地鐵盾構隧道施工對拱橋橋墩的影響分析

李 鳴，文繼濤

（自貢市城市規劃設計研究院有限責任公司，四川自貢 643000）

0 引言

目前盾構法已成為城市地鐵建設的主流施工方法,盾構法施工往往會引起周圍地層移動,即使采用當前最先進的盾構技術,也難以完全防止這些移動[1]。地層移動一方面在地表引起不均勻沉降,另一方面直接引起地下接近結構物的變位及附加應力,保證盾構機掘進過程周圍建筑物的安全性非常重要[2]。城市地鐵區間盾構隧道將穿越護城河拱橋，該橋為單跨拱橋，橋長32 m,橋面寬37 m,基礎厚3 m,為臺階形擴大基礎,橋墩為M5水泥砂漿砌城磚,拱部為M20水泥砂漿砌成磚拱。地鐵盾構隧道施工必然會對護城河拱橋橋墩造成影響,分析盾構機掘進過程中,拱橋橋墩的變形和應力的變化情況,這對指導盾構施工具有一定參考價值。

1 有限元模型

本次分析采用大型通用有限元軟件ANSYS進行,在有限元模型中根據模擬對象特點選用不同的單元。其中盾構隧道(包括管片結構和注漿層)、地層和拱橋橋墩采用空間8節點實體單元Solid45模擬,護城河拱橋拱圈結構采用三維殼單元Shell63模擬。

1.1 模型概況

本段盾構區間隧道主要在古壤土和老黃土地層中穿過，下部地層為古壤土,而護城河拱橋基礎位于新黃土地層上，護城河河道寬18 m,河流兩岸有厚度為7 m的素填土。兩條隧道中心間距為24 m。其中，右線隧道從拱橋正下方傳過，拱頂距離橋墩垂直距離約為13 m。建立的有限元模型及空間關系見圖1，該模型長74 m,寬72 m，高47 m,共16 520個單元。其中左線隧道先貫通，右線隧道后貫通。

圖1 三維有限元模型

1.2 荷載及材料參數

在盾構隧道-地層-橋梁結構系統的有限元模型中,施加的荷載主要包括下面三個方面:

（1）拱橋結構上的荷載:包括靜載和活載,其中靜載為拱橋結構的自重,活載為橋上的車輛及行人,通過在靜載上乘以一系數來體現。這些荷載通過計算轉換為節點力作用到橋面上。

（2）河床上的水位荷載:通過施加到的河床上面力來模擬,河床水位取為3 m。

（3）盾構機頂進力:通過向開挖面施加一定的面力來模擬。

盾構隧道管片襯砌結構是通過螺栓將單個管片連接在一起的整體結構,采用均值體等效管片襯砌時,需乘以一剛度折減系數,在橫斷面內該系數通常取0.6～0.8[3-4]。各參數的詳細取值見表1。

1.3 計算工況約定

盾構的施工是一個相當復雜的過程,包括刀盤掘削土體、盾構機推進、管片拼裝及盾尾注漿[5]等。模擬過程主要分為兩步:（1）開挖的土體單元,并對開挖輪廓線上的地層進行應力釋放,同時掘削面施加頂進壓力;（2）在保持頂進壓力不變的同時,完成剩余應力的釋放,并激活管片襯砌和注漿層[6]。根據掘削面的不同位置沿隧道掘進方向共劃分了15個工況,見圖2及表2。

表1 土體和材料參數表

圖2 掘削面計算位置示意圖

表2 計算工況表

2 計算結果分析

2.1 盾構施工對橋墩沉降的影響

由于左線隧道距護城河大橋基礎的距離較遠,水平近距約為9 m，大橋基礎基本上位于隧道開挖引起的沉降槽之外。但右線隧道則不同,它與橋墩基礎的凈距較小，在橫斷面上護城河大橋橋墩基礎部分位于右線隧道開挖引起的沉降槽之內，見圖3。

圖3 地表沉降示意

根據計算結果可知,橋墩的沉降主要在右線隧道開挖時產生,故這里僅分析右線隧道開挖時不同工況下各橋墩的沉降,見圖4。可以看出,各橋墩均在盾構隧道建成后(工況2)達到沉降的最大值,橋墩產生最大沉降的位置均位于緊鄰隧道的一側。其中河床左邊的橋墩A最終沉降值為-6.59 mm,河床右邊處橋墩B的最終沉降值為-3.457 mm。橋墩沉降主要在右線盾構隧道掘削面通過時產生,而且隨著掘削面的不斷推進,各橋墩自身的不均勻沉降逐漸增大,在右線隧道貫通后達到最大值,其中A墩的最大不均勻沉降為7.48 mm,由于不均勻沉降引起的最大坡度為0.202‰。

圖4 橋墩A的沉降曲線

2.2 盾構施工對護城河大橋受力的影響

由于隧道施工引起的地層沉降使得護城河大橋基礎產生如圖4所示的變形,在這樣的變形作用下,橋墩的上部分必然引起壓應力減小甚至產生拉應力(X方向)的情況,而橋墩的下部分則引起壓應力增大。隧道貫通后各橋墩X方向應力有所改變。A墩和B墩因隧道開挖引起的下部最大壓應力增量為0.87 MPa,引起的橋墩上部最大拉應力增量為0.07 MPa,位于隧道側拱圈與橋墩的連接處。其中隧道建成后兩橋墩的應力變化見圖5。

圖5 隧道建成后橋墩的應力改變（X方向）

3 結論

本文針對區間盾構隧道下穿拱橋建立了三維有限元模型,并根據數值計算的結果分析了不同工況下盾構隧道開挖對拱橋橋墩沉降和受力的影響規律,得出了下面的一些結論和建議。

（1）隧道開挖將會引起拱橋各橋墩均產生不均勻沉降,該不均勻沉降一方面引起了橋墩自身應力的改變,同時由于拱橋結構的特殊性,還將引起拱圈結構受力的改變。

（2）在隧道掘進過程中,由于隧道縱向上的不均勻沉降導致相鄰橋墩之間還會產生相對沉降,該相對沉降同樣會對拱橋結構造成影響,但在隧道貫通后該相對沉降大部分消失,變成均勻沉降。

（3）考慮到拱橋為老式砌體磚拱橋,建議在施工中采用地層加固等措施來減小隧道施工對拱橋的影響。

[1]劉建航,侯學淵.盾構法隧道[M].北京:中國鐵道出版社,1991.

[2]于寧,朱合華.盾構隧道施工地表變形分析與三維有限元模擬[J].巖土力學,2002,25(8):1330-1334.

[3]方勇,何川.盾構法修建正交下穿地鐵隧道對上覆隧道的影響分析[J].鐵道學報,2007,29(2):83-88.

[4]井春.都市トンネルの[M].日本東京:鹿島出版會,1998.

[5]張鳳祥,朱合華,傅德明.盾構隧道[M].北京:人民交通出版社,2004.

[6]潘昌實.隧道力學數值方法[M].北京:中國鐵道出版社,1995.