地鐵盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋梁施工穩(wěn)定性分析

楊利波

摘 ?要：盾構(gòu)隧道施工過程中對原狀土體擾動較大，導(dǎo)致地表產(chǎn)生位移和變形，影響既有橋梁受力狀態(tài)。以青島地鐵2號線二期工程側(cè)穿金水橋為工程背景研究對既有橋梁變形的影響，通過建立三維有限元模型，模擬分析盾構(gòu)施工過程對地表、隧道、既有橋梁沉降的影響，研究既有橋梁的受力變化規(guī)律。結(jié)果表明，地表位移基本符合Peck修正公式的變化規(guī)律，隧道水平收斂位移峰值點出現(xiàn)在拱頂處；橋墩主應(yīng)力隨著橋墩深度增加而增大，橋墩豎向應(yīng)力呈現(xiàn)為上部受拉、下部受壓狀態(tài)，橋墩軸力沿柱深均勻變化，且隨深度增加而增大；基礎(chǔ)剪應(yīng)力沿著基礎(chǔ)橫向在橋墩范圍內(nèi)較小，向四周擴(kuò)散時線性增大。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；既有橋梁；長距離側(cè)穿；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性分析

中圖分類號：U455.43 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0067-04

Abstract： In the process of shield tunnel construction， the undisturbed soil is disturbed greatly， which leads to the displacement and deformation of the surface， which affects the stress state of the existing bridge. Taking the side crossing Jinshui Bridge of Qingdao Metro Line 2 as the engineering background， the influence on the deformation of the existing bridge is studied by establishing a three-dimensional finite element model to simulate and analyze the influence of the shield construction process on the settlement of the surface， tunnel and existing bridges. The results show that the surface displacement basically accords with the variation law of the Peck modified formula， and the peak point of the horizontal convergence displacement of the tunnel appears at the arch top， the principal stress of the pier increases with the increase of the pier depth， the vertical stress of the pier presents a state of tension at the upper part and compression at the lower part， and the axial force of the pier varies uniformly along the column depth， and increases with the increase of the depth. The shear stress of the foundation is small in the range of the pier along the transverse direction of the foundation， and increases linearly when it spreads around.

Keywords： shield tunnel; existing bridge; long distance side penetration; numerical simulation; stability analysis

新建雙線盾構(gòu)隧道在施工過程中會造成隧道周圍土體擾動、地層原始地應(yīng)力的重新分布等情況，進(jìn)而會引起鄰近橋梁基礎(chǔ)周圍的土體與既有橋梁基礎(chǔ)之間發(fā)生一定程度的相對位移，橋梁上部結(jié)構(gòu)會由于基礎(chǔ)產(chǎn)生的位移變形而出現(xiàn)傾斜、開裂等情況[1]。

王騰[2]采用三維數(shù)值仿真分析的方法對某地鐵區(qū)間下穿高架橋梁樁基進(jìn)行了分析研究，徐前衛(wèi)等[3]根據(jù)對盾構(gòu)側(cè)穿橋梁基礎(chǔ)施工過程的動態(tài)模擬分析，得出了盾構(gòu)穿越施工導(dǎo)致地層和橋梁結(jié)構(gòu)變形過大的結(jié)論，周鑫等[4]通過研究盾構(gòu)掘進(jìn)過程對地層沉降及鄰近橋梁樁基影響規(guī)律得出雙線盾構(gòu)隧道開挖對地層臨近中間樁基沉降影響較大的結(jié)論，張秀山等[5]采用三維計算模型對比分析有無注漿2種工況下橋墩變形特征得出注漿加固對控制橋梁變形起到很好的效果，龔興旺等[6]針對雙線盾構(gòu)隧道側(cè)穿高鐵橋梁樁基的影響研究提出了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對于橋梁樁基需要采取的防護(hù)措施。

不同地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道施工對原狀土體擾動具有一定的差異，因此，需要根據(jù)具體工況具體分析。以青島地鐵2號線二期工程佛合區(qū)間盾構(gòu)隧道側(cè)穿金水橋為背景，通過建立三維數(shù)值模型，研究盾構(gòu)隧道施工過程中對既有橋梁的影響性分析。

1 ?工程概況

青島地鐵2號線二期工程佛合區(qū)間全長960 m，左、右隧道間距13 m；區(qū)間自佛耳崖站引出，雙線沿金水路直行，以700 m曲線半徑折向東北方向，而后以800 m曲線半徑下穿侯家莊河側(cè)穿金水橋。金水橋全長約165 m，寬約40.5 m，橋梁上部為普通混凝土連續(xù)橋板，下部為直徑1.1 m的混凝土橋墩和擴(kuò)大基礎(chǔ)，區(qū)間與基礎(chǔ)最小水平凈距為1.85 m。侯家莊河為城市景觀河道，水深約2.5 m，距離河底設(shè)計高程最小凈距7.7 m，橋隧位置關(guān)系圖如圖1所示。

區(qū)間隧道主要穿行于強風(fēng)化花崗巖上亞帶、強風(fēng)化花崗巖下亞帶、中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖，各地層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2 ?數(shù)值模擬方法與過程

2.1 ?數(shù)值模擬方法

通過考慮盾構(gòu)隧道施工區(qū)間內(nèi)既有橋梁位置及盾構(gòu)施工的影響區(qū)域，將盾構(gòu)施工的三維模型的尺寸選取為200 m×160 m×60 m（長×寬×高），模擬右線隧道開挖141環(huán)、左線隧道開挖137環(huán)，右線隧道開挖50環(huán)后開挖左線隧道。模型邊界以外區(qū)域的位移和應(yīng)力變化與盾構(gòu)施工幾乎不會相互影響，盾構(gòu)模型整體示意圖如圖2所示。

模型中盾構(gòu)區(qū)間所穿越地層簡化為水平勻質(zhì)分布地層，采用摩爾-庫倫本構(gòu)建立3D單元模型，根據(jù)建筑物的實際尺寸及隧道與既有橋梁的位置關(guān)系，采用各相同性本構(gòu)建立橋梁的3D單元模型，通過建立實體模型得到了隧道的注漿區(qū)域和開挖區(qū)域，分別對其外表面進(jìn)行單元析取的操作，采用各相同性本構(gòu)得到盾構(gòu)外殼和管片的2D板單元模型。模型建立所需構(gòu)件材料見表2。

對模型整體施加自動邊界條件，默認(rèn)約束模型底部X、Y方向位移，左右約束X方向位移，前后約束Y方向位移。同時，對注漿層土體設(shè)置改變屬性條件，使其原有的土層屬性改變?yōu)樽{屬性。除重力外與等效水壓力外，荷載分為隧道掘進(jìn)壓力0.12 MPa、管片千斤頂力0.1 MPa、管片注漿壓力0.15 MPa。荷載布置示意圖如圖3所示。

2.2數(shù)值模擬過程

數(shù)值分析軟件施工階段的模擬是通過激活/鈍化相關(guān)網(wǎng)格組、荷載組及邊界條件等，模擬盾構(gòu)施工中的隧道開挖、管片拼接、同步注漿等施工過程。具體施工步驟如下。

計算初始應(yīng)力場，激活橋梁、所有土層與隧道開挖區(qū)域，激活自重、等效水壓力與邊界條件，清零位移；激活右線第1環(huán)盾殼與掘進(jìn)壓力，鈍化第1環(huán)開挖區(qū)域；激活右線第2環(huán)盾殼、掘進(jìn)壓力、第1環(huán)管片與千斤頂力，鈍化第2環(huán)開挖區(qū)域與第1環(huán)盾殼；激活右線第3環(huán)盾殼與掘進(jìn)壓力、第2環(huán)管片與千斤頂力、第1環(huán)管片注漿與注漿壓力和第1環(huán)管片注漿屬性，鈍化第3環(huán)開挖區(qū)域、第2環(huán)盾殼與第1環(huán)管片千斤頂力。以此循環(huán)掘進(jìn)，當(dāng)右線隧道掘進(jìn)至第51環(huán)時，開始掘進(jìn)左線隧道第1環(huán)。

3數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1盾構(gòu)施工對地層的影響分析

盾構(gòu)隧道開挖后引起土體應(yīng)力釋放，土體應(yīng)力發(fā)生重分布現(xiàn)象，近隧道周圍土體應(yīng)力變化較大，遠(yuǎn)隧道土體應(yīng)力變化較小，由于應(yīng)力變化而引起土體變形。地表位移如圖4所示，由圖4可知，盾構(gòu)雙線隧道貫通后，右線隧道正上方地表沉降量最大，最大值為3.8 mm。

3.2 ?盾構(gòu)施工對隧道圍巖的影響分析

3.2.1隧道豎向位移分析

隧道豎向位移等值線圖如圖5所示，由圖5可以看出左右線隧道貫通后，距離開挖面越近的土體所受擾動越大，豎向位移最大值出現(xiàn)在右線隧道拱頂處約6.2 mm，隨著遠(yuǎn)離開挖面豎向位移逐漸減小。

3.2.2隧道水平收斂位移分析

選取模型開挖完成后的中點處隧道斷面，繪制隧道水平收斂位移曲線，如圖6所示。從圖6中可以看出，在左右線隧道中心線上方各有一個峰值點，最大位移值為6.15 mm，雙線隧道中心線中間土體沉降小于該值。

3.3 ?盾構(gòu)施工對橋梁的受力特性影響分析

3.3.1 ?橋墩受力特性分析

橋墩主應(yīng)力的分布規(guī)律為隨著橋墩深度增加而逐漸增大，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在橋墩與擴(kuò)大基礎(chǔ)交界處約為5.34 MPa；橋墩的豎向應(yīng)力呈現(xiàn)為上部受拉、下部受壓狀態(tài)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在橋墩頂端約4.43 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)位置與最大主應(yīng)力相同位置約5.06 MPa。由圖7橋墩軸力變化曲線示意圖可知，橋墩軸力沿柱深均勻變化，且隨深度增加而逐漸增大。

3.3.2 ?橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)受力特性分析

基底反力分布規(guī)律[7]表現(xiàn)為柱墩垂直部位基底反力較大，向四周逐漸減小，到邊緣處又有所增大。圖8為橫向基底反力變化曲線圖，從圖8可以看出，基礎(chǔ)墩柱處和邊緣處反力具有明顯的突變現(xiàn)象，符合基底反力分布規(guī)律。模型中采用的橋梁墩柱為四墩結(jié)構(gòu)，由圖9可知，沿著基礎(chǔ)橫向的剪應(yīng)力在柱墩范圍內(nèi)較小，向四周擴(kuò)散時呈現(xiàn)線性增大，直到到達(dá)最大值處，向邊緣處或基礎(chǔ)中心部位移動則剪應(yīng)力減小，趨勢明顯。

3.4 ?盾構(gòu)施工對橋梁的變形特性影響分析

3.4.1 ?橋板豎向變形分析

左、右線隧道掘進(jìn)完成后橋板最大豎向沉降值約為0.49 mm，出現(xiàn)在右線盾構(gòu)隧道的橋板中后部；最小豎向位移沉降值約為0.35 mm，橋板最大差異沉降為0.14 mm。由于右線隧道距離橋板較近，故開挖對其影響更大；左線盾構(gòu)距離橋板較遠(yuǎn)，開挖時其變形不明顯。

3.4.2 ?橋墩豎向變形分析

隧道貫通后橋墩豎向位移最大值為0.60 mm，沿著隧道掘進(jìn)方向出現(xiàn)在第4個橋墩處，橋墩距隧道越遠(yuǎn)沉降值越??；掘進(jìn)方向首個橋墩距離隧道最近，其豎向位移值為0.57 mm。

3.4.3 ?橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)豎向變形分析

隧道掘進(jìn)完成后擴(kuò)大基礎(chǔ)最大值約為0.64 mm，出現(xiàn)在橋梁中部位置，最小值約為0.18 mm，擴(kuò)大基礎(chǔ)距離隧道越遠(yuǎn)其沉降值越小。

4 ?結(jié)論

通過建立數(shù)值分析模型，模擬地鐵盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有橋梁施工，針對性地分析盾構(gòu)施工過程對地表、地層、既有橋梁沉降的影響，研究既有橋梁的受力變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

1）隧道豎向位移最大值出現(xiàn)在右線拱頂處約6.2 mm，隧道水平收斂位移在左、右線中心上方各出現(xiàn)峰值點，橋墩與橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)最大變形位置出現(xiàn)在橋梁中部。

2）橋墩主應(yīng)力隨著橋墩深度增加而逐漸增大，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在橋墩與擴(kuò)大基礎(chǔ)交界處；橋墩豎向應(yīng)力呈現(xiàn)為上部受拉、下部受壓狀態(tài)。

3）基礎(chǔ)墩柱處和邊緣處具有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且基礎(chǔ)角點處基底反力更為集中；基礎(chǔ)剪應(yīng)力沿著基礎(chǔ)橫向在橋墩范圍內(nèi)較小，向四周擴(kuò)散時呈現(xiàn)線性增大趨勢明顯。

參考文獻(xiàn)：

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