盾構區(qū)間隧道側穿橋梁施工穩(wěn)定性分析

摘" 要：當盾構區(qū)間隧道側穿橋梁時，施工會引起較大的地表沉降和應力變化，加大施工過程的風險，并對項目自身及沿線橋梁的安全性產生一定的影響。以青島某地鐵某線路盾構隧道側穿橋梁為背景，通過建立盾構側穿橋梁施工的三維有限元模型，評估側穿橋梁過程中施工的穩(wěn)定性，結合盾構側穿橋梁的施工工藝，對土體位移、管片變形、橋墩及橋樁的規(guī)律進行研究。結果表明，在雙線隧道開挖的過程中，地表、管片、橋墩及橋樁的豎向位移與水平位移數(shù)值均較小，均滿足施工規(guī)范要求。研究結果可為類似盾構側穿橋梁的施工提供參考。

關鍵詞：地鐵；穩(wěn)定性分析；數(shù)值計算；盾構隧道；橋梁施工

中圖分類號：K928.78" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0117-04

Abstract： When the shield tunnel passes through the bridge， the construction will cause large surface settlement and stress changes， thus increasing the risk of the construction processand having a certain impact on the safety of the project itself and the bridge along the line. Taking the side-crossing bridge of a shield tunnel of a subway line in Qingdao as the object， the stability of the construction of the side-crossing bridge was evaluated by establishing a three-dimensional finite element model of the shield side-crossing bridge， and the laws of soil displacement， segment deformation， piers and piles were studied in combination with the construction technology of the shield side-crossing bridge. The results show that in the process of double-line tunnel excavation， the vertical and horizontal displacements of surface， segment， bridge pier and bridge pile are relatively small， which meet the requirements of the construction code. The research results can provide reference for the construction of similar shield side-through bridges.

Keywords： subway; stability analysis; numerical calculation; shield tunnel; bridge construction

新建雙線盾構隧道在施工過程中會造成隧道周圍土體擾動、地層土體損失、地層原始地應力的重新分布等情況，而地層應力的變化以及隧道周邊土體的變形將會傳遞到鄰近的橋梁基礎，進而會引起鄰近橋梁基礎周圍的土體與既有橋梁基礎之間發(fā)生一定程度的相對位移，出現(xiàn)降低既有橋梁基礎的承載力，使橋梁基礎發(fā)生位移變形等情況。

在盾構隧道方面已經(jīng)有部分學者進行了研究。針對V級圍巖地基，廖輝等[1]利用摩爾-庫倫模型，構建了區(qū)間隧道與上層暗渠之間的三位數(shù)值模型，并得出結論：在隧道建設過程中，左右線之間應保持適當?shù)木嚯x，有助于控制暗渠的變形和受力情況。王騰[2]采用數(shù)值模擬技術，對一個地鐵區(qū)段穿越高架橋梁樁基的案例進行了深入的分析和研究。徐前衛(wèi)等[3]通過對盾構機穿越橋梁基礎施工過程的動態(tài)模擬分析，得出結論：盾構機穿越施工會導致地層和橋梁結構發(fā)生過大的變形。周鑫等[4]通過對盾構掘進過程對地層沉降和附近橋梁樁基影響規(guī)律的研究，得出雙線盾構隧道開挖對地層臨近中間樁基沉降有較大影響的結論。荊鴻飛[5]考慮到貴陽地區(qū)的地質、水文和跨江的特點，制定了暗挖法的施工流程，同時也分析了施工過程中可能遇到的問題。白明祿[6]對“上硬下軟”的圍巖地層開挖變形演變規(guī)律進行了深入分析，并據(jù)此提出了這一類二元地層隧道的變形破壞模式。白宏達等[7]以某盾構隧道側穿高架立交橋為例探究地下空間內不同結構之間的相互影響規(guī)律。

以青島某地鐵某號線盾構側穿橋梁為背景，采用數(shù)值分析軟件模擬盾構側穿橋梁的施工，分析了盾構隧道側穿橋梁過程中地表、管片、橋墩及橋樁的變形規(guī)律，可為類似側穿橋梁工程提供參考。

1" 工程背景

青島某地鐵某號線盾構區(qū)間側穿橋梁為例，區(qū)間采用盾構法施工。下穿段隧道埋深約29.3～31.4 m，區(qū)間下穿段主要處于強風化和中風化泥質粉砂巖層。該段區(qū)間與某公鐵立交橋并行，與橋樁水平凈距約4.25～9.0 m。某公鐵立交橋，為三柱式橋墩，摩擦樁基礎（樁徑1.5 m，長40 m），上部結構15孔35 m預應力簡支T梁，分5聯(lián)。左、右隧道間距14 m，隧道直徑5 500 mm，管片厚度600 mm。盾構隧道側穿橋梁周邊環(huán)境及走向示意圖如圖1所示。

2" 數(shù)值計算模型的建立

通過考慮盾構隧道施工區(qū)間內既有橋梁的位置以及盾構施工過程中的影響區(qū)域，將盾構側穿橋梁施工的三維有限元模型的尺寸選取為165 m×80 m×80 m（長×寬×高），模擬隧道左右隧道開挖每環(huán)開挖長度為1.6 m。模型邊界以外區(qū)域的位移和應力變化與盾構施工幾乎不會相互影響。盾構模型整體示意圖如圖2所示。

數(shù)值計算模型中將盾構區(qū)間穿越的土層簡化為水平勻質分布土層，各土層采用摩爾-庫倫本構建立3D單元模型，根據(jù)隧道的實際尺寸以及隧道側穿過程中橋梁的位置關系，構建實體模型獲得隧道注漿區(qū)域與開挖區(qū)域，盾殼進行有限元分析時，是通過賦予2D屬性完成；采用2D板單元賦予管片混凝土的材料參數(shù)，而對于土體和注漿則使用了3D實體單元，建立模型構件材料見表1，所需圍巖主要物理力學參數(shù)見表2。

采用頂部自由邊界和底部固定邊界的形式；向側向邊界處增加法向位移約束，而注漿層土體則設定屬性改變，將其原土層屬性改為注漿屬性，另外還必須施加重力和0.13 MPa隧道掘進壓力，0.12 MPa管片千斤頂力和0.16 MPa管片注漿壓力。荷載布置示意圖如圖3所示。

3" 數(shù)值計算結果分析

為解決隧道開挖導致隧道圍巖和橋梁樁基變形的問題，以某工程實例為研究對象，通過有限元分析對其穩(wěn)定性進行了研究，得出了管片位移特性及橋梁樁基變形規(guī)律分析。

3.1" 盾構施工對隧道穩(wěn)定性分析

隧道開挖結束時，其豎直方向變形云圖如圖4所示。隧道開挖導致土體應力得到釋放并出現(xiàn)土體應力重分布，且近地表土體應力變化很大，遠隧道土體的應力變化不大，應力的改變導致土體的變形。從圖中可以看出，盾構雙線隧道在貫通時，其底部出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象，隆起的最大值出現(xiàn)在右隧道的正下方，其最大值達到了3.62 mm；隧道頂部出現(xiàn)了沉降現(xiàn)象，其中左側隧道頂部的沉降值最為顯著，達到了4.32 mm的最大值。隧道最大豎向位移比規(guī)范要求小，因此滿足工程安全要求。

隧道的水平位移的云圖如圖5所示，從該圖中可以觀察到，隧道的水平位移在數(shù)值上與2個隧道的對稱軸相對應，呈現(xiàn)出大致的對稱分布模式，最大水平位移發(fā)生于左側隧道左前方，其值大小約0.56 mm；水平位移位于2條隧道之間的區(qū)域比較大，而位于隧道四周的區(qū)域比較小，究其原因在于隧道工程施工過程中由于重卸載和反彈等因素，導致隧道兩側土體均發(fā)生近似等大水平變形，水平位移沿隧道內壁向外逐漸減小。隧道最大水平位移小于規(guī)范要求，因此滿足工程安全要求。

3.2" 管片穩(wěn)定性分析

研究了盾構區(qū)間管片在水平和豎直方向上的位移特性，如圖6展示的是管片的豎直位移的云圖。管片的豎直方向云圖大體上展現(xiàn)出對稱性，管片的頂端出現(xiàn)了下沉和變形，而管片在最大的豎直方向上的移動主要集中在右側，其大小大約是4.60 mm。兩側管片的底部都出現(xiàn)了隆起變形，其中右側管片的最大隆起變形約為1.29 mm，而左側管片的相對變形相對較小。這表明，在左線開挖過程中，盾殼和管片共同作用于右側土體，導致整個右側隧道的土體發(fā)生向左方的位移，從而使左側管片的變形略大于右側。

如圖7所示的管片水平方向變形的云圖顯示，兩側的管片在水平變形上有相似之處：其變形大體上是對稱的，而且在拱頂?shù)乃轿灰泼黠@大于拱底的，其中左右的最大水平位移分別達到了5.73 mm和6.82 mm。隨著荷載增大，左、右兩管片之間產生較大差異。與左側隧道相比，隧道右側斷面的水平位移更大，但左右兩側的管片水平位移都相對較小，這符合相關規(guī)范的要求。

3.3" 橋梁樁基的穩(wěn)定性分析

橋墩豎直位移如圖8所示，隧道貫通后橋墩豎直位移最大值為6.78 mm，沿著雙線隧道掘進方向出現(xiàn)在內側第4個橋墩，橋墩距離隧道越遠其沉降值依次遞減；并且呈現(xiàn)出內側橋墩的沉降值均大于外側橋墩的沉降值，主要原因是距離盾構隧道的距離越近所受的影響較大。橋墩頂部的豎向位移大于墩底，呈現(xiàn)出從上到下依次減小的現(xiàn)象。

橋墩的水平位移云圖如圖9所示，橋墩的最大水平位移位于中間一行橋墩的第三個，最大值約為3.03 mm，內外兩側呈內側水平位移且橋墩頂部的水平位移大于橋墩底部的水平位移。水平位移的最大值約為3.03 mm，最小水平位移約為0.013 mm。為了避免隧道挖掘導致的橋墩形變，施工前可以對橋墩實施地基進行加固處理。

如圖10和圖11所示，橋樁的豎直和水平位移的云圖顯示，盡管橋墩和樁基的沉降量遵循相同的變化規(guī)律，但橋墩的沉降量實際上比樁基的沉降量要大。這是因為橋墩的側向變形導致的沉降量比樁基的沉降量要大。因此，在進行橋梁設計時必須考慮到這種影響。

4" 結論

依托青島某地鐵某線路盾構區(qū)間側穿橋梁工程， 采用數(shù)值模擬的方法，結合工程實際，對盾構施工過程中所產生的地面、管片、橋墩以及橋樁的變形進行了研究，得到了以下幾個重要結論：①左、右線隧道的管片變形略有差異，管片整體位移向上，但變形趨勢大致相同，呈對稱分布，管片的豎直方向位移的峰值為4.60 mm，水平位移的峰值也僅為6.82 mm。②左、右線隧道的豎直方向最大位移為4.32 mm，水平方向的最大位移為0.56 mm，均較小，符合規(guī)范要求。③橋墩、橋樁部分的水平方向的位移以及豎直方向二者的數(shù)值均較小，符合規(guī)范要求。

參考文獻：

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