盾構下穿施工對高鐵連續梁橋沉降和變形的影響

王 霆 韓高孝 鄭 軍

(1.南京地鐵建設有限責任公司,210017，南京; 2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,201804，上?！蔚谝蛔髡?，研究員級高級工程師)

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盾構下穿施工對高鐵連續梁橋沉降和變形的影響

王 霆1韓高孝2鄭 軍1

(1.南京地鐵建設有限責任公司,210017，南京; 2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,201804，上?！蔚谝蛔髡?，研究員級高級工程師)

以南京地鐵機場線盾構隧道近距離穿越高速鐵路連續梁橋為背景,通過現場監測和有限元計算,研究盾構下穿施工對橋梁上部結構的影響。研究結果表明:由于盾構隧道所處的地層較好、埋深較大，且盾構隧道施工對于地層的擾動較小,所以盾構隧道施工對于橋梁下部結構的影響很??；由盾構隧道施工引起的梁體附加變形很小,均滿足控制要求；盾構隧道施工引起的橋梁附加內力既對橋梁的受力起到好的作用也有不良作用,且附加力的量值很小,不會對橋梁的正常使用產生影響。

盾構隧道下穿施工; 高鐵橋梁; 沉降; 變形

First-author′s address Nanjing Metro Construction Limited Liability Company, 210017,Nanjing,China

隨著城市規模和人口密度的不斷增大,地鐵的規模也在不斷擴大。由于線路走向的限制,在施工中出現了地鐵盾構隧道穿越既有鐵路橋梁的情況,且這種情況將會越來越多。

地鐵開挖不可避免地會引起周圍地層產生一定的位移,這些位移又進一步作用在鄰近的橋樁上,引起鄰近橋樁的各種反應并最終導致橋梁結構的變形和受力的改變。高速鐵路要求線路具有高度的平順性,如果橋梁的變形過大，將會導致行車舒適性降低，嚴重的會威脅行車安全,而橋梁受力的改變也可能導致橋梁結構的破壞。因此,正確、合理地評價盾構隧道施工對高速鐵路橋梁的影響顯得尤為重要。目前，國內外學者通過理論分析、數值模擬、離心試驗，就盾構隧道施工對鄰近既有樁基的影響開展了一系列的研究[1-9],但研究盾構施工對橋梁上部結構的影響卻比較少見。本文以南京地鐵機場線為背景,利用現場測量和有限元軟件進行分析計算,研究盾構穿越施工對橋梁上部結構的影響。

1 工程背景

盾構隧道直徑6.2 m,左右線隧道隧頂埋深均為28 m左右。盾構穿越某客運專線鐵路高架橋,穿越段橋梁上部結構為四跨(20 m+34 m+34 m+20 m)預應力鋼筋混凝土連續箱梁,橋上設正線2條,盾構隧道從中間兩跨穿越。自盾構隧道左線向右線方向各橋墩下分別設12根直徑1 m、11根直徑1.25 m、12根直徑1.25 m、11根直徑1.25 m和12根直徑1 m的鉆孔灌注樁,樁長分別為18 m、27 m、28 m、28 m和21.5 m。左線隧道與樁基的水平最小凈距為9.41 m,隧底高于樁端3.49 m;右線隧道與樁基的水平最小凈距為8.46 m,隧底高于樁端2.15 m。如圖1所示。

圖1 盾構下穿橋跨示意圖

該范圍內自上而下，土層分別為人工填土、粉質黏土、強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖,各土層參數見表1。樁端位于中風化泥質粉砂巖中,盾構隧道主要穿越該層。

2 盾構施工對橋墩沉降的影響

為研究盾構下穿施工時橋墩的沉降變形,在下穿施工過程中對橋墩的變形進行了觀測。由于橋梁兩端的橋墩距離隧道較遠,盾構施工對其影響可忽略,故只對39#、40#和41#橋墩進行觀測(見圖1)。在盾構隧道施工前于上述橋墩上設置觀測棱鏡,在施工過程中每天對橋墩變形進行2次觀測，觀測結果如圖2～圖4所示。

圖2 39#橋墩沉降觀測結果

圖3 40#橋墩沉降觀測結果

圖4 41#橋墩沉降觀測結果

由圖2～圖4可知,盾構隧道下穿施工過程中橋墩沉降呈現逐漸增大的趨勢并最終趨于穩定。首先,40#橋墩位于左右線隧道之間,故隧道施工對其影響最大,最大沉降達到0.6 mm,而39#和41#橋墩的沉降則相對較小，均約為0.5 mm。其次,盾構隧道施工對于地層的擾動較小,而且盾構隧道所處的地層較好、埋深較大,橋梁樁端位于中風化泥質粉砂巖中(可視為端承樁),所以盾構隧道施工對于橋梁下部結構的影響很小。

3 盾構施工對橋梁上部結構變形的影響

3.1 研究方法

首先,利用MIDAS Civil有限元軟件建立橋梁上部結構模型,考慮到列車運營的影響,按照支反力影響線進行Z-K活載的最不利布載(見圖5、圖6),計算出在橋梁恒載和列車荷載作用下橋梁上部結構的內力和變形。其次,計算由于基礎沉降引起的橋梁結構的變形和內力的改變。橋梁基礎的沉降值以實際觀測值為準施加在支座上,在計算時均取最大值。

四跨連續梁橋上部結構的有限元模型長108 m,橋梁支座采用一般支撐進行模擬(見圖7),截面尺寸如圖8所示。橋梁采用線彈性梁單元模擬,彈性模量E為32.5 GPa,泊松比μ為0.2。

圖5 兩邊橋墩支反力影響線

圖6 中間橋墩支反力影響

圖7 上部結構有限元模型

3.2 計算結果

在既有荷載作用下和由于橋墩墩頂豎向沉降引起的梁體豎向變形如圖9、圖10所示。由圖可看出，豎向靜活載引起的梁體最大豎向變形發生在中間兩跨梁的中部，為10 mm,邊跨梁體的豎向變形則較小，為3 mm,且整個連續梁橋的變形對稱于最中央的橋墩；由于墩頂下沉引起的梁體的最大豎向變形位于橋梁最中央的橋墩處,為0.6 mm,且整個梁體的變形也不對稱。相對于靜活載引起的變形而言,墩頂沉降引起的變形很小。由于既有荷載和墩頂沉降引起的連續梁橋梁端最大轉角θ為0.4‰,相鄰兩孔梁之間最大轉角θ1+θ2為1.2‰。上述變形滿足規范要求。

圖8 梁體橫截面圖

圖9 豎向靜荷載作用下梁體豎向變形

圖10 墩頂沉降引起的梁體豎向變形

在既有荷載作用下的主力彎矩包絡圖和支座沉降導致的附加彎矩圖如圖11、圖12所示。因支座沉降產生的最大正彎矩為325.1 kN·m,位于中央橋墩處,使此位置主力產生的最大負彎矩由-64 336 kN·m減小到-64 011 kN·m,相對減小0.5%;中間兩跨跨中最大正彎矩由20 181 kN·m增加到20 420 kN·m,相對增加0.84%;支座沉降產生的最大負彎矩為-74.5 kN·m,位于左邊第二個橋墩處,相對此位置主力產生的最大負彎矩增加0.16%。由以上分析可看出，因墩頂沉降引起的梁體的附加彎矩既能對梁體的受力起到好的作用，也能起到不良作用,且彎矩的改變量很小,橋梁結構完全可以滿足承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的要求。

圖11 主力彎矩包絡圖

圖12 支座沉降引起的附加彎矩

在既有荷載作用下的主力剪力包絡圖和支座沉降產生的附加剪力如圖13、圖14所示,支座沉降產生的最大附加剪力為11.8 kN,使此位置主力產生的最大剪力由10 329 kN增加到10 340.8 kN,相對增加0.11%。同樣，因墩頂沉降引起的梁體的附加剪力既能對梁體的受力起到好的作用也能起到不良作用,且剪力的改變量很小,荷載滿足規范所規定的承載能力極限狀態、正常使用極限狀態要求。

圖13 主力剪力包絡圖

圖14 支座沉降引起的附加剪力

4 結語

(1) 由于盾構隧道施工本身對于地層的擾動較小,且盾構隧道所處的地層較好、埋深較大,橋梁樁端位于中風化泥質粉砂巖中,所以盾構隧道施工對于橋梁下部結構的影響很小。

(2) 隧道開挖引起的梁體附加變形很小,均滿足控制要求。

(3) 隧道開挖引起的橋梁附加內力，既對橋梁的受力起到好的作用，也有不良作用,且附加力的量值很小,不會對橋梁的正常使用產生影響。

[1] 王占生,王夢恕.盾構施工對周圍建筑物的安全影響及處理措施[J].中國安全科學學報,2002,12(2):45.

[2] 李永盛,黃海鷹.盾構推進對相鄰樁體力學影響的實用計算方法[J].同濟大學學報,1997,25(3):274.

[3] 孫吉主.盾構機掘進對基樁影響的工程分析法[J].武漢理工大學學報,2003,25(3):56.

[4] 王炳軍,李寧,柳厚祥,等.地鐵隧道盾構法施工對樁基變形與內力的影響[J].鐵道科學與工程學報,2006,3(3):35.

[5] 楊超,黃茂松,劉明蘊.隧道施工對臨近樁基影響的三維數值分析[J].巖石力學與工程學報,2007,26(增1):2601.

[6] 于寧,朱合華.盾構施工仿真及其相鄰影響的數值分析[J].巖土力學,2004,25(2):293.

[7] 朱逢斌,楊平,ONG C W.盾構隧道開挖對鄰近樁基影響數值分析[J].巖土工程學報,2008,30(2):299.

[8] 傅雅莉.盾構隧道下穿市政橋梁的施工影響數值分析[J].城市軌道交通研究,2014(7):76.

[9] LOGANATHAN N,POULOS H G,STEWART D P.Centrifuge model testing of tunnelling-induced ground and pile deformations[J].Geotechnique,2000,50(3):283.

[10] JACOBSZ S W,STANDING J R,MAIR R J,et al.Centrifuge modelling of tunneling near driven piles[C]∥Proceeding of the 3rd International Organizations Symposium:on Geotechnical Aspect of Underground Construction in Soft Ground.France:Toulouse，2002:89.

Influences of Undercrossing Shield Tunneling on the Settlement and Deformation of Continuous Beam Bridge of High-speed Railway

WANG Ting, HAN Gaoxiao, ZHENG Jun

Taking a shield tunneling project as the background, which crosses under a bridge of high-speed railway on the Nanjing Metro Airport Line, and based on field monitoring and finit element calaculation, the influences of undercrossing shield tunneling on the superstructure of continuous beam bridge are studied. The result indicates that, due to the big burial depth, the small strata disturbance of shield tunnel and the better geological conditions, the shield tunnel construction has minor influences on the substructure of bridge; additional deformations of the beam caused by tunnel construction are very obvious and thus could meet the control requirements. Besides, the additional internal forces of bridge caused by tunnel construction have both plus and minus effects on the substructures of continuous bridge, the magnitude of additional internal forces is rather small, therefore it would not affect the normal operation of the bridge.

undercrossing shield tunneling; high-speed railway bridge; settlement; deformation

TU 433∶U 448.21+5

10.16037/j.1007-869x.2016.04.009

2014-08-08)