地鐵盾構(gòu)施工對上部既有橋梁的影響分析

劉金榮

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

隨著城市化進程的深入推進，城市軌道交通網(wǎng)絡的不斷加密以及盾構(gòu)法廣泛應用于地鐵施工，地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁的現(xiàn)象越來越多。在地鐵盾構(gòu)施工過程中，不可避免地會對上覆土體產(chǎn)生擾動。由于土體損失、周圍孔隙水壓變化及襯砌變形等，土體原始應力將重新分布，原有的土體平衡狀態(tài)遭到破壞。導致地表發(fā)生下沉變形、傾斜變形、曲率變形、水平移動變形及非連續(xù)變形等問題。地表產(chǎn)生的移動和變形較大時，往往又會引起地上既有橋梁結(jié)構(gòu)的開裂、沉降、傾斜等問題，這將對橋梁的使用、甚至安全構(gòu)成威脅。因此，深入開展地鐵盾構(gòu)施工對既有橋梁的影響研究，制定安全可靠經(jīng)濟的橋梁基礎(chǔ)加固措施，對推動我國城市地下軌道交通的進一步發(fā)展，具有重大意義。

目前關(guān)于隧道開挖對建筑物的影響的分析方法主要有兩大類[1]，第一類是整體分析法，即在模擬開挖過程的同時，將周圍土體、建筑物及其基礎(chǔ)作為一個整體分析，一般需用有限元等數(shù)值方法進行計算分析。

第二類為兩階段分析方法，即把隧道開挖對建筑物的影響分成兩個階段來分析: 第一階段分析隧道開挖引起的土體變形；第二階段將土的變形施加到建筑物及其基礎(chǔ)上，分析建筑物及其基礎(chǔ)的變形和內(nèi)力變化。

本文采用第一種方法，即整體分析法，對地鐵盾構(gòu)施工對上部大橋的影響進行計算，采用三維非線性有限元，分別對橋梁基礎(chǔ)加固前后，地鐵盾構(gòu)施工對既有舊橋所產(chǎn)生的位移及應力進行模擬計算，對加固前后的結(jié)果進行分析比較。

1 工程概況[5]

錦江橋上部結(jié)構(gòu)為三跨紅磚砌變截面圓弧拱，凈跨徑為15 m，拱上填料為碎混凝土（或磚）；下部結(jié)構(gòu)：橋臺基礎(chǔ)為50 級砂漿砌條石基礎(chǔ)、臺身為15 級水泥石灰砂漿砌城磚；橋墩基礎(chǔ)為50 級砂漿砌條石基礎(chǔ)、墩身為15 級水泥石灰砂漿砌城磚。地鐵采用盾構(gòu)法施工，平行雙洞隧道形式，隧道半徑為3 m，兩平行隧道圓心之間距離11 m，隧道支護材料為C30 混凝土管片，壁厚30 cm。其下穿錦江大橋區(qū)間位置關(guān)系為：隧道拱頂距地面約7 m 左右，隧道左線近接橋梁基礎(chǔ)，距離約2 m。橋梁隧道平面位置關(guān)系見圖1，橋梁隧道立面位置關(guān)系見圖2。

圖1 橋梁隧道平面位置關(guān)系圖（單位：m）

圖2 橋梁隧道立面位置關(guān)系圖（單位：m）

2 大橋加固措施

2.1 圍堰注漿加固法

對橋梁基礎(chǔ)近接隧道一端進行圍堰注漿加固。首先對橋墩臺基礎(chǔ)進行草袋圍堰處理，然后采用袖閥管注漿，注漿材料為水泥－水玻璃漿液。加固后的滲透系數(shù)不大于1×10－5cm/s，無側(cè)限抗壓強度不小于1 MPa。盾構(gòu)通過前，應對注漿效果進行確認，合格后再進行開挖施工，盾構(gòu)掘進至該處時應調(diào)整盾構(gòu)相關(guān)掘進參數(shù)，如推力、掘進速度等，盾構(gòu)通過后如檢測出現(xiàn)異常，則需要進行二次注漿，以保證橋梁安全。

2.2 鋼管樁加注漿加固

對錦江橋基礎(chǔ)近接隧道一端下方土體采用鋼管樁加注漿形成鋼管樁墻隔斷加固措施。加固微型樁設置兩排，并注漿，樁頂設置冠形梁形成鋼管樁墻，鋼管樁插入破裂面以下不少于3.0 m，樁縱向間距300 mm，圖中陰影區(qū)域為注漿區(qū)域。加固范圍為北橋臺內(nèi)5m 至南橋臺5 m，共60 m 長。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

本文采用大型通用有限元軟件ANSYS 對加固前后效果進行模擬[3-4]。模型尺寸為：沿橋跨方向，即隧道開挖方向為X 軸，全長105 m。垂直于橋跨方向為Z 軸，全長110 m。垂直于地面方向為Y 軸，地面以下垂直高度為30 m，地面以上橋臺、墩高4 m。采用的單元類型為：拱圈和隧道支護采用shell63 殼單元模擬，其余土體采用solid45 實體單元模擬。模型采用映射法劃分單元，共劃分48 700 個單元，50 577個節(jié)點，單元材料以不同顏色顯示見圖3，橋梁隧道位置關(guān)系見圖4。

圖3 整體有限元計算模型

圖4 橋梁隧道位置關(guān)系圖

3.2 地質(zhì)條件及計算參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，本區(qū)間所揭露巖土地層分布較為穩(wěn)定，均為第四系地層。地表多為第四系人工填土，其下為第四系全新統(tǒng)沖洪積黏質(zhì)粉土、砂（粉）類土、圓礫土及上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、砂類土等組成。具體計算參數(shù)取值見表1。

表1 材料參數(shù)取值表

4 位移計算

4.1 加固前后整體豎向位移（Y 方向）結(jié)果

由計算結(jié)果可知，加固前左線隧道貫通后豎向位移最大值為34.4 mm，加固后為21.1 mm，加固后位移減小13.3 mm。雙線隧道貫通后加固前豎向最大位移為36.2 mm，加固后為23.5 mm，加固后位移減小12.7 mm。現(xiàn)取坐標X=0，垂直于隧道軸線處的截面為參考面A，提取該參考面地面節(jié)點豎向位移，繪出加固前后節(jié)點位移曲線見圖5、圖6。

圖5 左線隧道貫通后A 地面節(jié)點位移曲線圖

圖6 雙線隧道貫通后A 地面節(jié)點位移曲線圖

4.2 加固前后橋梁豎向位移（Y 方向）結(jié)果

由計算結(jié)果可知，加固前后橋梁基礎(chǔ)下沉最大值均出現(xiàn)在臨近隧道一端，最小值出現(xiàn)在遠離隧道一段，橋梁整體產(chǎn)生不均勻沉降。加固前左線隧道貫通后橋基豎向位移最大值為11.3 mm，加固后為2.4 mm，加固后位移減小8.9 mm。加固前左線隧道貫通后橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降最大值12.6 mm，加固后為2.8 mm，加固后減小9.8 mm。雙線隧道貫通后橋基加固前豎向最大位移為12 mm，加固后為2.6 mm，加固后位移減小9.4 mm。雙線貫通后橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降加固前為13.5 mm，加固后為3.1 mm，加固后位移減小10.4 mm。

現(xiàn)取坐標Z=0、平行于隧道軸線處的截面為參考截面B，提取該截面處地面節(jié)點豎向位移，繪出加固前后節(jié)點位移曲線見圖7、圖8。圖中加固前曲線的峰值處是橋梁基礎(chǔ)所在處，谷值處是地面土體所在處，由于橋梁基礎(chǔ)條石的剛度較周圍土體大，所以下沉量較周圍土體的小，出現(xiàn)了圖中的波浪形曲線。

圖7 左隧道貫通后參B 地面節(jié)點位移曲線圖

圖8 雙隧道貫通后參B 地面節(jié)點位移曲線圖

4.3 加固前后橋梁橫向位移（X、Z 方向）結(jié)果

由計算結(jié)果可知，橋梁整體在隧道開挖過程中垂直于隧道方向（Z 方向）產(chǎn)生橫向側(cè)移，左線隧道貫通后橫位移加固前最大值為1.2 mm，加固后為0.8 mm，加固后位移減小0.4 mm。雙線貫通后加固前橫向位移為1.6 mm，加固后為1.1 mm，加固后位移減小0.4 mm。

由計算結(jié)果可知，橋梁整體在隧道開挖過程中沿隧道方向（X 方向）產(chǎn)生橫向側(cè)移，左線隧道貫通后橫位移加固前最大值為1.7 mm，加固后為0.4 mm，加固后位移減小1.3 mm。雙線貫通后加固前橫向位移為1.9 mm，加固后為0.4 mm，加固后位移減小1.5 mm。

4.4 位移計算結(jié)果分析

將加固前后位移計算結(jié)果匯總見表2?？梢钥闯?，對錦江大橋進行圍堰注漿及鋼管樁加固后，地表最大沉降及橋墩臺各項位移值都有了較大減小，加固效果明顯。地表沉降最大值為23.5 mm，在規(guī)定的范圍之內(nèi)（一般城市地表沉降基準：+10～-30 mm）。橋梁最大基礎(chǔ)沉降值為2.8 mm，最大不均勻沉降為3.1 mm，均在要求范圍之內(nèi)[2]。

表2 位移加固效果匯總表單位：mm

5 應力計算

5.1 基礎(chǔ)及墩臺應力結(jié)果

從計算結(jié)果來看，基礎(chǔ)和墩臺應力加固前后有一定變化，但應力值都比較小，這里僅給出雙線隧道貫通后加固前后第一主應力對比見圖9 和圖10?；A(chǔ)和橋墩臺加固前最大壓應力為0.83 MPa，加固后為0.44 MPa，減小了0.39 MPa，最大拉應力加固前為1.44 MPa，加固后為0.64 MPa，減小了0.8 MPa。

圖9 雙隧道貫通后基礎(chǔ)及墩臺應力云圖（加固前）

圖10 雙隧道貫通后基礎(chǔ)及墩臺應力云圖（加固后）

5.2 拱圈應力結(jié)果

從計算結(jié)果來看，拱圈應力加固前后變化不大，這里僅給出雙線隧道貫通后加固前后第一主應力對比見圖11 和圖12。加固前最大壓應力為1.85 MPa，加固后為1.78 MPa，減小了0.07 MPa，加固前最大拉應力為0.075 MPa，加固后為0.1 MPa，增加了0.025 MPa。

圖11 雙隧道貫通后拱圈應力云圖（加固前）

圖12 雙隧道貫通后拱圈應力云圖（加固后）

5.3 應力計算結(jié)果分析

將加固前后應力計算結(jié)果匯總見表3，從表中的計算結(jié)果來看，基礎(chǔ)和拱圈在加固前后應力雖然有一定的變化，但變化不大，而且應力值均較小。計算效果不太理想，主要原因是建模時土體材料屬性的選取與簡化和實際情況有一定差異，隧道開挖模擬和實際情況有一定出入，這也是進行土體模擬和隧道開挖模擬的難點，需要以后進一步研究。

表3 應力加固效果匯總表單位：MP a

6 結(jié) 語

本文通過錦江大橋和下部地鐵三維非線性有限元模型，模擬計算了地鐵盾構(gòu)施工對上部既有橋梁的影響，對比分析了基礎(chǔ)加固前后土體整體位移變化情況以及橋梁基礎(chǔ)的位移和應力變化情況。主要得到以下結(jié)論和建議。

（1）地鐵盾構(gòu)施工下穿既有舊橋時，將使既有舊橋基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相當大的位移和應力，嚴重影響橋梁的安全使用。

（2）地鐵盾構(gòu)施工，下穿既有舊橋前，應根據(jù)橋梁上下部結(jié)構(gòu)形式，并考慮橋梁當前的工作狀態(tài)（下沉量，承載力），制訂合理的基礎(chǔ)允許下沉指標(既應有絕對沉降指標，也應有差異沉降指標)。根據(jù)基礎(chǔ)的允許下沉量，選擇合理可行的橋梁基礎(chǔ)加強措施和隧道施工控制指標與措施。

（3）為了保證地鐵盾構(gòu)施工過程中上部既有橋梁的安全穩(wěn)定，需要對既有舊橋沉降及應力進行嚴密監(jiān)測，及時分析檢測數(shù)據(jù)，確保橋梁安全穩(wěn)定。