地鐵盾構(gòu)隧道穿越跨河橋施工流固耦合分析

馬 靜

(北京市市政專業(yè)設(shè)計院股份公司 北京 100037 )

0 引言

地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)過程中,不可避免地需要穿越各種橋梁位置,稍有不慎將直接威脅橋梁的正常運(yùn)營。有學(xué)者對該問題進(jìn)行了研究,為地鐵盾構(gòu)隧道施工過程中,既有橋梁的保護(hù)提供大量的有益經(jīng)驗。王根等[1]研究地鐵隧道近距離穿越施工對既有市政橋梁結(jié)構(gòu)變形的影響;蘇寶[2]分析盾構(gòu)施工參數(shù)對地鐵穿越公路橋梁樁基的影響;李世仲[3]、高玉春等[4]、姚建石[5]均對地鐵盾構(gòu)隧道穿越橋梁施工過程中的變形控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

現(xiàn)有研究成果集中于盾構(gòu)隧道穿越高架橋、立交橋、天橋等,也有學(xué)者分析了盾構(gòu)隧道穿越跨河橋施工產(chǎn)生的影響[6-7],但其研究方法較少考慮盾構(gòu)隧道施工過程中的應(yīng)力—滲流耦合作用。

現(xiàn)以長春某工程為例,在對橋梁現(xiàn)狀進(jìn)行檢測的基礎(chǔ)上,深入分析了應(yīng)力場和滲流場耦合作用下地鐵盾構(gòu)隧道穿越跨河橋施工過程中,跨河橋結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)特征。

1 工程概況

1.1 工程簡介

長春地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道擬穿越永春河橋施工,永春河橋橋樁與區(qū)間外輪廓線距盾構(gòu)隧道外廊線水平最近距離約2.78m,盾構(gòu)區(qū)間隧道拱頂埋深約為13.57m,區(qū)間隧道在穿越段距河底凈距為7.80m。永春河河道寬約54.82m,河面寬度約30.71m,水面標(biāo)高204.817m,河道底標(biāo)高202.077m,下穿位置河水深度2.74m。永春河防洪標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇,50a流量為142.8m3/s,50a水位為206.46m。地鐵盾構(gòu)隧道區(qū)間隧道建筑限界為D=5300mm,圓形隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)徑5500mm,管片厚度350mm,盾構(gòu)管片采用C50高性能混凝土,混凝土抗?jié)B等級為P12。盾構(gòu)區(qū)間與永春河橋相對位置關(guān)系平面如圖1所示,相對位置關(guān)系剖面如圖2所示。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間與永春河橋相對位置平面圖(m)

圖2 盾構(gòu)區(qū)間與永春河橋相對位置剖面圖(mm)

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

巖土工程勘察報告揭露,工點(diǎn)范圍內(nèi)地層主要包括人工堆積層(Q4ml)、第四紀(jì)全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)、白堊系泥巖層(K)和白堊系砂巖層(K)四大類。自地表以下,依次為雜填土層、粉質(zhì)黏土層、全風(fēng)化泥巖層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖層和中風(fēng)化泥巖層。

勘探深度范圍內(nèi)存在1層潛水:含水介質(zhì)為粉質(zhì)黏土層和風(fēng)化巖層,水位埋深1.20～4.80m,標(biāo)高203.70～209.09m。

1.3 施工難點(diǎn)

隧道施工范圍處在飽和的層間潛水含水層中,盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,應(yīng)注意土倉壓力的變化,防止出現(xiàn)土倉突水事故。

永春河河床雜填土層較厚,結(jié)構(gòu)松散,自穩(wěn)性差,抗剪強(qiáng)度低,施工時應(yīng)加強(qiáng)支護(hù),并及時注漿加固,防止發(fā)生大規(guī)模垮塌事故。

2 跨河橋現(xiàn)狀檢測

擬穿越的跨河橋為3跨簡支結(jié)構(gòu),橋面鋪裝采用8cm鋼纖維混凝土(C40),面層結(jié)構(gòu)為4cm中粒式瀝青混凝土+6cm粗粒式瀝青混凝土,橋臺處設(shè)伸縮縫,橋墩處設(shè)橋面連續(xù)構(gòu)造,橋臺處設(shè)長5m的橋頭搭板;上部結(jié)構(gòu)采用后張法等截面預(yù)應(yīng)力混凝土空心板,主梁之間采用鉸縫連接,混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級C50;支座采用圓板式橡膠支座;下部結(jié)構(gòu)橋臺為埋置式橋臺,樁接柱基礎(chǔ),中墩為雙柱式圓形墩,樁柱式結(jié)構(gòu)。擬穿越跨河橋現(xiàn)狀如圖3所示。

圖3 擬穿越跨河橋現(xiàn)狀

現(xiàn)場檢測中發(fā)現(xiàn),跨河橋整體狀態(tài)良好,主要存在的病害有:

①支座存在橡膠塊老化開裂;

②橋面瀝青混凝土鋪裝層局部破損;

③護(hù)欄鋼組件輕微銹蝕;

④全橋泄水孔少量泥沙淤塞;

⑤伸縮縫上層槽口少量泥沙充填。根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 99—2017),評定為B級。

3 數(shù)值分析模型建立

3.1 數(shù)值計算方案

方案1:不考慮地下水位變化的影響,單純計算應(yīng)力場作用下,盾構(gòu)隧道施工對跨河橋產(chǎn)生的影響。

方案2:考慮地下水位影響,計算滲流場與應(yīng)力場耦合作用下,盾構(gòu)隧道施工對跨河橋產(chǎn)生的影響。

3.2 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

本文商業(yè)有限元軟件建立地基土—盾構(gòu)隧道—跨河橋協(xié)同作用數(shù)值計算模型,綜合考慮盾構(gòu)隧道埋深、跨河橋樁基礎(chǔ)埋深及河道尺寸等的影響,數(shù)值計算模型土體部分尺寸為300m×250m×60m(長×寬×高),滿足忽略邊界效應(yīng)的要求。整體模型網(wǎng)格劃分如圖4(a)所示,跨河橋及盾構(gòu)隧道部分網(wǎng)格劃分如圖4(b)所示。

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分

方案1應(yīng)用“應(yīng)力分析模塊”計算盾構(gòu)隧道施工過程中跨河橋的變形響應(yīng)特征;方案2應(yīng)用“滲流—應(yīng)力間接耦合模塊”計算盾構(gòu)隧道施工過程中跨河橋的變形響應(yīng)特征,即首先通過滲流計算得到有效應(yīng)力計算需要的孔隙水壓力,然后將該孔隙水壓力調(diào)入到應(yīng)力分析中[8-10]。

3.3 模型材料參數(shù)設(shè)定

數(shù)值計算模型中,地基土體選用HS本構(gòu)模型,以最大限度弱化盾構(gòu)隧道土方開挖所產(chǎn)生的回彈效應(yīng),土體參數(shù)依據(jù)勘察報告選取,詳見表1?？绾訕蚣白{加固采用實(shí)體單元建立,彈性本構(gòu)模型;盾殼采用板單元模擬,彈性本構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)部分物理力學(xué)計算參數(shù)詳見表2。

表1 地基土體物理力學(xué)參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)部分物理力學(xué)參數(shù)表

4 計算結(jié)果與分析

4.1 土體位移分析

地鐵盾構(gòu)隧道穿越跨河橋施工后,周邊土體位移如圖5所示。由圖5可知,地表最大沉降量出現(xiàn)在河床中部,方案1最大沉降量11.3mm,方案2最大沉降量15.9mm,方案2地表最大沉降量是方案1的1.4倍。方案1盾構(gòu)隧道施工影響范圍約為盾構(gòu)隧道軸線兩側(cè)2D(D為盾構(gòu)隧道直徑),方案2盾構(gòu)隧道施工影響范圍約為盾構(gòu)隧道軸線兩側(cè)3D,考慮流固耦合作用影響時,應(yīng)擴(kuò)大地表沉降的監(jiān)測范圍。

圖5 土體沉降云圖

4.2 跨河橋豎向位移

地鐵盾構(gòu)隧道穿越跨河橋施工后,跨河橋結(jié)構(gòu)豎向位移如圖6所示,圖6中,靠近盾構(gòu)隧道一側(cè)橋樁A、橋樁B、橋樁C和橋樁D的變形量較大,提取其樁頂豎向位移如圖7所示。分析圖6、圖7可知,跨河橋最大豎向位移出現(xiàn)在距離盾構(gòu)隧道最近橋位置,即橋樁A所在位置,方案1最大沉降量2.98mm,方案2最大沉降量6.01mm,考慮流固耦合作用影響的盾構(gòu)隧道引起的跨河橋豎向位移是不考慮流固耦合作用情況下的2.0倍。跨河橋豎向位移自橋樁A到橋樁D依次減小,無論是方案1還是方案2,左線施工誘發(fā)的跨河橋豎向位移占總變形量的60%,右線施工誘發(fā)的跨河橋豎向位移占總變形量的40%。

圖6 跨河橋結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

圖7 跨河橋結(jié)構(gòu)典型橋樁樁頂豎向位移

4.3 跨河橋樁身水平位移

地鐵盾構(gòu)隧道穿越跨河橋施工后,跨河橋結(jié)構(gòu)靠近盾構(gòu)隧道一側(cè)橋樁A、橋樁B、橋樁C和橋樁D樁身水平位移如圖8、圖9所示,樁身水平位移統(tǒng)計見表3。分析圖8、圖9及表3可知,跨河橋樁身最大水平位移出現(xiàn)在距離盾構(gòu)隧道最近橋位位置,即橋樁A所在位置。盾構(gòu)隧道左線施工完成后,方案1最大水平位移1.5mm,方案2最大水平位移2.6mm;盾構(gòu)隧道右線施工完成后,方案1最大水平位移累計至2.6mm,方案2最大水平位移4.1mm,考慮流固耦合作用影響的盾構(gòu)隧道引起的跨河橋的樁身水平位移是不考慮流固耦合作用情況下的1.6倍左右。無論是方案1還是方案2,左線施工誘發(fā)的跨河橋結(jié)構(gòu)樁身水平位移量占總變形量的60%左右,右線施工誘發(fā)的跨河橋結(jié)構(gòu)樁身水平位移量占總變形量的40%左右。方案1樁身水平位移曲線呈直線型,方案2樁身水平位移曲線存在一明顯拐點(diǎn),位于河床所在位置,河床以上樁身水平位移變化較大,而河床以下樁身水平位移變化較小。

表3 樁身水平位移統(tǒng)計表

圖8 方案1樁身水平位移

圖9 方案2樁身水平位移

5 結(jié)論

以長春某穿越跨河橋盾構(gòu)工程為例,分析考慮滲流及不考慮滲流作用2種工況下,跨河橋及其鄰域土體的變形特性,結(jié)論如下:

(1)地鐵盾構(gòu)隧道穿越跨河橋施工過程中,考慮應(yīng)力—滲流耦合作用是必要且合理的?？紤]流固耦合作用影響的盾構(gòu)隧道引起的跨河橋的地表最大沉降量是不考慮流固耦合作用情況下的1.4倍,跨河橋豎向位移是不考慮流固耦合作用情況下的2.0倍,樁身水平位移是不考慮流固耦合作用情況下的1.6倍。

(2)地鐵盾構(gòu)隧道穿越跨河橋施工過程中,盾構(gòu)隧道左線施工誘發(fā)的跨河橋豎向位移及樁身水平位移量占總變形量的60%,右線施工誘發(fā)的跨河橋豎向位移及樁身水平位移量占總變形量的40%。

(3)地鐵盾構(gòu)隧道穿越跨河橋施工過程中,不考慮應(yīng)力—滲流耦合作用時,樁身水平位移曲線呈直線型;考慮應(yīng)力—滲流耦合作用時樁身水平位移曲線存在一明顯拐點(diǎn),位于河床所在位置,河床以上樁身水平位移變化較大,而河床以下樁身水平位移變化較小。