暗挖隧道與鄰近橋樁距離對(duì)橋梁的影響性分析

郅 彬 武李和樂(lè) 李金華 秦立科 王 番

（西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，710054，西安∥第一作者，副教授）

在城市繁華地區(qū)修建地鐵時(shí)，如何把對(duì)環(huán)境的影響程度減少到最低是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。文獻(xiàn)［1］通過(guò)選擇合理的三維非線性數(shù)值模擬方法，得出了隧道水平中心線與樁基的空間位置直接決定樁基的沉降和側(cè)向變形大小。文獻(xiàn)［2］利用FLAC3D模擬計(jì)算，得出CRD（交叉中隔墻）法施工對(duì)橋樁的影響要小于臺(tái)階法。文獻(xiàn)［3］以西安地鐵1號(hào)線為研究背景，在分析Peck公式的基礎(chǔ)上給出修正后的地層變形公式，并研究距隧道不同距離處地層變形規(guī)律。但已有研究成果中，尚缺乏地鐵隧道與橋樁水平距離的影響研究，隧道與橋樁距離的選擇不僅與地鐵施工時(shí)對(duì)橋樁的影響大小有關(guān)，還能影響對(duì)橋梁的預(yù)加固工作，有效降低施工成本。

本文以西安地鐵3號(hào)線某標(biāo)段為背景，采用MIDAS/GTS有限元軟件，建立三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分別模擬得出地鐵隧道與橋樁在不同距離下橋的傾斜變化，依據(jù)橋梁監(jiān)測(cè)規(guī)范，判斷出隧道與橋的臨界安全距離。

1 工程概況

擬建場(chǎng)地為西安地鐵3號(hào)線某標(biāo)段，地層特性自上而下具體描述如下：①人工填土（素填土）Q4ml：黃褐色為主，粉質(zhì)黏土占大多數(shù)，質(zhì)量不均勻；層厚0.60～3.60 m。②新黃土（水上）Q3eol：以黃褐色為主，蟲孔及大孔隙發(fā)育；黃土濕陷性一般，屬于中高型壓縮性土，層厚0.50～6.40 m。③古土壤Q3el：紅褐色，可塑；土結(jié)構(gòu)為團(tuán)粒狀，孔隙為針孔狀，具濕陷性，中壓縮性土；層厚2.80～5.10 m。④老黃土Q2eol：該土層顏色主體褐黃色，質(zhì)量均勻，含鈣質(zhì)結(jié)核；屬中壓縮性土；層厚2.00～6.80 m。

擬建隧道穿越老黃土區(qū)，埋深約14.6 m，隧道與橋樁距離為20.79 m，兩隧道之間距離為17.4 m（見(jiàn)圖1）。橋?yàn)檫B續(xù)結(jié)構(gòu)高架橋，橋高12.5 m，樁深21.1 m，橋墩縱向間距為31.8 m，橫向間距為20 m，橋?qū)?0 m。

圖1 橋樁與隧道相互位置關(guān)系圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

以實(shí)際工程為背景，建立三維有限元模型如圖2所示，考慮隧道和橋梁尺寸資料及暗挖隧道施工的影響范圍，確定計(jì)算模型尺寸為100 m（長(zhǎng)）×88 m（寬）×25 m（高）。建模中，土體與橋體均采用實(shí)體單元進(jìn)行建模，襯砌采用板單元，錨桿采用2D線單元植入式桁架，橋樁采用線單元；土體采用摩爾—庫(kù)倫模型，橋體采用彈性模型；計(jì)算模型上部為自由面，其余邊界為位移約束邊界，網(wǎng)格劃分圖見(jiàn)圖2。

圖2 三維計(jì)算模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 計(jì)算參數(shù)及工況

依據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，模型中材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.3 模擬結(jié)果計(jì)算分析與對(duì)比

2.3.1 監(jiān)測(cè)方案

橋面布點(diǎn)使用鉆孔埋設(shè)，將目標(biāo)鋼筋插入路面中，保證鋼筋被埋至硬化路面下；然后加蓋保護(hù)測(cè)點(diǎn)，以防止因車輛碾壓導(dǎo)致點(diǎn)位破壞。具體布點(diǎn)如圖3所示。

2.3.2 橋面監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比分析

依據(jù)橋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q19監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將地鐵隧道開(kāi)挖完成后橋面位移變化情況與數(shù)值模擬結(jié)果匯總?cè)鐖D4所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

圖3 橋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖

圖4 橋面Q19測(cè)點(diǎn)沉降對(duì)比圖

橋面各實(shí)測(cè)點(diǎn)位移變化存在一定程度的不規(guī)則性。這是由于橋面測(cè)點(diǎn)受到了動(dòng)荷載等外界影響。總體看來(lái)，實(shí)測(cè)值偏小，與模擬值的變化趨勢(shì)基本一致。這驗(yàn)證了該模型的正確性。

2.4 臨界安全距離的模擬結(jié)果分析

在實(shí)際情況中，左隧道與橋樁最近距離為20.5m。現(xiàn)對(duì)該模型進(jìn)行10次模擬分析，每次都不斷將橋向隧道方向移動(dòng)1 m，得到10個(gè)不同的位移圖（橋隧最小距離依次為20.5 m、19.5 m、18.5 m、17.5 m、16.5 m、15.5 m、14.5 m、13.5 m、12.5 m 及 11.5 m）。在橋面上等距布置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)統(tǒng)計(jì)橋面位移。由于篇幅有限，故只對(duì)其中4個(gè)較有代表性的位移云圖進(jìn)行分析（見(jiàn)圖5～8）。

圖5 橋樁距左隧道中線20.5 m時(shí)的位移云圖

圖7 橋樁距左隧道中線14.5 m時(shí)的位移云圖

圖8 橋樁距左隧道中線11.5 m時(shí)的位移云圖

隧道開(kāi)挖對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致橋產(chǎn)生位移，整體表現(xiàn)為傾斜。但是由于橋右側(cè)沒(méi)在沉降影響范圍之內(nèi)，故出現(xiàn)了較小程度的抬升現(xiàn)象。左隧道與橋樁在不同間距下的橋面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移情況如圖9～10所示：

圖9 隧道與橋樁不同間距下的橋面位移變化曲線之一

圖10 隧道與橋樁不同間距下的橋面位移變化曲線之二

由圖9～10可知，當(dāng)隧道與橋樁最近距離為20.5 m時(shí)，臨近隧道一側(cè)的橋面豎向位移為-3.30 mm，另一側(cè)橋面的豎向位移為1.35 mm。隨著橋隧距離的不斷縮小，橋兩側(cè)的位移變化和變化速率都不斷加劇。當(dāng)隧道一側(cè)橋樁與左隧道中線距離為11.5 m時(shí)，臨近隧道一側(cè)的橋面豎向位移為-13.95 mm，另一側(cè)橋面的豎向位移為4.97 mm。可見(jiàn)臨近隧道一側(cè)橋面的位移量要大于遠(yuǎn)離隧道一側(cè)橋面的位移，隨著隧道與橋距離的減小，橋面零位移點(diǎn)位置逐漸向右側(cè)橋面移動(dòng)。橋面兩側(cè)位移的差值不斷增大，且有加速傾斜的趨勢(shì)。橋面?zhèn)缺O(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化曲線如圖11所示。

2.5 臨界安全距離的判定

一般情況下，采用允許位移值作為橋梁沉降的控制值。因此，依據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，以及西安地鐵設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，建議連續(xù)結(jié)構(gòu)橋面兩側(cè)的允許不均勻沉降為10 mm。若不均勻沉降超過(guò)10 mm，則可判定橋已發(fā)生傾斜，需進(jìn)行加固處理。

圖11 橋面兩側(cè)位移變化曲線

由圖11可知，當(dāng)左隧道斷面中線與臨近隧道一側(cè)橋樁距離約為15 m時(shí)，達(dá)到臨界安全距離。可以判斷，在相似工程中，如隧道斷面中線與臨近隧道一側(cè)橋樁中線距離在15 m以內(nèi)，則應(yīng)考慮在隧道施工過(guò)程中對(duì)橋進(jìn)行預(yù)加固處理，以保證隧道施工過(guò)程中橋的安全，防止事故發(fā)生。

3 結(jié)論

（1）隧道與橋樁的臨界安全距離為15 m，當(dāng)隧道與橋樁的距離小于15 m時(shí)，則需在開(kāi)挖隧道前采取有效措施，并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

（2）臨近隧道開(kāi)挖一側(cè)的橋面位移量大于另一側(cè)的位移量。隨著隧道與橋樁距離的減小，這種傾斜差異現(xiàn)象愈發(fā)明顯。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，要加強(qiáng)臨近隧道一側(cè)的橋體監(jiān)測(cè)工作，可適當(dāng)減小另一側(cè)橋體的監(jiān)測(cè)工作。

（3）當(dāng)隧道與橋樁的距離小于臨界安全距離后，隨著隧道與橋樁距離的減少，對(duì)橋梁可能造成的危害會(huì)越大。

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