文保軍 侯莉娜

地鐵盾構(gòu)隧道下穿護(hù)城河拱橋沉降數(shù)值模擬及控制措施

文保軍 侯莉娜

摘 要：針對(duì)西安地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿朝陽(yáng)門(mén)外護(hù)城河拱橋文物區(qū)工程，通過(guò)建立三維有限元模型，模擬分析盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中土層沉降機(jī)理，對(duì)護(hù)城河橋受力進(jìn)行理論分析，并提出護(hù)城河橋的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，制定出具有針對(duì)性的拱橋加固方案。同時(shí)，通過(guò)施工過(guò)程中對(duì)護(hù)城河拱橋的沉降監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證文中提出的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，為今后類(lèi)似工程提供理論參考。

關(guān)鍵詞：地鐵；盾構(gòu)隧道；下穿拱橋；加固技術(shù)；研究

西安市地鐵1號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越朝陽(yáng)門(mén)外護(hù)城河老拱橋，地鐵隧道施工會(huì)不可避免地引起地層位移和地面沉降，并導(dǎo)致老拱橋基礎(chǔ)不均勻沉降、橋體砌塊和灰縫開(kāi)裂、脫落，甚至局部坍塌，因此，必須對(duì)地鐵穿越影響范圍內(nèi)的護(hù)城河老拱橋采取相應(yīng)的預(yù)防和保護(hù)措施。本文主要對(duì)護(hù)城河老拱橋沉降控制標(biāo)準(zhǔn)和施工期間的加固處理措施進(jìn)行研究。

圖1　隧道與城河橋平面關(guān)系圖

1　工程概況

西安市朝陽(yáng)門(mén)外現(xiàn)有2座護(hù)城河橋（護(hù)城河老拱橋和護(hù)城河新橋）。西安地鐵1號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道，右線從護(hù)城河老拱橋下方穿越，左線從護(hù)城河新橋北側(cè)繞行（圖1）。護(hù)城河新橋?yàn)殇摻罨炷羻喂皹?，橋臺(tái)下為鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)，盾構(gòu)隧道施工對(duì)其影響較小，故本次主要研究對(duì)象為護(hù)城河老拱橋。護(hù)城河老拱橋?yàn)閱慰绻靶螛?，修建?0世紀(jì)60年代，南北寬約為37 m，其中兩邊9 m處各有1道變形縫將橋臺(tái)分為3部分。橋拱圈為預(yù)制200號(hào)混凝土砌塊，拱腳為預(yù)制350號(hào)混凝土砌塊，橋臺(tái)基礎(chǔ)為80號(hào)水泥砂漿砌塊石，橋臺(tái)護(hù)坡及河底采用500 mm厚水泥砂漿砌塊石（圖2）。

圖2　朝陽(yáng)門(mén)外護(hù)城河老拱橋

朝陽(yáng)門(mén)外護(hù)城河河岸及河床用混凝土砂漿塊石保護(hù)，護(hù)城河河寬17.4 m，水深0.65 m，水面高程397.55 m，河面相對(duì)地面高差約為7.15 m。地貌單元屬黃土梁洼，地表分布有厚薄不均的全新統(tǒng)人工填土、新黃土（局部為飽和軟黃土）、殘積古土壤、中更新統(tǒng)風(fēng)積老黃土、中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂等。

2　拱橋加固技術(shù)原則

(1）加固設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到國(guó)家文物保護(hù)部門(mén)相關(guān)規(guī)定和要求，既滿足老拱橋保護(hù)要求，又確保老拱橋安全。

(2）加固設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能減小施工期間盾構(gòu)對(duì)老拱橋產(chǎn)生的影響。

(3）加固設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能減小對(duì)周邊環(huán)境、地面交通的影響，盡量減少建筑物的拆遷和管線的改移。

(4）通過(guò)加固設(shè)計(jì)，使得隧道盾構(gòu)施工所引起的地面沉降和隆起均應(yīng)控制在規(guī)范允許的范圍以?xún)?nèi)。

圖3　拱橋-隧道-地層計(jì)算模型

圖4　隧道與老拱橋的位置關(guān)系

表1　地層土物性參數(shù)表

3　拱橋沉降數(shù)值模擬

3.1老拱橋模型的建立

本文建立拱橋-隧道-地層三者相互作用的三維數(shù)值模型，以考查隧道的修建對(duì)老拱橋的影響，建立的拱橋-隧道-地層三維數(shù)值模型如圖3所示。模型長(zhǎng)72 m，寬74 m，高47.45 m，共11 408個(gè)單元，12 488個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算中采用的應(yīng)力釋放率，參考將要穿越重要建筑物情況下的施工控制標(biāo)準(zhǔn)及既有的工程實(shí)例取值。隧道與老拱橋的三維位置關(guān)系如圖4所示。

表2　拱橋及隧道結(jié)構(gòu)物性參數(shù)表

表3　隧道開(kāi)挖對(duì)拱橋沉降的影響

表4　隧道開(kāi)挖對(duì)橋拱應(yīng)力的影響

3.2地層及橋體結(jié)構(gòu)參數(shù)

拱橋-隧道-地層三者相互作用的三維數(shù)值計(jì)算模型中，地層土物性參數(shù)取值見(jiàn)表1，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

3.3計(jì)算結(jié)果及分析

(1）區(qū)間隧道的修建將對(duì)老拱橋產(chǎn)生影響，最直接的影響體現(xiàn)在老拱橋基礎(chǔ)的沉降上。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)左線貫通時(shí)，老拱橋基礎(chǔ)產(chǎn)生的沉降最大為4.6 mm，位置靠近左線隧道側(cè)，橋基礎(chǔ)最大傾斜為0.075‰；當(dāng)雙線隧道貫通后，老拱橋基礎(chǔ)沉降繼續(xù)增大，最大沉降為6.8 mm，位于右線隧道上方，橋基礎(chǔ)最大傾斜為0.125‰，見(jiàn)表3。

(2）區(qū)間隧道的修建還將使老拱橋應(yīng)力產(chǎn)生改變，計(jì)算結(jié)果表明，左線隧道開(kāi)挖后，橋拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力由初始的13.1 MPa增加到13.135 MPa，增加1.92%；雙線隧道貫通后，橋拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力由初始的13.1 MPa增加到13.428 MPa，增加2.5%。橋拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力改變區(qū)域主要集中在左線隧道側(cè)的橋拱邊緣部分，見(jiàn)表4。

(3）以上計(jì)算結(jié)果表明，盾構(gòu)下穿老拱橋?qū)⒁鸸皹蚧A(chǔ)沉降，最大值約6.8 mm，最大傾斜率為0.125‰，小于JTG D61-2005《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》2‰的容許值要求，并且對(duì)橋拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力的改變也較小，僅增加了2.5%，故在正常施盾構(gòu)工情況下，施工不會(huì)對(duì)老拱橋結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重影響。

4　拱橋沉降控制措施

4.1盾構(gòu)機(jī)自身控制措施

地鐵施工時(shí)，對(duì)老拱橋的保護(hù)應(yīng)主要從盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)參數(shù)的調(diào)整入手，適時(shí)調(diào)整盾構(gòu)相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)（推力、掘進(jìn)速度）并及時(shí)糾偏，及時(shí)壓漿、二次注漿，盡可能減小地面沉降。

4.2拱橋加固措施

由于老拱橋?yàn)閱慰绻皹?，且橋拱圈由預(yù)制混凝土砌塊組成。因此，任何微小的沉降都將導(dǎo)致老拱橋瞬間坍塌。為避免盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中由于意外原因而導(dǎo)致的拱腳相對(duì)沉降過(guò)大，從而發(fā)生老拱橋坍塌的嚴(yán)重后果，在盾構(gòu)掘進(jìn)至護(hù)城河老拱橋下方時(shí)，應(yīng)提前對(duì)老拱橋進(jìn)行必要的加固，防止對(duì)老拱橋產(chǎn)生破壞。

(1）滿堂腳手架加固方案。在老拱橋橋拱內(nèi)采用滿堂腳手架支護(hù)，腳手架管材采用Ф48 mm×3.5 mm鋼管。立桿間距雙向0.8 m，步距1.2 m，架底設(shè)置縱、橫向掃地桿，掃地桿距地200 mm。腳手架立桿底部設(shè)置通長(zhǎng)16號(hào)槽鋼墊板，橋拱底部設(shè)16號(hào)槽鋼墊板與腳手架頂托相連，空隙處打入木楔楔緊，確保槽鋼墊板與拱橋底部砌塊密實(shí)（圖5）。

(2）網(wǎng)噴混凝土加固方案。在護(hù)城河老拱橋橋拱內(nèi)噴射C25混凝土，內(nèi)置四肢格柵鋼架，在網(wǎng)噴混凝土與老拱橋橋拱之間鋪設(shè)一隔離層，以便盾構(gòu)施工完成后拆除加固體，還老拱橋原貌（圖6）。

(3）加固方案比選。為更好地分析以上2種方案的優(yōu)劣，將2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)列表5。經(jīng)表5比選，盾構(gòu)機(jī)在通過(guò)朝陽(yáng)門(mén)外護(hù)城河老橋時(shí)，采用對(duì)環(huán)境影響小、施工成本低的滿堂腳手架加固方案。

圖5　滿堂腳手架加固方案圖 （單位：m）

圖6　網(wǎng)噴混凝土加固方案圖 （單位：m）

表5　護(hù)城河老橋加固方案對(duì)比表

5　拱橋沉降監(jiān)測(cè)

西安地鐵1號(hào)線于2011年2～3月完成盾構(gòu)機(jī)穿越朝陽(yáng)門(mén)外護(hù)城河老公橋及朝陽(yáng)門(mén)，根據(jù)《西安地鐵一號(hào)線第三方監(jiān)測(cè)工程》監(jiān)測(cè)成果報(bào)告，護(hù)城河老橋基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共設(shè)6處，6處沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)中最大沉降值為5.1 mm，對(duì)應(yīng)的傾斜率為0.028‰，小于JTG D61-2005《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》2‰的容許值要求。監(jiān)測(cè)成果報(bào)告還表明，老拱橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，橋體未出現(xiàn)裂縫等破損現(xiàn)象，橋基及橋身未出現(xiàn)較大沉降，基本滿足原設(shè)計(jì)要求，并與數(shù)值模擬分析結(jié)果相一致。

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責(zé)任編輯 朱開(kāi)明

Settlement Numerical Simulation and Control Measures of Metro Shield Tunnel Passing beneath Moat Arch Bridge

Wen Baojun, Hou Lina

Abstract:Aiming at Xi'an metro line 1 project, the shield tunneling passing beneath the moat arch bridge outside of Chaoyangmen cultural relics area. By establishing three-dimensional fi nite element model, the paper makes simulation analysis on soil settlement mechanism in shield tunneling, carries out theoretical analysis on the moat bridge stress, and puts forward the settlement control standard for moat bridge, develops schemes for arch bridge reinforcement. At the same time, through monitoring of moat arch bridge settlement in construction process, settlement control standards are presented.

Keywords:metro, shield tunnel, passing beneath arch bridge, reinforcement technology, study

收稿日期2014-06-05

中圖分類(lèi)號(hào)：U452