隧道盾構(gòu)下穿施工對(duì)既有鐵路橋梁的影響研究

摘要：為研究下穿隧道盾構(gòu)施工對(duì)既有鐵路橋梁變形的影響，文章依托某實(shí)際工程，采用FLAC3D軟件進(jìn)行施工全過程模擬，對(duì)隔離墻的防護(hù)作用進(jìn)行研究，并通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：順橋向地表沉降變形呈“W”形分布，隧道正上方地表變形值最大；橋墩豎向位移表現(xiàn)為沉降，隨著隧道盾構(gòu)開挖施工，其值先緩慢增大后快速增長，最后逐漸平穩(wěn)；隔離墻起到了較好的防護(hù)作用，可有效控制地表、橋梁墩臺(tái)和樁基的變形，使其滿足安全控制標(biāo)準(zhǔn)；現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬所得變形規(guī)律基本一致，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；鐵路橋梁；數(shù)值模擬；現(xiàn)場監(jiān)測

中圖分類號(hào)：U455.43" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.056

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0192-04

0引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，城市交通壓力不斷增大，為方便居民出行，提高城市交通運(yùn)輸能力，開發(fā)地下空間，建設(shè)城市軌道交通勢在必行。但地鐵施工不可避免會(huì)遇到臨近或下穿既有橋梁的情況，如何控制既有橋梁變形，保障其運(yùn)營安全，是一個(gè)亟待解決的問題，已有眾多專家學(xué)者就此進(jìn)行研究。王騰［1］為探究隧道盾構(gòu)施工側(cè)穿既有橋梁時(shí)對(duì)橋梁樁基的影響，基于工程實(shí)例，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析，并通過現(xiàn)場監(jiān)測對(duì)結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。耿大新等［2］以南昌市某隧道盾構(gòu)下穿既有高鐵橋梁工程為背景，采用MidasGTS軟件對(duì)其施工全過程進(jìn)行模擬，分析了橋梁變形規(guī)律，并提出了相應(yīng)的加固措施。周智［3］采用MidasGTS軟件模擬了廣州地鐵18號(hào)線下穿廣深港高鐵橋的隧道開挖全過程，研究了隧道盾構(gòu)下穿對(duì)地面沉降及橋樁變形的影響。蔣小銳等［4］基于某實(shí)際工程探討了隧道明挖施工下穿對(duì)既有高鐵橋梁變形和位移的影響，并進(jìn)行了車-軌動(dòng)力響應(yīng)分析。趙江濤等［5］為控制盾構(gòu)隧道施工對(duì)上部橋梁的擾動(dòng)，建立了相應(yīng)的精細(xì)化施工控制體系。陳聰?shù)龋?］依托某實(shí)際工程，研究了盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路橋梁時(shí)的加固措施，認(rèn)為注漿和隔離樁防護(hù)均能滿足既有結(jié)構(gòu)物變形控制要求。為研究下穿隧道盾構(gòu)施工對(duì)既有鐵路橋梁變形的影響，本文依托某實(shí)際工程，采用FLAC3D軟件進(jìn)行施工全過程模擬，進(jìn)一步研究了隔離墻的防護(hù)作用，并通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1工程概況

鐵路運(yùn)營期間行車速度較高，需要軌道具有高平順性，故需要對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形進(jìn)行嚴(yán)格控制。隧道盾構(gòu)下穿施工改變了土層原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，致使應(yīng)力重分布，極易引發(fā)上層鐵路橋梁變形。此外，由于樁基與隧道開挖面的凈距不同，盾構(gòu)隧道施工對(duì)兩側(cè)橋墩的影響程度也不同，而施工對(duì)土體的擾動(dòng)極易導(dǎo)致樁基側(cè)摩阻力下降，從而引發(fā)樁基、橋墩的不均勻沉降，對(duì)鐵路運(yùn)營安全造成嚴(yán)重影響。

依托工程左線隧道自某城際鐵路211#～212#墩間穿過，與兩橋墩最小凈距分別為5.24m和5.01m，右線隧道自212#～213#墩間穿過，與兩橋墩最小凈距分別為4.77m和6.33m；埋深約27m，處于平均含水率20.35%的細(xì)砂層。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，需控制墩頂橫向水平位移引發(fā)的橋面水平折角≤1.0[WTB3]‰，墩頂順橋方向彈性水平位移≤28.5mm，墩頂各方向位移及相鄰墩臺(tái)差異沉降≤3mm。綜合考慮實(shí)際地質(zhì)情況和施工經(jīng)濟(jì)性，工程選用土壓力平衡式盾構(gòu)機(jī)，采用穩(wěn)坡法、緩坡法推進(jìn)，其各項(xiàng)施工參數(shù)如表1所示。

2數(shù)值模型及參數(shù)

考慮到需對(duì)橋墩變形進(jìn)行嚴(yán)格控制，故針對(duì)上述工程，為研究隧道盾構(gòu)下穿施工引發(fā)的地表及既有鐵路橋梁樁基的變形，探究隔離墻防護(hù)措施的效果，采用FLAC3D軟件，基于工程實(shí)際情況進(jìn)行一定簡化，建立三維數(shù)值模型，如圖1所示。順211#至213#橋墩連線方向設(shè)置共22個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

模型長×寬×高=180m×70m×55m，設(shè)置模型底部為全約束，四周為法向約束。土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，橋墩、橋臺(tái)和隔離墻采用彈性模型模擬，相應(yīng)參數(shù)如表2所示。橋梁樁基采用樁單元模擬，樁長40m，用1單元模擬隧道開挖過程。為提高模型的可靠度，將橋墩上部結(jié)構(gòu)自重荷載施加于橋墩上。

3結(jié)果分析

3.1地表及橋墩豎向位移分析

在左右線隧道同時(shí)盾構(gòu)施工時(shí)，地表監(jiān)測點(diǎn)橫向位移較小，其豎向位移均表現(xiàn)為沉降，其數(shù)值較大，故對(duì)其豎向位移進(jìn)行分析，可得無隔離墻時(shí)地表及橋墩各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2（a）可知，當(dāng)雙線隧道盾構(gòu)施工結(jié)束后，地表監(jiān)測點(diǎn)最大豎向變形值高達(dá)6mm，順橋向地表豎向變形曲線呈“W”型，隧道正上方的土體豎向變形最大。隨著隧道盾構(gòu)施工的不斷進(jìn)行，其對(duì)地層擾動(dòng)也不斷增大，地表監(jiān)測點(diǎn)的豎向變形也不斷增大。由圖2（b）可知，當(dāng)隧道開挖面遠(yuǎn)離橋梁時(shí)，三個(gè)橋墩的豎向位移均未發(fā)生明顯的增長；當(dāng)隧道開挖面逐漸逼近橋梁時(shí)，三個(gè)橋墩受到較大的擾動(dòng)，其豎向位移均發(fā)生明顯的增長，且增長速率較快；當(dāng)隧道開挖面再次遠(yuǎn)離后，三個(gè)橋墩的豎向位移增長速度逐漸變緩，豎向位移區(qū)域穩(wěn)定。由于212#橋墩位于兩線隧道之間，而左右線隧道同時(shí)開挖對(duì)中間橋墩的擾動(dòng)最大，故而212#橋墩的豎向位移遠(yuǎn)大于211#和213#橋墩，其最大差值分別為2.7mm和3.3mm。而三個(gè)橋墩的變形已超出相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，不利于鐵路線路的安全運(yùn)營，故應(yīng)當(dāng)設(shè)置一定的安全防護(hù)措施。

設(shè)置隔離墻后，地表及橋墩各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)值模擬結(jié)果如下頁圖3所示，比較有無隔離墻時(shí)的地表變形情況可知，兩者地表監(jiān)測點(diǎn)豎向變形均表現(xiàn)為沉降且分布趨勢基本不變，依然呈“W”型，但有隔離墻時(shí)地表豎向變形值有明顯減少，最高值減少約46.3%。故可認(rèn)為隔離墻可起到一定的防護(hù)作用，減少隧道盾構(gòu)施工過程中對(duì)周圍土層的擾動(dòng)。由圖3（b）可知，有無隔離墻時(shí)三個(gè)橋墩的豎向變形規(guī)律基本一致，但其變形值有明顯降低，211#～213#橋墩的豎向位移值分別降低了25%、42%、30%。最終差異沉降均未超過3mm的控制標(biāo)準(zhǔn)，212#和211#、213#橋墩的最大差異沉降分別為0.7mm和1.2mm，較無隔離墻時(shí)，分別下降了74.1%和63.6%。故認(rèn)為隔離墻的存在可有效減少既有鐵路橋梁的變形，使其滿足安全限制要求。故為減小隧道盾構(gòu)施工對(duì)既有鐵路橋梁的影響，在實(shí)際工程中需設(shè)置隔離墻，分擔(dān)盾構(gòu)施工產(chǎn)生的側(cè)向土壓力和摩擦力，控制地表和橋墩的豎向變形。

3.2橋梁樁基變形分析

提取有無隔離樁時(shí)，各監(jiān)測樁樁頂最大豎向位移、順橋向位移、橫橋向位移結(jié)果如下頁表3所示。由數(shù)值模擬可知，當(dāng)開挖面逐漸靠近橋梁樁基時(shí)，其樁頂各方向的變形速率均逐漸增大；當(dāng)開挖面逐漸遠(yuǎn)離時(shí)，樁基各方向變形速率逐漸降低；當(dāng)隧道開挖面通過橋墩后再次遠(yuǎn)離時(shí)，樁基各方向變形值逐漸趨于穩(wěn)定。212#橋墩因位于左右線隧道之間，其豎向位移、順橋向位移變形最為明顯。設(shè)置隔離墻可以有效阻礙橋梁樁基在各個(gè)方向上的變形，起到了有效的阻隔作用，降低了隧道盾構(gòu)施工對(duì)既有鐵路橋梁的影響。

3.3現(xiàn)場監(jiān)測對(duì)比

參考既往工程經(jīng)驗(yàn)，為及時(shí)判斷周圍土體及既有鐵路橋梁的安全狀況及變形發(fā)展規(guī)律，下穿隧道盾構(gòu)施工期間需要進(jìn)行嚴(yán)格的現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)，地表監(jiān)測點(diǎn)及橋墩監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置與數(shù)值模擬一致，所得地表監(jiān)測點(diǎn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，現(xiàn)場監(jiān)測所得地表監(jiān)測點(diǎn)的變形趨勢與數(shù)值模擬基本一致，其豎向變形值略大于數(shù)值模擬結(jié)果，現(xiàn)場監(jiān)測所得最大地表豎向變形為3.1mm，相較于數(shù)值模擬結(jié)果增加了0.13mm。究其原因主要是數(shù)值模擬時(shí)對(duì)工況進(jìn)行了一定程度的簡化。

各橋墩豎向位移監(jiān)測結(jié)果如圖5所示，由圖5可知，現(xiàn)場監(jiān)測所得橋墩豎向變形趨勢與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，現(xiàn)場監(jiān)測所得211#～213#橋墩的最大豎向變形值分別為2.6mm、3.2mm、2.1mm。212#和211#、213#橋墩的最大差異沉降分別為1.1mm和1.5mm，其值略大于數(shù)值模擬結(jié)果，但依然在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，因此可認(rèn)為隔離墻防護(hù)措施得當(dāng)。橋墩監(jiān)測過程中，局部位置出現(xiàn)豎向變形的回彈現(xiàn)象，究其原因可能是隧道盾構(gòu)施工期間進(jìn)行了二次注漿造成的。數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果高度吻合，可認(rèn)為數(shù)值模擬參數(shù)取值及仿真過程合理，其結(jié)果具有一定的參考價(jià)值，可為類似工程提供一定的借鑒和參考。

4結(jié)語

為研究下穿隧道盾構(gòu)施工對(duì)既有鐵路橋梁變形的影響，本文依托某實(shí)際隧道工程，采用FLAC3D軟件建立了相應(yīng)的隧道下穿既有鐵路橋梁的三維模型，模擬了在不設(shè)置和設(shè)置隔離墻的情況下，隧道盾構(gòu)施工的全過程，對(duì)地表、橋墩以及橋梁樁基的變形進(jìn)行分析，并通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

（1）地表監(jiān)測點(diǎn)豎向位移表現(xiàn)為沉降，無論是否設(shè)置隔離墻，均呈“W”型分布，左右線隧道正上方地表豎向位移值最大，設(shè)置隔離墻可有效減少地表監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移值；

（2）橋墩豎向位移表現(xiàn)為沉降，當(dāng)隧道盾構(gòu)開挖面較遠(yuǎn)時(shí)，其增長速率較慢，隨著隧道開挖面的不斷靠近，橋墩豎向位移增長加快，開挖面通過橋墩后再次遠(yuǎn)離時(shí)，橋墩豎向變形逐漸趨于穩(wěn)定；

（3）隔離墻的存在可有效分擔(dān)隧道盾構(gòu)施工產(chǎn)生的側(cè)向土壓力和摩擦力，控制鐵路橋梁墩臺(tái)和樁基的變形，使得橋梁墩臺(tái)豎向位移及相鄰墩臺(tái)差異沉降均能滿足安全控制標(biāo)準(zhǔn)；

（4）現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)所得地表監(jiān)測點(diǎn)及橋梁墩臺(tái)的變形規(guī)律與數(shù)值模擬基本一致，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果略大于數(shù)值模擬結(jié)果，主要是因?yàn)閿?shù)值模擬過程進(jìn)行了一定程度的簡化。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：楊生明（1989—），講師，主要從事鐵道工程施工與維護(hù)相關(guān)工作。

收稿日期：2024-05-06