地鐵重疊隧道盾構下穿拱橋數值分析

武保華

(西南交通大學希望學院土木工程學院，四川 成都 610400)

0 引言

隨著城市交通的發展，城市地鐵因其占用土地和空間少、運輸能量大、運行速度快、環境污染小、乘客安全舒適等優點被多個城市采用，城市軌道交通的區間路線在城市的主要城區施工，一般采用盾構施工的方式[1-4]。隨著城市地鐵建設的不斷深入，地鐵的區間路線在城市的老城區沿主要的交通走廊鋪設，將不可避免地與已建建筑及橋梁的基礎產生一定的位置關系矛盾，如國外日本東京的四孔近距離地鐵隧道、新加坡高速公共交通系統中的四孔快速地鐵隧道。受交通、管線、既有建(構)筑物等客觀因素影響，為降低工程風險、減少工程投資并減小環境影響，地鐵區間隧道需要在狹窄的空間穿過，不可避免會采用重疊隧道的方案進行穿越。在復雜城市環境下，對重疊隧道下穿既有建筑和橋梁的情況，如何保證隧道自身施工安全同時最大限度地減少對既有建筑和橋梁的影響是一個重要的研究課題。

近年來，相繼有科研人員對重疊隧道地鐵施工展開研究，肖瀟等[5]對多線疊交盾構施工引起土體變形進行了數值模擬分析，黃俊等[6]對地鐵重疊隧道上覆地層變形進行了數值模擬，張海波等[7]以上海軌道交通明珠線二期工程浦東南路近距離疊隧道盾構施工為研究對象，采用三維非線性有限元，對近距離疊交下后建隧道盾構施工引起老襯砌的應力和變形進行模擬。

拱橋為超靜定結構，特別是連拱拱橋，微小沉降都會引起結構內力改變，使之失穩；而地鐵下穿拱橋的盾構施工不可避免會導致拱橋橋臺的不均勻沉降，危害橋梁的正常使用和承載能力，如何分析地鐵重疊隧道盾構施工對周圍的土體的擾動影響，確保連拱拱橋的正常使用和盾構的順利推進，是盾構隧道下穿建筑物的設計與施工中的非常關鍵的問題，文寶軍等[8]針對地鐵盾構隧道下穿護城河拱橋的沉降進行了數值模擬并提出了相應的控制措施。

本文結合成都地鐵重疊隧道盾構下穿某實腹式連拱拱橋實例，采用MIDAS/GTS有限元對4條重疊隧道盾構施工下穿實腹式連拱拱橋進行數值分析，提出施工措施，為設計和施工提供參考[9]。

1 工程概況

成都市某三跨磚拱橋，橋梁采用實體墩式擴大基礎形式，建成于20世紀60年代，在2004年進行過橋面系改造。設計凈跨徑12.0 m，拱頂厚60 cm，拱腳厚度80 cm，設計荷載：汽-13級，驗算荷載：拖-60 t，拱圈采用舊城墻磚，用100級砂漿砌筑；成都地鐵5號、6號線區間隧道穿越該拱橋及河流，5號線隧道距離該橋墩基礎最小凈距4.37 m～6.11 m；6號線隧道距離該橋墩基礎最小凈距2.98 m～3.74 m。該橋與成都地鐵5號、6號線位置關系圖見圖1。

拱橋及下穿重疊隧道的土體力學性質及土層厚度如表1所示。

表1 土層力學參數

2 盾構施工數值模擬分析

2.1 研究方法

根據所提供的區間設計方案等資料，采用施工場地地質勘探報告中地層分布建立計算模型，采用三維有限元數值分析方法，對盾構區間施工下穿連拱拱橋整個施工過程進行模擬，主要針對施工過程中對已有橋梁基礎進行位移沉降分析，并驗算在隧道盾構施工過程中拱圈應力情況，對拱橋結構進行評價，并根據拱橋的加固方案，進行數值分析與實測數據對比。

2.2 計算模型

數值模型坐標系：計算模型的水平X軸指向盾構掘進方向為正；水平Y軸方向指向連拱拱橋橫斷面方向為正；豎直Z軸指向重力反方向為正。

計算范圍：Y軸方向：左右邊界距連拱拱橋橋臺后側40 m；X軸方向：左右邊界距連拱拱橋中軸線各64 m；Z軸方向：模型上表面取為天然地面，下表面取至距上表面50 m。模型尺寸(長×寬×高)：137 m×128 m×50 m。

模型網格：整個計算模型單元數為119 868個，節點數為62 675個。圖2為整體分析三維數值模型網格圖；圖3為該連拱拱橋和重疊隧道三維數值模型關系網格圖。

2.3 計算參數

本構模型：各巖土層采用彈塑性摩爾-庫侖屈服準則，已有橋梁基礎、臺身以及拱上建筑、隧道襯砌結構等均采用線彈性材料本構模型。

邊界條件：X軸方向前后邊界施加X方向上連桿約束；Y軸方向前后邊界施加Y方向上連桿約束；Z軸方向下表面邊界施加Z方向上連桿約束。

計算參數：土層力學參數如表1所示，結構參數如表2所示。

表2 結構參數

2.4 控制點位置

為了分析重疊隧道盾構施工對拱橋的影響，沿著里程增大方向(即隧道掘進方向)將拱橋基礎分為0號臺、1號墩、2號墩和3號臺，分析墩臺基礎4個腳點的位移變形情況，變形控制點如圖4所示。

3 計算結果及分析

1)盾構施工6號線左線不同位置時的拱橋的基礎控制點位移。

0號臺控制點位移如圖5所示，1號墩控制點位移如圖6所示，2號墩控制點位移如圖7所示，3號臺控制點位移如圖8所示。

從圖5中可以看出：

a.0號臺在盾構未到時，基礎4個控制點位移是向上的，呈現的是隆起的趨勢。

b.到達0號臺時，盾構一側的基礎控制點3號、4號點位下降，隨著盾構的向前推進，3號、4號點位下降，1號、2號點位由于翹曲原因呈現向上的位移。

c.盾構離開拱橋后，0號臺的基礎位移隆起最大為9.84 mm,位于0號臺左側，沉降最大為5.41 mm，位于0號臺右側。

從圖6中可以看出：

a.1號墩在盾構未到時，基礎4個控制點位移變化不大，由于0號臺的基礎變位，呈現的是沉降的趨勢，沉降位移在1 mm之內。

b.到達1號墩時，盾構一側的基礎控制點3號、4號點位下降，隨著盾構的向前推進，3號、4號點位下降，1號、2號點位由于翹曲原因呈現向上的位移。

c.盾構離開1號墩后，3/4號點位沉降明顯，到達2號墩后沉降趨緩；由于翹曲因素1/2號點位隆起趨勢漸緩。

d.盾構離開拱橋后，1號墩的基礎位移隆起最大為3.41 mm，位于1號墩左側，沉降最大為8.75 mm，位于1號墩右側。

從圖7中可以看出：

a.2號墩在盾構未到時，基礎4個控制點位移變化不大，由于0號臺和1號墩的基礎變位，呈現的是沉降的趨勢，沉降位移在1 mm之內。

b.到達2號墩時，盾構一側的基礎控制點3號、4號點位下降，隨著盾構的向前推進，3號、4號點位下降，1號、2號點位由于翹曲原因呈現向上的位移。

c.盾構離開2號墩后，3/4號點位沉降明顯，到達3號臺后沉降趨緩；由于翹曲因素1/2號點位隆起趨勢漸緩。

d.盾構離開拱橋后，2號墩的基礎位移隆起最大為2.94 mm，位于2號墩左側，沉降最大為7.98 mm，位于2號墩右側。

從圖8中可以看出：

a.3號臺在盾構未到時，基礎4個控制點位移由于0號臺、1號墩和2號墩的基礎變位，呈現的是隆起的趨勢，隆起位移在7 mm之內。

b.到達3號臺時，盾構一側的基礎控制點3號、4號點位下降，隨著盾構的向前推進，3號、4號點位下降，1號、2號點位由于翹曲原因呈現向上的位移。

c.盾構離開3號臺后，3/4號點位沉降明顯，離開3號臺一段距離后沉降趨緩；由于翹曲因素1/2號點位隆起趨勢漸緩。

d.盾構離開拱橋后，3號臺的基礎位移隆起最大為8.18 mm，位于3號臺左側，沉降最大為2.24 mm，位于3號臺右側。

2)盾構施工6號線左線不同位置時拱橋基礎位移評價。

綜合以上所述，6號線左線盾構施工過程中拱橋基礎位移評價如表3，表4所示。

表3 盾構不同位置時拱橋基礎位移評價表 mm

表4 相鄰橋梁墩臺間差異沉降 mm

3)盾構施工6號線左線不同位置時拱橋拱圈應力評價。

盾構施工6號線左線不同位置時拱橋拱圈應力結果如表5所示。

表5 盾構施工不同位置的拱圈應力 MPa

4)盾構施工結果分析。

因該拱橋下穿4條地鐵線路，分別為5號線左右線和6號線左右線，并且為上下重疊布置，其中，6號線左線隧道頂部離西北橋基礎較近，經過數值模擬分析，6號線左線盾構施工過程中，0號臺和1號墩的差異沉降及2號墩和3號臺的 差異沉降不滿足要求；第一孔L/4拱圈主應力和第三孔3L/4拱圈主應力由于拉應力過大，不滿足拱圈容許應力值。

故當4條隧道盾構施工后，更不滿足沉降和應力的要求，因此，需要對拱橋進行加固處理。

4 拱橋加固數值分析及實測結果比較

4.1 拱橋加固方案

1)靠近西北橋0號橋臺和3號橋臺外側地面各打設兩排φ159×8 mm@0.4 m管棚，約束橋梁的水平位移，管棚長14.5 m，底部伸入基礎底2 m，管棚內插入3根直徑20 mm鋼筋，管內灌注水泥漿。

2)2號橋墩和3號橋墩基礎埋設直徑52 mm的袖閥管，以利于橋墩沉降時對中間基底進行注漿加固，注漿管長約6.2 m～6.8 m。注漿孔南北東西向間距2 m，注漿范圍南北長度50 m(同基礎長)。

3)對全橋橋拱進行鋼筋混凝土支撐。為保證支撐效果，支撐底部設置400 mm厚鋼筋混凝土支撐板，側墻設置300 mm厚，拱板設置400 mm厚。主筋保護層：迎水側為50 mm，其余為40 mm。鋼筋的連接采用焊接，焊接長度單面焊不小于10d，雙面焊不小于5d。

4.2 拱橋加固后數值分析及實測結果比較

盾構施工過程從5號線左線開始施工，盾構施工過橋后6 m，再施工5號線右線，然后施工6號線左線，最后施工6號線右線。

拱橋加固后，盾構過程中控制點的位移和差異沉降經數值模擬分析得到表6，表7所示結果；拱橋拱圈應力結果如表8所示。

表6 加固后盾構不同位置時拱橋基礎位移評價表 mm

表7 加固后相鄰橋梁墩臺間差異沉降 mm

表8 盾構施工過程中拱圈應力 MPa

加固后的拱橋在盾構過程中對控制點進行實測，并與數值模擬進行對比。

以0-2號控制點為例，基礎沉降變形與實測結果如圖9所示。

5 結論與建議

通過該連拱拱橋在四條地鐵隧道下穿盾構施工的數值模擬和實測結果分析對比，得到下面的結論：

1)城市地鐵盾構施工對連拱拱橋影響較大，應首先進行數值模擬分析，得到拱橋基礎的沉降規律，并確定最大變形位移，同時應分析拱橋的應力狀態。

2)由于拱橋受到水平推力的影響，數值模擬時應著重考慮拱橋的邊界條件，結合巖土+結構一體化建模方式有助于全面分析地鐵盾構下穿拱橋的整體變化。

3)數值分析的結論應與實測資料進行對比分析，合理調整巖土的本構關系，為類似地層及下穿建筑物提供工程參考。