城市盾構(gòu)隧道下穿對(duì)既有橋梁的影響分析

鄭恒重，周斌

（廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510670）

0 引言

隨著我國(guó)城市化人口增加對(duì)交通出行的需求與日俱增。而城市地面交通發(fā)展逐漸受到空間條件的限制。城市地下軌道因其客運(yùn)量大和準(zhǔn)時(shí)方便的優(yōu)勢(shì)已成為各個(gè)城市重點(diǎn)發(fā)展的重點(diǎn)。城市軌道的線路不可避免的會(huì)遇到側(cè)穿既有城市橋梁基礎(chǔ)。由于盾構(gòu)隧道的開(kāi)挖會(huì)影響到周圍原狀土體，對(duì)土體與既有橋梁樁基的相互作用產(chǎn)生擾動(dòng)，最終導(dǎo)致橋梁樁基在盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生位移。在位移達(dá)到一定程度后，因位移而增加的荷載將嚴(yán)重影響既有橋梁安全性與穩(wěn)定性[1-2]。

研究表明盾構(gòu)在中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖中穿越高鐵橋梁基礎(chǔ)時(shí)可通過(guò)合理布置洞內(nèi)壁后二次注漿加固方案，避免同類工程常見(jiàn)的隔離樁施工[3]。通過(guò)運(yùn)用有限元分析軟件模擬雙線隧道下穿橋梁，結(jié)果表明地表的沉降曲線為單峰“V”字形正態(tài)分布[4]。以西安地鐵十六號(hào)線下穿城市高架橋?yàn)楸尘斑M(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明地鐵隧道開(kāi)挖對(duì)既有橋梁樁基影響，臨近隧道的樁基變形影響最大，沉降值達(dá)到7.14mm，而且后開(kāi)挖隧道樁基變形規(guī)律為先增大后減小的趨勢(shì)[5]。

本文以廣州城市軌道交通地鐵某線下穿既有橋梁為工程背景，通過(guò)midas GTS NX 與midas civil 三維模型模擬盾構(gòu)隧道施工時(shí)樁基變形對(duì)既有橋梁的影響，并采用LEC 法對(duì)盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析。

1 工程概況

廣州市軌道交通某線區(qū)間隧道長(zhǎng)約950m，采用盾構(gòu)法施工。隧道外徑D6.4m，內(nèi)徑D5.5m。隧道在ZDK17+446.551—ZDK17+531.850、YDK17+448.108—YDK17+531.850 穿越既有高架橋，左右線區(qū)間側(cè)穿現(xiàn)狀橋梁83#、84#墩1～4#樁基，其中右線區(qū)間隧道距離83#橋墩83-2 樁基最近距離為1.9m；左線區(qū)間隧道距離84#橋墩84-1 樁基最近距離為19.4m；隧道穿越長(zhǎng)度約為19m。既有高架橋建于2000 年。該橋?yàn)閱畏鶚颍怪甭穼挿葹?9m。區(qū)間下穿位置橋梁聯(lián)長(zhǎng)110m，上部結(jié)構(gòu)采用（30+50+30）m 預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。下部結(jié)構(gòu)為薄壁墩+承臺(tái)樁基礎(chǔ)，主墩采用墩梁固結(jié)形式。樁基為鉆孔灌注樁，直徑為1.5m。83#樁樁長(zhǎng)27.16m，84#樁樁長(zhǎng)33.34m。

隧道范圍地層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<8-1>、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<8-3>、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<7-3>，地面至隧道拱頂自上而下地層為粉質(zhì)黏土<5N-2>、粉質(zhì)黏土<4N-2>、中粗砂<3-2>、淤泥質(zhì)中粗砂<2-3>、淤泥質(zhì)土<2-1B>、淤泥<2-1A>、雜填土<1>。

2 有限元分析

2.1 研究思路

為分析地鐵施工對(duì)既有高架橋的影響，采用邁達(dá)斯GTS NX 2015 建立三維模型模擬隧道施工變形。采用邁達(dá)斯CIVIL2020 模擬既有橋梁結(jié)構(gòu)，將隧道施工產(chǎn)生的變形施加到既有橋梁樁基，研究既有橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化。

2.2 模型的建立

根據(jù)既有高架橋竣工圖，結(jié)合橋墩、樁基、承臺(tái)構(gòu)造和地層特性，對(duì)下穿盾構(gòu)隧道建立三維有限元模型，模型尺寸為147m×110m×55m。本計(jì)算模型地層厚度自上而下分別為：雜填土2.19m，淤泥質(zhì)土2.70m，粉質(zhì)黏土3.00m，淤泥質(zhì)土2.80m，粉質(zhì)黏土1.80m，強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖2.90m，強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖下為角礫狀構(gòu)造破碎帶（表1）。計(jì)算模型中的土層采用實(shí)體單元，其本構(gòu)模型采用各向同性彈塑性模型中的修正莫爾-庫(kù)倫模型，其破壞準(zhǔn)則為MohrˉCoulomb 破壞準(zhǔn)則。橋梁樁基采用一維梁?jiǎn)卧欢軜?gòu)隧道襯砌采用二維平面板單元；橋墩和承臺(tái)采用實(shí)體單元，其材料本構(gòu)模型均為各向同性彈性模型。

表1 三維數(shù)值模擬材料參數(shù)取值

采用有限元分析程序Midas Civil 2020 建立有限元模型進(jìn)行整體靜力分析。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為花瓶墩，樁基約束采用樁土彈簧模擬。橋梁模型計(jì)算荷載及組合如下。

（1）永久作用。上部結(jié)構(gòu)的瀝青混凝土橋面鋪裝自重計(jì)算采用容重24kN/m3；鋼筋混凝土自重計(jì)算采用容重26kN/m3；舊橋成橋20 年永久沉降考慮10mm；樁基新增不均勻沉降根據(jù)巖土模型計(jì)算結(jié)果取值。

（2）可變作用。本橋?yàn)檫B續(xù)箱梁，當(dāng)按照單梁模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，汽車荷載需考慮偏載效應(yīng)，綜合計(jì)算得活載效應(yīng)系數(shù)為：4×0.67×1.15＝3.082。均勻溫度作用為整體升溫20℃，整體降溫-20℃；梯度溫度按《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)范執(zhí)行。

2.3 模擬結(jié)果分析

模型計(jì)算工況為初始場(chǎng)地（位移清零）：跨線橋和車站施工；位移清零；盾構(gòu)隧道施工（先施工隧道右線，隧道右線通過(guò)后施工隧道左線）。以下為右線隧道下穿前、下穿時(shí)、下穿后、左線隧道下穿前，下穿時(shí)和下穿后的位移計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 橋樁結(jié)構(gòu)位移匯總單位：mm

由表2 計(jì)算結(jié)果可知，隧道下穿過(guò)程中X 方向位移大于Y 方向、豎向位移，且盾構(gòu)過(guò)程中X 方向位移增加速率較大。X 方向位移最大值出現(xiàn)在左線隧道完全下穿橋樁后為-0.80mm。Y 向水平位移與豎向位移隨著盾構(gòu)進(jìn)行位移增加速率較X 方向速率小。其中Y 方向位移極值為-0.14mm，出現(xiàn)在左線下穿至橋梁底時(shí)；豎向位移最大值出現(xiàn)在右線隧道完全下穿，豎向位移極值為-0.18mm；

將樁基變形結(jié)果通過(guò)強(qiáng)制位移施加到CIVIL 橋梁模型中，對(duì)既有橋梁進(jìn)行檢算，結(jié)果如表3 所示。

表3 既有橋梁計(jì)算結(jié)果匯總（一）

由表3 可知，隧道下穿過(guò)程中，樁基產(chǎn)生的位移對(duì)橋梁影響可控，既有橋梁各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

本項(xiàng)目施工誘發(fā)高架橋最大差異沉降為0.18mm，最大差異水平位移為0.8mm。由于83#墩與盾構(gòu)隧道水平距離較近，因此在施工過(guò)程中產(chǎn)生的差異沉降與水平位移最大。為探討該差異沉降控制作用下橋梁的承載力安全狀態(tài)，假設(shè)既有產(chǎn)生15mm 差異沉降，5mm差異水平位移，對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，結(jié)果如表4 所示。

表4 既有橋梁計(jì)算結(jié)果匯總（二）

經(jīng)測(cè)算，水平位移5mm 時(shí)，差異沉降10mm 時(shí)，橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算均滿足要求，樁身強(qiáng)度驗(yàn)算均滿足要求。根據(jù)《城市橋梁隧道結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》6.4.1 規(guī)定，豎向差異可定沉降控制值為10mm，水平位移控制值為5mm，監(jiān)測(cè)預(yù)警等級(jí)及應(yīng)對(duì)管理措施如表5所示。

表5 監(jiān)測(cè)預(yù)警等級(jí)劃分及對(duì)應(yīng)管理措施

3 風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)

選擇LEC 法對(duì)盾構(gòu)施工（地下水位控制）、同步注漿、二次注漿、回填注漿進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)估測(cè)如式（1）所示。

式中：L——發(fā)生事故的可能性大小；E——人體暴露在這種危險(xiǎn)環(huán)境中的頻繁程度；C——一旦發(fā)生事故會(huì)造成的損失后果；D——危險(xiǎn)性。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將事故發(fā)生的可能性、施工人員暴露時(shí)間、事故發(fā)生后果劃分不同的等級(jí)并賦值。根據(jù)式（1）可計(jì)算作業(yè)的危險(xiǎn)程度，并判斷評(píng)價(jià)危險(xiǎn)性的大小。將結(jié)果按下表分級(jí)。D 值越大，危險(xiǎn)性大。本項(xiàng)目各評(píng)價(jià)單元危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)如表6 所示。需要增加安全措施，或改變發(fā)生事故的可能性，或減少人體暴露于危險(xiǎn)環(huán)境中的頻繁程度，或減輕事故損失，直至調(diào)整到允許范圍內(nèi)。

表6 本項(xiàng)目各評(píng)價(jià)單元危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

由表6 可得，盾構(gòu)施工（地下水位控制）和同步注漿、二次注漿的危險(xiǎn)程度均為“顯著危險(xiǎn)，需要整改”；管片安裝、盾尾油脂和泡沫加注的危險(xiǎn)程度均為“比較危險(xiǎn)，需要注意”。

當(dāng)項(xiàng)目施工時(shí)間在夜間施工，同時(shí)短暫封閉橋梁交通，待盾構(gòu)通過(guò)橋梁后再開(kāi)放橋梁交通。經(jīng)過(guò)整改后項(xiàng)目評(píng)價(jià)單元危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)可優(yōu)化如表7 所示。

表7 整改措施后各評(píng)價(jià)單元危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

由表7 可知，整改后施工風(fēng)險(xiǎn)降低明顯。盾構(gòu)施工（地下水位控制）和同步注漿、二次注漿的危險(xiǎn)程度均為“比較危險(xiǎn)，需要注意”；管片安裝、盾尾油脂和泡沫加注的危險(xiǎn)程度均為“低度危險(xiǎn)，可以接受”。

4 結(jié)論

（1）隧道下穿過(guò)程中，水平位移最大值出現(xiàn)在左線隧道完全下穿橋樁后為0.80mm。

（2）豎向位移最大值出現(xiàn)在右線隧道完全下穿，豎向位移極值為0.18mm。

（3）隧道下穿過(guò)程中，樁基產(chǎn)生的位移，對(duì)橋梁影響可控，既有橋梁各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（4）隧道下穿過(guò)程中，既有橋梁豎向差異可定沉降控制值為10mm，水平位移控制值為5mm。

（5）LEC 法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表明：盾構(gòu)過(guò)程通過(guò)夜間施工，同時(shí)短暫封閉橋梁交通，待盾構(gòu)通過(guò)橋梁后再開(kāi)放橋梁交通，可減小盾構(gòu)施工危險(xiǎn)程度。