個施工工況的計算結果，并累加了施工工況的計算結果［6］。最后一次施工工況結構體系和荷載的變化將影響后續(xù)模擬工況的計算結果。

圖6 模型初始應力場狀態(tài)土層應力云圖

圖7 某拱肋梁橋豎向沉降云圖

圖8 某拱肋梁橋橋臺測點位移圖

根據計算結果，整理橋臺工后沉降、縱向差異沉降與城市橋梁沉降控制值對比見表5、表6。

表5 橋臺工后沉降與控制值對比

表6 橋臺工后縱向差異沉降與控制值對比

根據以上對比表，某拱肋梁橋橋臺最大沉降值4.34mm（控制值15mm）、最大縱向差異沉降值1.41mm（控制值5mm），均小于規(guī)范要求的控制值，滿足要求。

6 結語

經過分析，得到如下主要結論：

（1） 在采取設計加固措施條件下，盾構下穿某拱肋梁橋所引起的橋臺沉降值及差異沉降值均小于城市橋梁沉降控制值。

（2） 橋臺周邊預注漿及盾構隧道二次注漿施工時應保證充填密實，施工前應通過現(xiàn)場注漿試驗驗證注漿參數(shù)。

（3） 因有限元計算模型所采用的各項參數(shù)與實際工程存在差異，計算結果無法與實際工況完全相同，建議在盾構下穿本橋梁的過程中加強監(jiān)控量測，并將監(jiān)測數(shù)據及時反饋參建各方，根據監(jiān)測情況采取相應措施，確保安全穿越。

（4） 砂卵石土地層廣泛分布于全國各大城市：北京、廣州、深圳、南寧、成都、西安、蘭州以及烏魯木齊等地。以上城市的地鐵及市政工程中，區(qū)間下穿跨河橋梁的情況很多，從安全、工期、造價等方面綜合考慮基本均采用盾構法，因此盾構區(qū)間下穿某拱肋梁數(shù)值模擬，對砂卵石地層條件下的類似工程具有普適性及一定的借鑒意義，可以用于指導方案設計和施工。