隧道掘進(jìn)過(guò)程中鄰近橋梁樁基受力變形規(guī)律研究

毛艷麗

摘要：隧道盾構(gòu)下穿既有工程會(huì)擾動(dòng)周圍的土體，導(dǎo)致其鄰近的構(gòu)筑物產(chǎn)生變形，甚至結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。文章以某鄰近橋梁盾構(gòu)隧道工程為研究對(duì)象，分析該盾構(gòu)隧道施工過(guò)程對(duì)周邊橋梁樁基的影響，并基于有限差分法，分析橋梁樁基及盾構(gòu)上方路面的變形規(guī)律。研究表明，在盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，橋梁樁基及盾構(gòu)上方路面的變形均小于規(guī)范所規(guī)定的限值，說(shuō)明盾構(gòu)施工對(duì)其周邊構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)影響較小。研究成果可為隧道盾構(gòu)施工方案提供理論指導(dǎo)和參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隧道施工；鄰近橋梁；受力變形；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U455.4 A 52 170 4

0 引言

隨著城市建設(shè)的深度發(fā)展，軌道交通規(guī)劃線路常與公路客運(yùn)或鐵路客運(yùn)交叉換乘形成復(fù)雜的地上、地下交通網(wǎng)絡(luò)，不可避免地出現(xiàn)隧道盾構(gòu)下穿既有工程而引起近接橋梁樁基力學(xué)行為改變，從而增大了橋梁運(yùn)行的安全隱患。

隧道下穿既有橋梁工程項(xiàng)目越來(lái)越多，此類工程體量大而復(fù)雜，變形控制尤為嚴(yán)格。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10621-2014） ［1］的有關(guān)規(guī)定，橋墩臺(tái)沉降應(yīng)＜20 mm，橋墩間不均勻沉降應(yīng)＜5 mm，順橋向墩臺(tái)的水平位移≤5 mm。雖然如此，但不乏成功案例，如廣州軌道交通9號(hào)線下穿武廣客專及京廣鐵路工程［2］隧頂距離地面7.9～8.9 m，下穿段對(duì)武廣客專采取安全可靠的MJS工法進(jìn)行水平加固；天津地鐵9號(hào)線七經(jīng)路站-天津站區(qū)間盾構(gòu)下穿天津站［3］采用雙線差異貫通的方式將鐵路區(qū)域內(nèi)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)提高至-10～0 mm；北京地鐵14號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間下穿京津城際［4］則采取對(duì)路基加固后采用盾構(gòu)穿越的方案。有學(xué)者在此基礎(chǔ)上采用拉格朗日和明德林解以及彈性地基的相關(guān)理論分析了隧道盾構(gòu)施工對(duì)樁基水平受力及變形的影響［5］，并通過(guò)樁基礎(chǔ)應(yīng)變-應(yīng)力平面轉(zhuǎn)化有限元法［6］、ABAQUS有限元法［7］、FLAC 3D有限差分法［8］等數(shù)值模擬方法開展了盾構(gòu)開挖順序?qū)扔袠蚧W(xué)行為特征的影響研究，均認(rèn)識(shí)到隧道盾構(gòu)下穿施工對(duì)既有橋梁樁基的影響不容忽視，尤其是鄰近盾構(gòu)施工側(cè)的樁基沉降明顯大于另外一側(cè)，且因?yàn)槎軜?gòu)反復(fù)下穿地層引起的地層沉降會(huì)疊加促使橋基力學(xué)行為異常，加重安全風(fēng)險(xiǎn)。因此需要開展隧道盾構(gòu)施工條件下對(duì)橋梁樁基的影響分析。

本文以某鄰近橋梁隧道工程為研究對(duì)象，通過(guò)有限元軟件建立三維模型，在天然狀態(tài)下橋基力學(xué)行為分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討隧道盾構(gòu)下穿施工過(guò)程中橋梁橋墩

變形特征、隧道上方路面變形特征，以明確隧道施工過(guò)程中橋梁樁基力學(xué)行為特征，旨在給城市地鐵隧道的近接工程施工提供重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 工程條件

1.1 工程概況

某地鐵隧道盾構(gòu)區(qū)間下穿已建成通車的市政橋橋墩，穿越長(zhǎng)度為300 m，隧道結(jié)構(gòu)埋深約13 m，如圖1所示。線路涉及橋梁的跨度單跨30 m。隧道相距15號(hào)、16號(hào)、32號(hào)橋墩最小距離分別為6.7 m、7 m和6.7 m。

各橋墩樁基、承臺(tái)位置與盾構(gòu)隧道位置關(guān)系如圖2所示，從圖中2可以看出12根樁基的橋墩和9根樁基的橋墩是對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的，例如編號(hào)為C、C1和C2墩與D、D1和D2墩是類似的。其中15號(hào)樁對(duì)應(yīng)里程為DK2218+782.00，樁基嵌巖深度14.1～14.7? m；16號(hào)樁軸對(duì)里程為DK2218+686.00，樁基嵌巖深度14.1～14.9 m。

1.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，研究段地層巖性從上到下如表1所示。其中，隧道大面積下穿粉質(zhì)黏土和淤泥，層厚不均，變化厚度最小0.3 m，最厚10.0 m；土體呈流塑-軟塑狀態(tài)，承載力低、強(qiáng)度弱、受荷或擾動(dòng)后變形大。巖土體主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.3 盾構(gòu)施工過(guò)程

陳村隧道內(nèi)、外徑分別為5.9 m和6.6 m，管片寬1.5 m、厚0.35 m，材料為C50混凝土。7塊拼接為一環(huán)。盾構(gòu)過(guò)程中的掘進(jìn)方式為土壓力平衡法，施工過(guò)程中嚴(yán)格控制注漿量、出土量和注漿凝結(jié)時(shí)間，并通過(guò)二次注漿的方式保證施工效果。如圖3所示。

2 建立分析模型

2.1 分析模型

根據(jù)工程情況和場(chǎng)地條件建立數(shù)值分析模型，所建立的模型如圖4所示，模型長(zhǎng)、寬、高分別為115 m、110 m和55 m。橋墩采用實(shí)體模型，其中兩側(cè)橋墩（15號(hào)和32號(hào)）距離模型邊界均超過(guò)20 m、樁底距離模型底部大于5倍樁徑，避免了邊界效應(yīng)。

在模型中設(shè)置各地層的厚度分別為：4 m、2 m、6 m、2 m、4 m、2 m，30 m。其地層向下依次為填土（1-1）、淤泥（2-2）、粉砂（3-1）、淤泥（2-2）、粉質(zhì)黏土（4-1）、中砂（3-3）、強(qiáng)風(fēng)化砂巖（7-2）、弱風(fēng)化砂巖（7-3）。

計(jì)算過(guò)程中，模型邊界條件設(shè)定模型底部三個(gè)方向位移和速度方向固定，四周邊界設(shè)定水平位移固定，模型頂部則為自由面。

計(jì)算時(shí)巖土體采用M-C本構(gòu)模型，盾構(gòu)機(jī)及管片采用彈塑性模型，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

2.2 隧道下穿過(guò)程模擬

根據(jù)實(shí)際施工設(shè)計(jì)，盾構(gòu)推進(jìn)長(zhǎng)度為每節(jié)1.6 m。計(jì)算過(guò)程中預(yù)先刪除與單節(jié)管片長(zhǎng)度一致的土體單元，刪除后采用殼體單元模擬盾構(gòu)機(jī)盾殼，并結(jié)合所賦予的結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)來(lái)模擬施工過(guò)程中對(duì)土體的支撐力，計(jì)算中，為了模擬土壓平衡模式，在擬定開挖的平面上限制Y方向的水平和豎向位移，用管片單元替換殼體單元模擬襯砌。重復(fù)上述操作完成全部盾構(gòu)推進(jìn)流程。盾構(gòu)推進(jìn)的過(guò)程中還需要同步模擬土層注漿加固，為簡(jiǎn)化計(jì)算流程，僅考慮注漿凝固后（即加固完成后）漿液性質(zhì)，計(jì)算參數(shù)取為E=0.25 MPa。

3 開挖過(guò)程中橋梁橋墩變形特征分析

以圖2中D1、E、E2的3列橋基為例進(jìn)行分析。

D1列橋基變形如圖5所示。由圖可知，3排橋墩水平/垂直方向位移均相對(duì)較小，尤其是豎向位移未達(dá)0.01 mm。且從計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步可知，中間排（16號(hào)）橋墩因受擾動(dòng)較小其變形量顯著小于兩側(cè)橋墩的變形量，尤其是水平位移基本為0 mm。

E列、E2列橋基變形情況與D1列基本相似，僅位移大小略有差異，但≤0.001 mm。如圖6、圖7所示。

4 開挖過(guò)程中隧道上方路面變形特征

由于地面長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且從開挖后的云圖中可以看出隧道上方的路面變形幾乎一致，因此選取其中幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行觀察。選取橋基間的隧道上方路面觀察，因?yàn)榇颂幝访孀冃螌?duì)橋基影響最大。具體觀察分析如下所示：

15號(hào)、16號(hào)及32號(hào)D1列橋墩間隧道上方路面垂直方向變形如圖8所示。從圖中可以看出，當(dāng)隧道盾構(gòu)施工通過(guò)節(jié)點(diǎn)位置（如圖中開挖進(jìn)深10～20 m）時(shí)，隧道上方的路面變形相對(duì)較大，最大沉降接近2 mm（隧道30 m處），隨著掘進(jìn)深度的增加，地面變形受此擾動(dòng)影響逐漸減小，整段隧道變形在1.8～2 mm。

15號(hào)、16號(hào)及32號(hào)E列橋墩間隧道上方路面垂直方向的變形如圖9所示。從圖中可以看出，當(dāng)隧道盾構(gòu)施工通過(guò)節(jié)點(diǎn)位置（如圖中開挖進(jìn)深52～ 68 m）時(shí)，隧道上方的路面變形相對(duì)較大，最大沉降接近1.7 mm（隧道80 m處），隨著掘進(jìn)深度的增加，地面變形受此擾動(dòng)影響逐漸減小，整段隧道變形在1.7～1.8 mm。

15號(hào)、16號(hào)及32號(hào)E2列橋墩間隧道上方路面垂直方向的變形如圖10所示。從圖中可以看出，當(dāng)隧道盾構(gòu)施工通過(guò)節(jié)點(diǎn)位置（如圖中開挖進(jìn)深98～110 m）時(shí)，隧道上方的路面變形相對(duì)較大，最大沉降發(fā)生在模型邊界處，為1.67 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某地鐵盾構(gòu)施工穿越鄰近橋梁工程為背景，通過(guò)有限元軟件建立三維模型，在天然狀態(tài)下橋基力學(xué)行為分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討隧道盾構(gòu)下穿施工過(guò)程中橋梁橋墩變形特征、隧道上方路面變形特征，得出結(jié)論：隧道施工對(duì)既有橋梁影響較小；施工過(guò)程中，盾構(gòu)線路所穿越的橋墩水平和豎向位移均＜1 mm；隧道正上方地表最大沉降變形4 mm，對(duì)地表穩(wěn)定亦無(wú)影響；隧道盾構(gòu)施工方案設(shè)計(jì)可行。

參考文獻(xiàn)

［1］TB10621-2014，高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］鄧 唐.高鐵列車動(dòng)載作用下盾構(gòu)隧道管片疲勞影響因素及評(píng)價(jià)方法研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2016.

［3］齊 濤.盾構(gòu)隧道施工數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.

［4］徐干成，李成學(xué)，王后裕，等.地鐵盾構(gòu)隧道下穿京津城際高速鐵路影響分析［J］.巖土力學(xué)，2009（S2）：269-273.

［5］宋 軍.淺埋暗挖隧道下穿建筑物樁基-筏板托換施工技術(shù)研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2015，4（4）：64.

［6］資 誼.盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿樁基的數(shù)值計(jì)算與分析［J］.鐵道建筑技術(shù)，2011（S1）：118-121.

［7］巨建勛，史文杰.下伏隧道施工條件下橋梁基礎(chǔ)的力學(xué)響應(yīng)研究［J］.公路，2014，59（3）：63-67.

［8］楊 博.地鐵盾構(gòu)隧道近接施工對(duì)既有橋梁樁基力學(xué)行為的影響分析［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2018.

收稿日期：2023-04-17