盾構隧道下穿黃河施工對已建橋梁基礎的影響模擬

賈少春

（1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室，710043，西安∥高級工程師）

由于地鐵隧道常穿行于城市的繁華地帶，施工時會不可避免地對地表及隧道周邊的建（構）筑物基礎產生影響［1］。尤其是在近距離下穿埋深較深的橋梁樁基時，盾構開挖掘進會引起深層土體發生較大位移［2］，影響樁基的承載能力。當位移值較大時，可能導致橋樁發生附加變形和差異沉降，進而導致橋梁上部結構開裂、傾斜，嚴重影響橋梁安全和正常使用［3-6］。因此，如何評估盾構隧道施工對城市已有建（構）筑物的影響，尤其是盾構在掘進過程中對建（構）筑物基礎的影響，是指導盾構隧道施工的關鍵［7］。

盾構隧道施工中。通常將盾構掘進引起的地表沉降值及建構筑物的變形值作為調整盾構掘進參數、保障工程順利進行的重要依據［8］。本文通過對蘭州軌道交通1號線迎門灘—馬灘區間下穿黃河段盾構隧道施工進行數值模擬，分析了盾構隧道開挖對既有銀灘黃河大橋基礎和周邊地表沉降的影響，以期為今后類似工程的安全施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

蘭州軌道交通1號線迎門灘—馬灘區間是國內首次下穿黃河的地鐵隧道施工。區間左右線均采用泥水加壓平衡式盾構施工，區間隧道設計外徑6.2 m，內徑5.5 m，管片寬1.5 m，下穿黃河段長度約404 m。該區間底板埋深13.4～32.4 m，在下穿黃河段底板埋深較深；平面布置采用雙繞線布置，左線距銀灘大橋南側邊界線8.69 m，右線距銀灘大橋南側邊界線26.89 m。

銀灘黃河大橋由左、右岸引橋工程和主橋工程三部分組成，其中：主橋長803.48 m，橋面寬25.5 m；主跨2孔、跨徑133 m；副跨19孔、跨徑40 m；采用單塔斜拉結構，塔高79 m。盾構隧道與銀灘大橋的位置關系示意圖如圖1所示。

該區間盾構施工需長距離穿越黃河上游高富水、大粒徑、高硬度砂卵石等地層，有大量的漂石存在，施工受地層條件與水文條件影響較大，可能會引起盾構掘進困難、泥水加壓及出碴困難、隧道涌水和涌砂等施工風險。

1.2 工程地質條件

根據工程地質勘查資料，該區間隧道所處地層覆土依次為：人工填土，厚度0.8～14.5 m；黃土狀土，厚度0.6～5.0 m；卵石土層，厚度4.2～21.7 m。地質縱剖面圖如圖2所示。

圖1 盾構隧道與銀灘大橋關系圖

圖2 迎門灘—馬灘區間地質縱剖面圖

2 數值模型及計算參數

2.1 基本假定

管片內力計算及三維精細化模型建模過程中主要引入的基本假定如下：卵石層為各向同性的彈塑性材料，本構關系采用D-P模型；盾殼假設為剛體；盾殼具有很高的剛度和強度，實際施工中盾殼的變形非常微小，可以忽略不計；模型中采用實體單元來模擬管片；計算過程中對同步注漿進行簡化，不考慮漿液的凝固過程。

2.2 數值模型

為消除模型邊界效應，減少有限元軟件的求解自由度規模，取河段中間40.5 m長的盾構隧道進行研究。河水水位取歷史最高水位9 m（相對于河底）。模型橫向取111.0 m，其左邊界距離左線隧道中心24 m。因隧道右線距離銀灘大橋橋臺較遠，本次僅模擬左線隧道側穿橋臺。計算模型如圖3所示。

圖3 有限元計算模型

2.3 計算參數的選取

根據下穿黃河段的地質剖面圖，河床自上而下依次為2-10卵石層和3-11卵石層，計算模型取2-10卵石層的厚度為10 m。隧道位于3-11卵石層中。計算模型的參數參照地勘資料所建議的地層參數選取，如表1所示。

表1 計算模型材料的物理力學參數

2.4 施工過程模擬

以掘削面施加頂進壓力來模擬盾構機作業在開挖面上的頂推力，本模型的頂推力取0.35×106Pa。

首先，模擬自重應力場，初始應力場為重力場和河水均布壓力引起的場的疊加，在模型頂面施加了8.82×104Pa的河水均布壓力；然后，模擬銀灘大橋沉井基礎、承臺和下部結構，把上部結構及活載以面荷載的方式加在主墩頂部；最后模擬盾構開挖。

3 計算結果分析

3.1 自重應力平衡階段

表2給出了地層自重應力平衡階段、橋梁基礎施工階段、橋梁主結構施工及運營階段所產生的位移（所給出的結果均為扣除了地層自重應力平衡階段的位移）。

表2 主橋基礎底面豎向的歷史位移 m

3.2 豎向位移變化

左線隧道貫通以后，盾構開挖引起的地層豎向位移云圖如圖4所示。盾構開挖過程擾動了土體，造成土體應力損失，隧道周圍土體發生變形。變形反應到地表，引起了地表發生沉降。其最大沉降值位于隧道拱頂位置處。

圖4 左線隧道貫通后地層的豎向位移云圖

選取代表性斷面進行分析，其地表豎向位移曲線如圖5所示。從圖5可知，左線隧道貫通以后，地表最大豎向位移計算值為6.7 mm，實測值為5.9 mm，誤差僅為13.5%。沉降槽實測曲線和數值模擬計算所得的沉降槽曲線寬度基本相同，形態相似。

圖5 代表性斷面的地表豎向位移曲線

如圖6所示，從豎向位移隨開挖步驟的變化曲線可以看出，隧道在掘進的過程中，受盾構頂進推力的影響，從地層豎向位移的變化趨勢看，實測值和計算值均表現為：先隆起后沉降，計算所得最大隆起量為0.5 mm，實測最大隆起值為1.8 mm。位于隧道拱頂位置處的深層土體受盾構掘進擾動影響最大，計算所得最大沉降值為22.0 mm，實測所得最大沉降值為19.5 mm。數值模擬所得曲線和實測所得曲線形態吻合度較高，數值模擬結果具有較高的參考價值。

圖6 豎向位移隨開挖步的變化曲線

3.3 水平位移變化

如圖7所示，數值模擬計算結果和實測結果均顯示：盾構開挖擾動不僅造成隧道上方土體產生豎向位移，左右兩側土體在水平方向也發生橫移，計算所得最大橫移量為18.0 mm，實測左右兩側土體最大橫移量為15.0 mm。從圖7可知，計算和實測所得土體橫移量曲線形態吻合度較好，數值模擬結果具有較高的參考價值。

圖7 土體橫移量隨開挖步的變化曲線

考慮到實際盾構隧道施工過程中存在土方超挖、同步注漿不及時、曲線施工糾偏等各種不可控因素，且盾構穿越地層主要為大粒徑卵石地層，圍巖的穩定性差，地層受擾動影響較大，易引起較大變形，使得實際地表沉降量可能會比計算值大。因此，盾構施工時需要根據情況及時調整掘進參數，必要時采取地層加固措施，以保證施工安全［12］。

3.4 盾構開挖對橋梁基礎的影響

如表3所示，在深層土體的水平位移和地應力損失導致的豎向位移兩者的共同作用下，橋梁基礎產生一定的傾斜。該區間隧道施工引起橋梁基礎的豎向位移和水平位移值均較小，可以認為盾構開挖對橋梁基礎位移的影響可以忽略，滿足施工時的變形值控制標準。

表3 盾構開挖引起橋梁基礎的位移值統計表 mm

3.5 內力分析

左線隧道貫通后的管片應力值如圖8所示。盾構施工完成后橋梁基礎應力值如圖9所示。

圖8 左線貫通后的隧道管片應力云圖

圖9 盾構施工完成后橋梁基礎的應力云圖

從圖8可以看出，左線隧道在貫通以后，管片的最大變形量為0.39 mm，最大拉應力值為39.8 MPa。從圖9可以看出，橋梁基礎在盾構施工前后的應力強度值幾乎沒有變化，均為18.1 MPa。由此可得出，盾構施工對橋梁基礎的應力影響很小，并不影響橋梁的正常使用。

4 結語

在盾構隧道施工過程中，地表和鄰近的橋梁基礎在豎向和水平向均會產生位移，位移值隨盾構掘進逐漸增大，最后趨于穩定。在土體和橋梁基礎的共同作用下，橋梁基礎產生傾斜，但變形值很小，可以忽略不計。盾構隧道施工擾動土體，使土體及橋梁基礎產生相對變形，導致基礎產生一定的附加力。但由于隧道距橋基礎水平距離較大，在隧道施工的過程中對橋梁基礎的應力影響很小。