盾構隧道下穿市政橋梁的施工影響數值分析

傅雅莉

(廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州∥工程師)

地鐵建設過程中對城市已有建構筑物的影響，尤其是隧道掘進過程中對周邊重要建構筑物的影響，為各方所關注和重視。如何預先判斷此種影響，將是決定工程成敗的關鍵因素之一。本文以南昌市軌道交通1號線下穿彭家橋(拱橋)為例，采用數值分析方法對盾構隧道下穿拱橋產生的影響進行預判，從而為施工措施的采用提供科學依據。

1 工程概況

1.1 彭家橋概況

南昌市軌道交通1號線彭家橋站—師大南路站盾構區間在里程XK18+097.923～XK18+036.373段下穿玉帶河南側。玉帶河由南向北，河寬50 m左右，河床標高14.85 m，水深約1.5 m。

彭家橋位于南昌市北京西路，跨越玉帶河，處于市中心地段，是南昌市主要干道之一。其上部構造由2跨12 m鋼筋混凝土板拱及紅巖石材料砌筑而成的實腹式拱橋組成，石拱橋與鋼筋混凝土板拱設有分隔帶;下部構造板拱橋為鋼筋混凝土墩臺，石拱橋為漿砌塊石墩臺(見圖1)。該橋分兩期建成，前期石拱橋建于20世紀50年代末期，后期鋼筋混凝土板拱橋建成于21世紀初期，是石拱橋兩側的拓寬部分，為獨立橋臺。

圖1 彭家橋實景

擬建南昌市軌道交通1號線師大南路站—彭家橋站區間盾構隧道沿北京西路下穿彭家橋，線路與道路方向基本平行。橋墩基礎底面標高為12.2 m，與盾構隧道結構頂部最小間距為4.7 m。盾構隧道與彭家橋平面相對關系示意圖見圖2，縱橫面位置關系見圖3及圖4。

從擬建隧道與既有彭家橋空間位置關系可知，盾構隧道結構與橋梁基礎之間最小間距為4.7 m，屬于近接施工，盾構隧道施工對既有橋梁的影響不可忽略。

圖2 彭家橋與盾構隧道平面圖

1.2 地質條件

盾構在XK18+108.0處開始下穿彭家橋，穿越長度約55.44 m。該處地層從上到下分別為雜填土、粉質黏土、細砂、粗砂、圓礫、卵石、強風化粉砂質泥巖、中風化粉砂質泥巖。

鑒于盾構隧道下穿區域的地質情況，其具有以下工程地質特性:

(1)隧道所處圓礫、礫砂地層均屬透水性強的松散砂礫石層，盾構掘進過程中地下水易將細粒組份帶出，引起開挖面失穩和地面下沉。

圖3 彭家橋與盾構隧道縱面圖

圖4 彭家橋與盾構隧道橫面圖

(2)橋梁基礎及盾構隧道均處于透水性強地層，其力學性質有明顯的觸變性和流動性，加之玉帶河水頭較高，在水動力的作用下可能產生管涌、流砂現象。

綜上，下穿玉帶河及彭家橋區域圍巖穩定性較差，容易坍塌、變形;地層透水性強，在盾構施工中易引起涌水、突水現象，影響施工安全;地層擾動威脅上部既有橋梁運營及結構安全。

2 數值分析

2.1 數值模型

以南昌市軌道交通1號線師大南路站—彭家橋站區間盾構隧道下穿彭家橋為背景，依據現場實際條件，從最不利角度考慮，采用FLAC 3D軟件對盾構隧道掘進進行模擬。

根據彈塑性力學圣維南原理，模型范圍取3～5倍洞徑，故模型尺寸為:橫向70 m，豎向頂部取至地表，共35 m，縱向(隧道掘進方向)長60 m。模型中，土層采用實體單元模擬，選用Mohr-Coulomb本構模型;橋梁結構、墩臺基礎及管片等采用實體單元模擬，選用各向同性彈性本構模型。

模型的邊界條件為:橫向兩邊x方向水平約束，縱向y方向水平約束，底部z方向豎向約束，上表面自由。三維模型如圖5～7所示。

2.2 計算參數

圍巖力學、支護結構等參數均根據現有設計文件、巖土勘察報告及《巖土工程勘察規范》選取。彭家橋老橋為20世紀50年代修建的石拱橋，未能找到設計資料，也未進行相關材料力學參數試驗，故參考相關規范及文獻資料，石拱橋簡化成各向同性的均質材料，材料物理力學參數根據同類工程進行參考取值;新橋為混凝土拱橋，也等效為各向同性材料，參數按相應等級鋼筋混凝土取值;老橋和新橋的填料相同。具體計算參數如表1～3所示。

圖5 三維計算模型圖

圖6 盾構隧道與橋梁結構模型圖

圖7 三維模型網格劃分

2.3 計算相關假定

2.3.1 計算荷載

計算中主要考慮恒載和可變荷載。其中，恒載主要為重力荷載;可變荷載則主要考慮既有橋梁上的汽車荷載。

表1 地層參數

表2 地鐵區間隧道支護結構計算參數

表3 彭家橋計算參數

由于未收集到彭家橋設計、施工、竣工圖紙等相關技術資料，故該橋原設計荷載等級無法確定。根據該橋所處地理位置和道路屬性，確定彭家橋石拱橋以CJJ 11—2011《城市橋梁設計規范》和JTG D60—2004《公路橋涵設計通用規范》規定的城市橋梁荷載城－A級進行計算，新橋(混凝土拱橋)以滿人群荷載進行計算;盾構下穿期間進行交通管制，故不考慮沖擊荷載。該橋荷載標準值如表4所示。

表4 橋梁荷載計算

2.3.2 計算工況

盾構隧道與彭家橋基礎底部間距小于1倍洞徑，盾構施工對橋梁結構有一定影響。為全面評價盾構隧道施工對彭家橋結構的影響，根據目前掌握的資料和擬采取的方案，彭家橋在盾構隧道下穿施工時，主要考慮以下兩種工況:

工況一:彭家橋保持現有運營狀態;

工況二:彭家橋石拱橋機動車道封閉，改后期擴建的非機動車道為機動車道。

2.3.3 盾構施工過程動態模擬

計算中對同步注漿加固作適當簡化，盡可能真實模擬實際施工過程。具體為采用提高土體力學參數的方法模擬盾尾同步注漿加固效果。

對盾構施工步序進行了精細化模擬。施工工序模擬過程為:首先掌子面施加頂進壓力，盾殼支撐上覆土壓力，待盾尾脫離后激活管片單元，并在盾尾上部土層表面施加同步注漿壓力，下部施加0.5倍的上部注漿壓力，上、下行隧道前后錯開開挖。

2.4 計算結果及分析

2.4.1 地層變形分析

盾構隧道施工對地層的擾動主要以沉降為主，本文對地層的豎向位移(沉降)進行分析。圖8～9分別為工況一、工況二在不同施工階段的豎向位移云圖。

由圖8、9可以得到:

(1)盾構隧道施工過程中，地層受擾動影響較大，引起地表不均勻沉降也較大。盾構隧道穿越地層主要為礫沙、圓礫等沙性地層，圍巖穩定性差，自穩能力差，易引起地層變形。

(2)沉降量最大區域主要集中在隧道拱頂上方一定區域，工況一和工況二的最大豎向位移分別達58.4 mm和62.5 mm。另外，受橋梁上部荷載作用，橋梁墩臺附近區域豎向位移也較大。

(3)工況一與工況二的不同之處僅在于橋梁荷載作用的位置不一樣。從兩種工況的對比分析可知，橋梁承受荷載對地層位移的影響有限，地層變形主要受盾構隧道施工的影響。

圖8 左線施工完成時的豎向位移云圖

2.4.2 既有橋梁結構變形分析

既有橋梁主橋為20世紀50年代修建的石拱橋，擴建新橋為混凝土板拱橋。盾構隧道下穿施工引起地層擾動，進而引起橋梁基礎結構發生位移。

2.4.2.1 整體變形分析

由橋梁豎向位移云圖(圖10～11)可以看出，盾構隧道下穿施工對上部既有橋梁的影響不可忽視;橋梁最大豎向位移主要發生在盾構隧道上方一定范圍內，工況一和工況二的最大位移值分別約57.4 mm和50.7 mm;橋梁結構在縱向及橫向出現不均勻沉降。

2.4.2.2 縱向變形分析

為分析盾構施工引起上部既有橋梁的縱向變形，沿道路軸向(基本與隧道軸向平行)布設5條測線，(見圖12)，在橫斷面上從左至右依次記為C1、C2、C3、C4、C5。其中，C1 和 C5 分別為兩邊非機動車道的中線，C2～C4依次為隧道左線軸線、主車道中心線和隧道右線軸線。選取左線隧道開挖至橋梁結構中部橋墩正下方位置(Y=30.0 m)進行分析。

圖9 右線施工完成時的豎向位移云圖

圖10 工況一橋梁豎向位移云圖

圖11 工況二橋梁豎向位移云圖

圖12 縱向變形測線布置示意圖

圖13 沿軸向橋梁沉降曲線

圖13為沿軸向橋梁沉降曲線，可以得出，盾構隧道施工會引起既有橋梁結構沉降變形:在隧道軸向方向上，盾構隧道施工開挖面前方(1.0～2.0)D(D為盾構隧道外徑)范圍內橋梁結構變形相對較小;開挖面后方2.0D范圍內為主要影響區，橋梁結構發生較大沉降變形;開挖面后方2.0D范圍外橋梁結構變形趨于緩和。施工期間，既有橋梁的運營交通荷載對橋梁沉降變形也有一定的影響，全橋運營時(工況一)石拱橋與新橋的沉降差值要大于封閉石拱橋運營時(工況二)石拱橋與新橋的沉降差。

2.4.2.3 橫向變形分析

橋梁橫向沉降變形主要指垂直于道路軸向的方向上橋梁結構的變形，它影響橋梁上部結構和基礎結構的受力及安全。

選取橋梁結構的跨中位置和中部橋墩中線位置進行分析。共有6條測線，分別記為h1、h2、h3、h4、h5、h6。其中，h1～h3分別為混凝土拱橋(隧道靠近側)、石拱橋和混凝土拱橋跨中位置，h4～h6為中部橋墩中線位置。以隧道左線掘進至橋梁中部位置(Y=30.0 m)為例，將提取結果繪制成圖，如圖14～15所示。可以看出，盾構隧道施工對上部橋梁結構產生影響，工況二相比工況一的橫向變形量要小些。

圖14 橋梁橫向沉降變形圖(工況一)

圖15 橋梁橫向沉降變形圖(工況二)

2.4.3 墩臺基礎沉降分析

選取石拱橋和混凝土拱橋的橋臺和中部橋墩基礎底部的特征點進行分析。其中，混凝土拱橋每個部位只選擇1個點(中心位置)，而石拱橋選取3個點(兩側各1個，中部1個)。計算得到基礎不均勻沉降值及相鄰基礎沉降差，如表5所示。

從表5可以看出，基礎不均勻沉降最大值發生在兩側橋臺位置，其值在工況一和工況二時均超過5 mm;相鄰基礎沉降差的最大值約為32 mm，主要發生在橋墩和橋臺之間。

表5 基礎沉降計算表 mm

3 結語

由數值分析知，彭家橋橋臺基礎不均勻沉降最大值為14 mm，發生在兩側橋臺位置;相鄰基礎沉降差最大值為32 mm;最大地表豎向位移約57.4 mm。盡管目前尚無明確的石拱橋變形控制值，但鑒于石拱橋抗壓不抗拉，石拱橋的變形控制遠比地表沉降控制嚴格。另外，盾構穿越彭家橋時，即使封閉中間主橋，沉降也很大，施工風險還是很大的。因此，必須對橋梁采取加固措施，并且在施工期間封閉石拱橋，做好監測措施和應急預案，以確保施工和路面交通安全。

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