TBM隧道下穿立交橋力學機理分析

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250101）

0 引言

隨著我國城市化進程加快，現有的地面城市交通已經不能滿足經濟發展的需要，地鐵交通應運而生。地鐵隧道修建不可避免會才穿市政結構，產生安全隱患。地鐵隧道下穿城市立交橋和暗渠一般根據其位置關系可以劃分為下穿和側穿這兩種類型，控制好下穿既有構筑物的工程風險也成為了地鐵交通建設的工程風險控制的難點。本文采用數值模擬的方法進行力學機理分析，數值計算方法是分析TBM 隧道下穿橋梁和暗渠的一個重要手段，周群立[1]以合肥地鐵盾構區間下穿五里墩立交橋為工程背景，提出了適合本工程盾構施工時的地層損失率控制指標、橋梁基礎差異沉降控制指標；奚正平[2]運用實際下穿工程案例,證明了可以采取一定的加固措施來控制下穿構筑物而造成的沉降。楊貴永等[3]、薛暉等[4]對區間隧道下穿高速橋進行有限元分析。

1 線路設計概況

青島地鐵4 號線海泊橋站～鞍山路站區間采用左、右分修的兩條并行的單線隧道，洞身范圍主要處于中、微風化地層中。海泊橋站～鞍山路站區間全長為596.108m。區間左、右線隧道平畫曲線半徑最小為400m，左右線線間距13.00m～17.97m。區間隧道最大線路縱坡為28%，為單向坡隧道。始發洞與接收洞之間的標準斷面為采用TBM 機械開挖的單洞單線圓形隧道，始發洞長15m，接收洞長5m，始發洞前2m 二襯采取現澆500mm 厚的C45、P12混凝土，其余襯砌米用預制管片。區間下穿杭鞍高架橋，杭鞍高架橋采用樁基礎，結構評定等級為2 類，相鄰墩臺間不均勻沉降差不應超過0.1%，爆破振動安全允許標準選為V≤1.5cm/s根據勘察資料，沿線地下管線極為密集，研究區間為左線及右線在杭鞍高架路下穿行，隧道軌面埋深約339m。

2 數值計算模擬

2.1 模型的建立

根據相關工程經驗和理論，考慮相關模型尺寸效應：模型中隧道到邊緣的左、 右計算邊界需要取到 3D ～ 5D 左右這樣起其遠邊界處應能認為不受開挖影響，否則，模型尺寸過小會使計算結果不準確[5]。模型中盾構隧道直徑取6m，管片厚度取0.3m，盾構管片長1.5m，模型的幾何尺寸是 90m×50 m× 50 m 的圍巖，其相應的計算模型如下圖1所示。

圖1 整體數值模型圖

2.2 模型參數選擇

對于模型土層，機構采用各向同性摩爾庫倫彈塑性模型，本構模型采用的是彈性模型。模型中管片、土層、橋梁、管片注漿是實體單元，在建立盾殼、暗渠管道模塊中，為了能使模型結構耦合便于計算，則采用板單元進行模擬[6-9]。根據現場地質勘查和數值模擬經驗，選取的模型參數表如下表1：

表1 模型巖土介質力學參數表

2.3 模擬方法

數值模擬中，TBM 采用分段掘進開挖，并且左線先行開挖，開挖結束后然后進行右線開挖。模擬施工過程以兩個管片3m 為一個施工步驟，先進行左線開挖后進行右線開挖。左右線一共是36 個施工步驟，每個施工步驟是一個循環開挖的過程。并且施加不同的掘進壓力120kN/m2、240kN/m2、360kN/m2、480kN/m2和600kN/m2用以進行敏感性分析。

3 可靠性分析

現將工程實際監控數據和數值模擬數據進行對比分析，如圖1所示，實際監控數據和數值模擬計算數據變化趨勢一致，沉降值差別不大，該沉降曲線均是一個沉降槽，但是因為在實際工程中會有各種偶然因素會對沉降數值造成影響，所以現場實際沉降均比模擬數值沉降要大，但是均在安全允許值范圍內，誤差值最大為10.7%。由此說明，用數值模擬的方法進行TBM 下穿構筑物的分析計算是合理的。

圖2 地表最終沉降曲線圖

4 橋臺豎向位移分析

橋臺和橋墩的三維豎向位移云圖如下圖3所示，橋板豎向位移隨著橋臺位置的變化曲線如下圖3所示。

圖3 橋梁三維豎向位移云圖

從圖3可以看出，橋梁的橋臺豎向位移曲線大致是呈W 字母的波浪形，并且位移數值都比較小，方向都是向下。橋臺出現的最大位移值出現在中間橋墩偏右位置處，為3.49mm，最小值豎向則出現在橋梁最左側附件，為1.03mm，最大值比最小值大238.8%。并且從位移云圖可以看出，橋臺后端的豎向位移大于前段位移，分析可能是因為TBM 隧道開挖方向是從橋梁后端指向前端的方向，后端先行開挖后隧道周圍圍巖會發生擾動并發生應力重分布，繼續往前進行開挖會持續對后端圍巖持續造成擾動，并且后端圍巖因為沉降不徹底還會發生隨時間的持續性沉降，進而造成橋臺后端豎向位移大于前端。所以在實際施工中應格外注意橋臺緊挨隧道施工一側的位移監測，防止安全隱患的發生。

圖4 橋板豎向位移曲線圖

從圖4中可以看出，不同掘進壓力下橋板累計豎向位移是不同的，但是變化曲線的趨勢是相同的，并且大致以30m 位置處呈對稱軸分部，大致呈W字母形狀。隨著距離橋板最邊緣距離的增加，豎向位移先增大后減少，最后到對稱軸處一直增加。對于不同的掘進壓力，可以明顯的看出隨著掘進壓力的增加，橋板累計豎向位移減少。掘進壓力為120kN/m2、240kN/m2、360kN/m2、480kN/m2 和600kN/m2 時的最大沉降量分別為3.53mm、3.49mm、3.39mm、3.32mm、3.25mm，分別減少1.14%、2.95%、2.11%、2.15%，減少速率先增大厚減少，綜合考慮240kN/m2 作為掘進壓力開挖隧道是性價比最高的選擇方案。

5 結論

本文以青島地鐵4 號線海鞍區間為背景，運用了數值模擬方法，得出以下結論：

（1）TBM 地鐵隧道開挖對既有立交橋的影響主要體現在：TBM 隧道開挖會對先行開挖的部分持續造成擾動，并且先開挖部分圍巖因為沉降不徹底還會發生隨時間的持續性沉降，進而造成橋臺先開挖部分豎向位移大于后開挖部分。

（2）對于不同的掘進壓力，隨著掘進壓力的增加，立交橋橋板累計豎向位移減少。但是不同掘進壓力的豎向位移變化曲線趨勢是一致的。