盾構下穿高架橋變形監測指標研究

朱永澤

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200000）

修建城市地下管廊會穿過越城市橋梁和房屋等基礎設施，因此對現有建筑的安全有一定影響，很多學者做了研究[1-6]。該文根據某城市電力管廊下穿高架橋的情況，對高架橋的安全性影響進行分析，根據分析結果提出合理的施工監控建議，明確關鍵監測指標，為相似工程提供參考。

1 工程概況

擬建場地原地貌從南東至北西為低丘臺地—低丘前緣—沖積平原區，經市政建設推方和填方，電力隧道沿線地面均已完成人工填土。根據鉆探揭露，隧道地層由第四系土層、白堊系、侏羅系、石炭系碎屑巖、碳酸鹽巖、燕山早期花崗巖及元古代云群變質巖基巖構成。該電力綜合管廊采用盾構形式，內徑d=2.9m，外徑D=3.5m，該設計為標準圓形斷面設計，盾構整體從橋梁結構下部穿越，平面投影施工范圍在橋梁2#橋墩和3#橋墩間，盾構與橋墩樁基底豎向距離約12m，與橋墩樁基礎水平距離約3m，盾構主要穿越全風化砂礫巖。

2 計算模型

根據項目地層和周邊建筑物的分布情況，結合內環高架結構的設計參數，用MIDAS建立三維數值計算模型，如圖1所示。橋梁結構的橋墩和承臺采用實體單元模擬，樁基礎采用樁單元模擬，周圍土層采用實體單元模擬，整體模型約束四周水平位移，模型底部采用固定約束。首先，分析項目場地初始應力場，其次，確定盾構施工前高架結構的初始受力狀態，為研究盾構施工對高架結構的受力和變形影響奠定基礎，最后，分析盾構施工引起的橋梁變形。具體工況見表1。

圖1 計算模型

表1 盾構三維動態施工模擬的主要流程

由于盾構施工會導致橋墩發生豎向和側向變形，容易使高架結構受力和變形狀態發生改變，高架結構發生不均勻變形，可能影響高架結構的正常使用。因此，進行以下工作：1）在盾構施工前，確定場地初始地應力場和內環高架結構初始受力狀態，對盾構施工進行三維動態施工過程模擬，計算盾構施工對鄰近樁基的影響。2）分析盾構施工對高架結構的變形影響過程，確定盾構施工過程對高架結構的最大變形增量，分析施工過程對內環高架結構變形的不利影響，并評估高架結構的安全狀態。

巖土材料使用Drucker-prager屈服準則，可模擬盾構施工過程中土體應力及變形，收斂性較好。

3 數值模擬結果分析

電纜盾構隧道施工引起鄰近高架結構的水平位移、豎向位移變形結果如圖2所示。臨近盾構施工的2#橋墩和3#橋墩變形較大，橋墩與承臺及樁基礎變形呈整體性，距離較遠的1#橋墩和4#橋墩變形相對較小，盾構施工的平面影響范圍有限。

圖2 盾構施工后橋梁下部結構的位移云圖（單位：mm）

根據圖2可以看出電纜盾構施工引發兩側高架2號橋墩結構的最大水平位移為6.43mm，3號橋墩結構的最大水平位移為4.77mm，最大豎向位移發生在2號橋墩為13.83mm。下穿施工對橋梁結構影響較小，滿足安全性要求。

根據數值模擬計算結果得到施工過程中橋墩結構位移，最大水平位移為6.43mm，最大豎向位移為-13.83mm，最大總位移為15.57mm。通過相鄰橋墩的沉降結果可以分析1#橋墩和2#橋墩差異沉降為12.60mm，2#橋墩和3#橋墩差異沉降為8.07mm，3#橋墩和4#橋墩差異沉降為5.65mm。從計算結果可知，差異沉降最大點出現在1#橋墩和2#橋墩間，應該作為重點監測位置進行跟蹤監測。

根據相關規范，沉降值應滿足以下3個要求：1）墩臺均勻總沉降值為2）相鄰墩臺總沉降差值為3）墩臺頂面水平位移值為0.5L(cm)。該項目橋墩跨度為25m，墩臺均勻總沉降容許值為10cm，相鄰墩臺總沉降容許值為5cm，墩臺頂面水平位移容許值為2.5cm。

通過數值模擬得到的盾構隧道施工對緊鄰高架橋影響小于控制值。

由計算結果可知，施工過程中橋梁結構變形遠小于規范值，若將規范中的控制值作為工程監測控制值，則較難控制結構變形。結合工程實際特點及變形預測結果，確定在工程盾構區間下穿過程中，橋梁結構變形控制值見表2。將控制值的80%作為報警值，70%作為預警值。

表2 橋梁結構變形控制指標（單位：mm）

綜上所述，最大水平位移發生在2號橋墩為6.43mm，最大豎向位移發生在2號橋墩為13.83mm，最大差異沉降發生在1#橋墩和2#橋墩間為12.60mm，應該將變形最大的位置作為重點監測點，并加大監測頻率。對盾構施工影響較小的1#橋墩和4#橋墩來說，可適當降低監測頻率。在施工過程中進行動態調整，如果發現變形較大可調整監測方案。

盾構施工對橋梁結構的影響有一定空間效應。當盾構施工和距離橋梁有一定距離時，橋梁結構已經開始變形，盾構穿越整個橋梁結構后，橋梁結構仍在繼續變形，盾構下穿過程中的變形如圖3所示。

圖3 盾構施工過程中橋墩的位移云圖

由圖3可知，結構變形急劇增加的主要區域位于施工步8～19步，即盾構開挖至橋梁承臺邊緣16.14m（約為5D）～盾構遠離橋梁承臺邊緣10.55m（約為3D），該區域應該加大橋梁結構的變形監測力度，控制盾構掘進參數，保證橋梁結構變形在可控范圍內。

由盾構施工過程的變形計算結果可知，在盾構施工側穿橋梁的過程中橋梁會發生變形，當盾構施工距離橋梁16.14m（約為5D）時，橋梁已經開始加速變形。通過分析，當盾構施工至距離橋梁16.14m（約為5D）時，由于掌子面和附近土體損失，導致前方橋梁發生變形，因此應該提前對橋梁的變形進行監測。在盾構施工穿越橋梁后，在盾構遠離橋梁承臺邊緣10.55m（約為3D）的過程中，橋梁仍在變形，周圍土體損失變形情況還未穩定，管片背后同步注漿具有時效性，管片安裝和同步注漿的及時性對控制變形過程至關重要，應該進行監測直至變形穩定。

在靠近橋梁的過程中，土體損失、注漿不及時等因素，容易導致盾構施工掌子面和前方土體沉降變形，進而引發橋梁結構的變形。當盾構遠離橋梁后，掌子面開挖對橋梁結構影響較小，同時前期掘進土體變形情況相對穩定，橋梁結構的變形也逐漸趨于平穩。

從橋墩的變形結果可知，橋墩A點的變形大于B點的變形，盾構穿越橋墩A點為沿橋梁縱向變形，盾構穿越橋墩B點為部分沿橋梁橫向變形，橋梁橫向變形受相鄰橋墩整體性剛度影響較大，因此變形相對較小。

此外，盾構施工過程中盾構井的頂推力、土體損失率及同步注漿壓力等參數對周圍土體變形也有重要的影響，該內容在數值模擬中的實現方式還須進一步研究和完善，進而更貼近盾構的實際施工過程，可以更好地指導施工及監測。

4 結論

該文采用有限元模擬的方法，對盾構下穿高架橋施工的過程進行分析，結論如下：1）綜合分析電纜盾構隧道與高架結構特點及其空間關系，電纜盾構隧道施工對高架橋結構的影響主要體現為盾構施工卸載對鄰近高架結構產生附加位移，因為位移量較小，所以不影響高架橋結構的安全性。由橋墩的變形結果可知，橋墩A點的變形大于B點的變形，盾構穿越橋墩A點為沿橋梁縱向變形，盾構穿越橋墩B點為部分沿橋梁橫向變形，橋梁橫向變形受相鄰橋墩整體性剛度影響較大，因此變形相對較小。2）由數值模擬計算結果可知，施工過程中橋梁結構變形遠小于規范值，如果將規范中的控制值作為工程監測控制值，就很難控制結構變形。因此，結合工程實際特點及變形預測結果，確定工程盾構區間下穿過程橋梁結構變形控制值，并將計算結果控制值的80%作為報警值，70%作為預警值。盾構開挖至距離橋梁承臺邊緣5D至盾構遠離橋梁承臺邊緣3D為橋梁下部結構變形的主要發生階段，須提高監測頻率。3）由變形計算結果可知，橋梁的變形不僅發生在盾構施工側穿橋梁的過程中，還在盾構施工至距離橋梁16.14m（約為5D）時，橋梁結構已經開始加速變形，因此須提前對橋梁的變形進行監測。盾構施工穿越橋梁后，在盾構遠離橋梁承臺邊緣10.55m（約為3D）的過程中，橋梁變形仍在持續，須進行監測直至變形情況穩定。4）由數值模擬計算結果可知，最大水平位移發生在2號橋墩為6.43mm，最大豎向位移發生在2號橋墩為13.83mm，最大差異沉降在1#橋墩和2#橋墩間為12.60mm，上述幾處變形最大的區域應該作為重點監測點，加大監測頻率。盾構施工影響較小的1#橋墩和4#橋墩可適當降低監測頻率，在施工過程中進行動態調整，如果發現變形較大的情況可調整監測方案。5）該研究認為對重要的風險點來說，應該通過計算進行分析，確定有針對性的監測方案，有關結論可以為相似工程提供參考，但應該結合工程實際特點及周邊環境等進行具體分析。