不同開挖工法隧道下穿高架橋影響分析

勞志偉

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

城市地鐵隧道的建設(shè)常出現(xiàn)下穿房屋、道路和高架橋的情況，隧道穿越過程中如何保證地上結(jié)構(gòu)物及道路的安全是工程的重難點，嚴(yán)重情況會導(dǎo)致房屋倒塌、路面塌陷、橋樁傾斜等事故，所以在隧道修建前應(yīng)進行施工影響性分析。姜漢濤[1]建立二維模型分析了暗挖隧道下穿機場高架橋?qū)痘挠绊?；布亞芳等[2]通過MIDAS軟件分析了盾構(gòu)側(cè)穿高架橋?qū)驑蹲冃蔚挠绊憽Ｅ砝さ萚3]分析了不同加固方案盾構(gòu)下穿橋梁對地表沉降和樁基變位的影響。

1 工程概況

某地鐵車站與換乘節(jié)點在站臺層采用隧道連接，隧道需滿足地鐵車輛及乘客通行的需求。該隧道正交穿越上方繁忙的城市道路和高架橋，下穿距離為40m，隧道覆土厚度為9m，高架橋基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，樁徑1.5m，樁長19m，位于左右線隧道中間及兩側(cè)。開挖隧道對土體造成擾動會導(dǎo)致地表及高架橋樁基發(fā)生沉降和傾斜，變形過大將危及路面行人及車輛的安全，造成巨大損失和社會影響。本文將通過數(shù)值模擬對比分析采用四部CRD法和盾構(gòu)法開挖隧道對地表和高架橋樁基的變形影響。

2 建立模型

2.1 計算模型建立

使用有限元軟件FLAC3D建立2種不同工法開挖隧道的模型，土體和結(jié)構(gòu)采用實體模型，模型的尺寸為100m×41m×50m，隧道與橋樁位置見圖1。

圖1 隧道與橋樁位置關(guān)系

采用四部CRD法開挖的隧道寬12.2m，高9.9m，左右線隧道與中間樁基凈距分別為2.7m和2.9m，兩側(cè)樁基與隧道最小凈距4.8m，樁基底部在隧道下方1.2m。盾構(gòu)法施工的隧道外徑10.2m，管片厚0.35m，環(huán)寬1.2m，注漿加固通過提高周圍土體參數(shù)實現(xiàn)，取等代層厚度為13.5cm，中間樁基距左右線隧道分別為3.7m和3.9m，兩側(cè)樁基距隧道5.8m。

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，開挖范圍內(nèi)土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)表

高架橋樁基為C30鋼筋混凝土，上部結(jié)構(gòu)按等效荷載1 708kPa加載到樁頂，四部CRD法開挖隧道的初支采用C30鋼筋混凝土，盾構(gòu)管片為C50鋼筋混凝土，盾構(gòu)注漿加固層即等代層的參數(shù)介于土和水泥之間，各結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表

2.3 開挖步驟

四部CRD法施工先開挖隧道左上部，左下部滯后5m開挖，右上部滯后左上部15m開挖，右下部滯后右上部5m開挖，每部開挖完及時施作初支和臨時支護，左線隧道初支施作完后開挖右線隧道。

盾構(gòu)法施工先開挖左線隧道，根據(jù)地層參數(shù)計算盾構(gòu)頂推力為0.16MPa，每步開挖一環(huán)，注漿加固滯后開挖面3環(huán)。

3 計算結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

在模型中部取垂直于隧道軸線的地表沉降值進行分析，地表沉降曲線如圖2所示。

圖2 不同工法開挖隧道地表沉降曲線

從圖2中可以看出2種工法開挖完隧道后最大地表沉降都發(fā)生在兩隧道的中間位置，說明左、右線隧道開挖對上方土體的影響區(qū)發(fā)生了重疊。采用四部CRD法開挖隧道地表最大沉降值為5.4mm，沉降槽寬度約為72m，采用盾構(gòu)法開挖隧道地表最大沉降值為7.9mm，沉降槽寬度約為80m，說明四部CRD法開挖隧道對上方土體的擾動較盾構(gòu)法小，但都在施工控制值24mm以內(nèi)。

3.2 樁基沉降分析

左右線隧道貫通后，樁基最大沉降發(fā)生在左右線隧道中間，隧道兩側(cè)樁基沉降較小，各樁基沉降值如圖3所示。

圖3 不同工法開挖隧道樁基沉降值

采用盾構(gòu)法比四部CRD法開挖造成的中間樁基沉降大1.4mm，2種工法開挖對樁基的沉降影響在施工控制值15mm以內(nèi)。施工要求相鄰樁基的差異沉降小于5mm，采用四部CRD法開挖時中間樁基與兩側(cè)樁基沉降值差異最大為4.2mm，盾構(gòu)法開挖時中間樁基與兩側(cè)樁基沉降值差異最大為4.9mm，2種工法均滿足要求，四部CRD法比盾構(gòu)法樁基沉降差異值小0.7mm。

3.3 樁身變形分析

左右線隧道貫通后，位于兩隧道中間的樁基橫向變形較小，位于兩側(cè)的樁基由于靠近隧道一側(cè)的土體向隧道移動，樁身發(fā)生較大撓曲。2種工法開挖隧道樁身變形曲線如圖4所示。

圖4 不同工法開挖隧道樁身變形曲線

從圖4中可以看出，隧道開挖后樁身中上部橫向變形較大，樁底位移最小，是因為樁底嵌入到強度較高的基巖中，橫向變形受到約束。采用四部CRD法施工時樁身最大橫向位移發(fā)生在樁基中部，是由于樁頂受到豎向荷載的約束，處于小偏心受壓狀態(tài)。采用盾構(gòu)法施工時由于土體向隧道內(nèi)部發(fā)生較大位移，樁頂受壓偏心距較大，導(dǎo)致樁身最大位移發(fā)生在樁頂。施工要求樁身傾斜值控制在0.2%H內(nèi)，即38mm，2種工法分別為3.15mm和3.26mm，均滿足要求。

4 結(jié)束語

(1)對比分析2種工法開挖隧道后的地表沉降、樁基沉降及樁身變形，得出采用四部CRD法開挖隧道造成的影響要小于盾構(gòu)法。

(2)使用盾構(gòu)法施工時需要專門制作大直徑盾構(gòu)機，費用比較高昂，采用四部CRD法施工雖然工序復(fù)雜，但無需專門制作大型機械，成本較低。

(3)隧道施工前應(yīng)該對樁基周圍土體進行加固。采用四部CRD法施工時應(yīng)加強超前支護及初期支護的質(zhì)量，避免使用爆破法開挖，并加強監(jiān)控量測。