向懷軼 楊樓城 朱晨亮 陳 力

(1.中鐵二十四局集團南昌建設有限公司， 南昌 330003；2.華東交通大學土木建筑學院， 南昌 330013)

橋式盾構開挖對路基沉降影響分析

向懷軼1楊樓城1朱晨亮1陳 力2

(1.中鐵二十四局集團南昌建設有限公司， 南昌 330003；2.華東交通大學土木建筑學院， 南昌 330013)

結合某大跨度箱涵頂進實際工程，采用ABAQUS有限元數值模擬方法，建立沿頂進方向的二維模型，對橋式盾構法頂進過程中開挖作業(yè)面的穩(wěn)定性對路基沉降的影響進行研究。結果表明：當列車荷載作用在開挖面正上方時，沿頂進方向路基沉降范圍約為1.9倍列車荷載作用寬度；開挖面土坡角度越小，路基沉降越小，當角度小于37.2°時，沉降值不再變化；增大土體與墩柱側壁之間的摩擦，有利于提高開挖面穩(wěn)定性，減少路基沉降。當土體彈性模量小于40 MPa時，需要路基進行加固處理。根據分析結果，施工時將開挖面角度控制在37°，并對路基注漿加固處理，列車通過時嚴禁頂進施工，最終框架橋順利頂到預定位置，未影響到既有線的正常運營，成功的指導該工法在本工程中的應用。

下穿鐵路； 橋式盾構； 框架橋頂進； 數值分析； 路基沉降

1 引言

新建交通線路與既有線(鐵路、公路、飛機跑道)相匯處常修建立交橋下穿既有線，而為了不影響繁忙的既有線正常通行以及縮短工期，箱涵頂進施工法是實際工程最為常用的方法。箱涵頂進施工法又細分為便梁架空法、管棚法、雙重置換法、R&C(Roof & Culvert)工法等[1-2]。2004年箱涵頂進施工成功應用于英國第一項下穿高速公路工程[3]。2005年上海中環(huán)線虹許路—北虹路地下車道，箱涵截面長125 m，寬34 m，高7.85 m，成功應用了管幕法箱涵頂進工法[4]。2011年上海市金山鐵路改建工程倪家一組立交橋首次采用雙重置換工法進行施工，并很好地控制了路基沉降[5]。橋式盾構法在鄭州市文化北路下穿連霍高速公路立交橋、長沙市人民東路延長線下穿京珠高速公路、新余市人民北路下穿滬昆鐵路、南昌市豐和北大道下穿京九鐵路等多處工程中應用[6]。在箱涵頂進施工中，既要保證既有線行車安全又要保證工程進度，但由于其上行駛的車輛(列車)干擾大，上覆土層薄等原因，易引起開挖面失穩(wěn)，導致坍塌事故。例如福廈鐵路機場立交橋工程施工過程中，既有公路最大沉降達0.515 m[7]；鄭州—開封城市快速通道下穿京珠澳高速公路工程，在箱涵頂進過程中發(fā)生數次大規(guī)模坍塌[8]，嚴重威脅既有線的正常通行以及人身安全。

目前，便梁架空僅用于小截面箱涵，施工難度不大。有關管棚法施工的研究較多，張曉峰等[9]采用有限元數值模擬分析箱涵推進過程中開挖掌子面土體穩(wěn)定性。李向陽[10]對管棚的作用機理進行了研究并取得了一定成果。雖然橋式盾構法已經多次成功應用，但該工法較新，理論體系還不完善，對其深入的研究未見報道，而該工法的成功運用，對下穿既有線工程有重大意義。故本文針對橋式盾構法，采用ABAQUS有限元數值模擬方法，建立二維模型，對開挖面穩(wěn)定性及其對既有路基沉降影響進行數值分析。

2 工程概況

該框架橋為豐城市物華路下穿滬昆鐵路而設，是連接豐城市老城區(qū)與新城區(qū)的道路工程，供機動車、非機動車及行人通行。立交橋中心線與滬昆鐵路線正交，交點里程為滬昆下行線K 804+938.3，對應物華路中心里程為WK 0+444.575。

立交橋下穿豐城車站端咽喉區(qū)，穿越處鐵路為4股道，分別為滬昆上下行線、豐洛線及機待線。立交橋采用(7+16+7)m三孔連續(xù)框架，中孔16 m為機動車雙向4車道，兩邊孔7 m為非機動車及人行道?？蚣艹叽鐬?33.6×28×8.5)m(寬×長×高)，其上覆土厚度僅為1.5 m。

2.1 橋位處工程地質、水文地質情況

橋位處地層由上而下依次為①1素填土，厚0.9～2.6 m(路基路堤范圍為填筑土)；①2種植土，大部分布厚約0.5 m；②粉質黏土，全場分布厚2.5～6.1 m；②1細砂，厚0～1.5 m；③1中砂，全場分布最大揭示厚度7.9 m；③2圓礫，全場分布最大揭示厚度6.9 m。

砂層及圓礫中賦存孔隙潛水，具弱承壓性，水量豐富，橋址處地下水初見水位為16.5～19.5 m，穩(wěn)定水位標高17.8～19.2 m，水位隨季節(jié)有1～3 m升降變幅。框架箱底標高14.921 m，處于②粉質黏土、②1細砂與③1中砂層位。

2.2 工程特點

(1)地下水豐富。地下水位高而且豐富，土的滲透性強，滲水量大，穩(wěn)定水位標高為17.8～19.2 m。

(2)安全要求高。在行車繁忙的滬昆鐵路下施工，且為道岔區(qū)，施工中確保行車安全及站內管線安全是重中之重。

(3)行車干擾大。既有滬昆鐵路行車密度大，加上豐城站內施工調車作業(yè)頻繁，行車對施工的干擾非常大。

(4)涉及施工配合單位多。涉及鐵路運輸、工務、電務、供電、車務、機務、鐵通等眾多單位，施工過程中必須取得他們的配合與支持，以確保施工的順利進行。

(5)地質條件差。框架基底為粉質黏土及中砂，承載力低，需采用二重管無收縮雙液WSS注漿法對地基進行加固。

2.3 施工方案

為盡量減小施工對既有鐵路正常運行的影響，最終采用橋式盾構法框架橋頂進施工方案。橋式盾構因其橫截面形式像橋而得名，主要由盾構體、子盾構、反拉系統(tǒng)三大部分組成，通過框架橋前端的預埋件將盾構體與框架橋焊接在一起。截面尺寸由框架橋橫截面大小而定，其長度根據l=α(h-1.3)計算,其中α為放坡比例，h為框架橋高度。框架橋盾構橫斷面如圖1所示。

圖1 框架橋盾構示意圖

2.3.1 施工工序

(1)人工開挖墩柱內土體至設計長度，約0.4 m；

(2)機械開挖兩墩柱之間核心土；

(3)框架橋盾構體整體向前頂進；

(4)以上工序循環(huán)進行，直至掘進完成。

頂進掘進及施工現場分別如圖2、圖3所示。

2.3.2 施工注意事項

(1)嚴禁超挖；

(2)為保障列車通行安全，嚴禁在列車通過時進行施工。

圖2 頂進示意圖

圖3 施工現場

3 數值分析

為尋找路基沉降影響最小方案，指導現場施工，使用ABAQUS有限元軟件建立二維模型，模擬箱涵頂進挖土后的時刻，進行數值分析。

3.1 模型及參數選取

沿箱涵頂進方向建立縱向模型，長107 m，總高25 m，路基坡度為1∶1.5，工作坑臨近路基放坡為1∶15。

假定土體符合Mohr-Coulomb屈服準則，單元類型為CPE4R。土層物理參數如表1所示，由于在施工頂進前對路基范圍內的土體進行了注漿加固，故土體彈性模量較原土體有所增大。將盾構體和框架橋上下邊界簡化為梁，單元類型為B21。相關材料物理力學參數如表2所示。

表1 土層物理參數

表2 相關材料物理力學參數

3.2 邊界條件及荷載

模型邊界條件均為位移邊界條件，頂面自由邊界，左右兩邊水平方向位移約束，下表面完全約束。假設盾構主體及箱涵不發(fā)生沉降和變形，將其簡化為梁模型，豎直方向固定，而子盾構相當于懸臂梁。

道砟床厚度設為0.5 m，以等效荷載代替，即10 kPa。根據TB 10001—2005《鐵路路基設計規(guī)范》，列車靜載按等效土柱高度取值，即60.2 kPa，作用寬度為3.4 m[12]。當核心土與墩柱側壁發(fā)生相對運動時受到摩擦力作用，所以當計算結果顯示核心土水平方向發(fā)生顯著位移時，對核心土體施加摩擦力，摩擦力大小按式(1)計算。土的內摩擦角和土體重度按加權平均值計算，土的靜止側壓力系數取0.4，高度H按核心土高度的1/2取值，即H=3.6，將摩擦力等效為體積力，即238 N/m3。

F=μk0γH

(1)

式中：μ——摩擦系數(μ=tanφ，φ為土體內摩擦角)；

k0——土的靜止側壓力系數(k0=1-sinφ，φ為土體內摩擦角)；

γ——土體重度；

H——土體深度。

網格劃分如圖4所示。

圖4 二維模型網格劃分圖(m)

3.3 工況設定

當盾構箱土體、墩柱土體及核心土掘削完成，箱涵還未及時頂進，正好有列車通過的時刻，對頂進施工最不利，對該狀態(tài)進行模擬分析，可得到偏安全的結果。

施加重力和列車荷載，將模型初始地應力平衡，假定已經開挖頂進了一段距離為初始狀態(tài)。先開挖盾構箱土體，再開挖核心土土體并留一定坡度，兩者均掘削0.5 m，最后施加列車靜載。詳細工況擬定如表3所示。

表3 計算工況

3.4 結果分析

(1)α=40.3°

圖5為工況1～4豎直方向變形云圖。工況1為箱涵頂進最不利的情況，最大沉降為15mm,其影響范圍約為列車荷載作用寬度的1.9倍。

圖5 工況1-4豎向變形云圖

列車荷載是影響開挖面穩(wěn)定性的重要因素之一，其影響與列車荷載的位置有關，如圖6所示。正常情況下列車引起的沉降約為6mm，列車荷載作用在子盾構開挖面上方時，沉降為15mm，增加了9mm。當列車荷載距離子盾構開挖面一定距離時，路基沉降將不受頂進開挖的影響。

圖6 4種工況下路基沉降曲線

圖7 不同坡腳角度路基沉降曲線

(2)不同核心土坡腳角度α

橋式盾構核心土起著平衡迎面土壓力的作用，其穩(wěn)定性與路基沉降有著直接聯(lián)系，而坡腳角度的大小又影響其穩(wěn)定性。圖7為不同坡腳角度情況下，路基的沉降曲線。隨著核心土坡腳角度的增大，路基沉降也隨之增大，即開挖面越不穩(wěn)定，路基沉降量越大。隨著核心土坡腳角度的增大，路基沉降也隨之增大，即開挖面越不穩(wěn)定，路基沉降量越大。當α=42°時，沉降量開始有較大增大；α=43.8°時，沉降量急劇增大，說明開挖面開始發(fā)生失穩(wěn)破壞。當小于37.2°時，隨著坡腳角度的減小，開挖面已趨于穩(wěn)定，而路基沉降量不再發(fā)生明顯變化。

(3)摩擦力的影響

核心土與墩柱側壁的摩擦力也是影響開挖面核心土體穩(wěn)定性另一重要因素，工況8比工況1的路基最大沉降值大6.3mm，如圖8所示。增大核心土與墩柱側壁的摩擦系數有利于提高開挖面穩(wěn)定性，減少路基沉降?？梢酝ㄟ^改變墩柱側壁的粗糙程度，如使用花紋鋼板，增加摩擦力。摩擦力增加的同時也會增大頂進阻力，所以盾構體長度需要做進一步優(yōu)化，即要滿足核心土的穩(wěn)定性，維持土體處于靜止土壓力狀態(tài)，又要減小頂進阻力。

圖8 工況1和工況8路基沉降曲線

4 地基加固處理

為保障行車以及施工的安全，對路基以及地基進行注漿加固處理。

框架橋設計位置的路基本體采用斜向注漿加固，漿液為摻粉煤灰∶水泥=2∶1。而底部采用φ970 mm的底管棚作為滑軌，防止框架橋下沉。

前文的土體彈性模量選取是在路基注漿加固之后，參數有所增大。為便于分析彈性模擬量對路基沉降的影響，在工況1的基礎上進行變化，只考慮路基土一種土層，彈性模量分別為5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa、45 MPa、50 MPa、60 MPa，模型尺寸沿用圖5，數值分析結果得到路基最大沉降如表4所示。

表4 不同彈性模量下路基最大沉降

由表4可知，路基最大沉降隨著彈性模量的增大而減小，當彈性模量增大至40 MPa時，最大沉降隨著彈性模量的繼續(xù)增大而不再有明顯的變化，再繼續(xù)加固增大彈性模量對實際工程造成浪費。故當原狀土體彈性模量小于40 MPa時，需要對其進行加固處理，注漿參數根據實際情況而定。可見，對土層進行注漿加固處理，可以較好地控制路基沉降，保證線路的安全運營。

5 實測數據分析

選取分別位于待機線上的觀測點，即框架橋正上方左(1-1)、中(1-2)、右(1-3)3點的數據進行分析，如圖9所示?？梢姡S著施工的進行沉降逐漸增大，位于開挖面上方的土體會急劇下穿，通過之后沉降變化趨于平穩(wěn)。3個點的最大沉降分別為17.8 mm、12.6 mm、16.8 mm，而正好有列車通過時這一最不利工況下的沉降約15 mm。由于數值分析是在理想狀態(tài)下施工，而實際施工受到復雜因素的影響，故實測值大于分析值。同時也表明數值分析時考慮最不利工況是偏安全的，有利于指導施工。

6 結論

(1)當列車荷載作用在開挖面正上方時，路基沉降最大，沉降隨著列車荷載作用位置與開挖面距離增大而減小，在該工程中其影響范圍約為1.9倍列車荷載作用寬度，應避開列車通過時進行開挖頂進。

(2)橋式盾構法開挖面穩(wěn)定性與路基沉降有著緊密的聯(lián)系，核心土坡腳角度越小，沉降越小，即核心土越穩(wěn)定，路基沉降越小。在該工程中當坡腳角度小于37.2°時，沉降不再變化。設計時應根據不同的工程地質情況，通過計算或者數值模擬選擇合適的坡角。

(3)盾構體設計時增大核心土與墩柱側壁的摩擦系數，有利于提高開挖面穩(wěn)定性，減少路基沉降，可通過選擇帶花紋的側壁增大摩擦力。同時增大摩擦面，但也會增加頂進阻力，故核心土土柱和側壁相互作用的長度優(yōu)化工作還需進一步研究，以便更好地指導實際工程。

(4)對土層進行注漿加固處理，增大土體的彈性模量，可以很好地控制路基沉降。路基最大沉降隨著彈性模量的增大而減小，當彈性模量增大至40 MPa時，最大沉降隨著彈性模量的繼續(xù)增大而不再有明顯的變化。

(5)根據分析結果，針對本工程施工時將開挖面角度控制在37°，并對路基注漿加固處理，列車通過時嚴禁頂進施工，最終框架橋順利頂進至預定位置，未影響到既有線的正常運營，成功地指導該工法在本工程中的應用。該工法可為類似工程設計提供參考。

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Analysis on the Impact on Subgrade Settlement from Bridge-shield Excavation

XIANG Huaiyi1YANG Loucheng1ZHU Chenliang1CHEN Li2

(1.Nanchang Construction Corporation Limited of China Railway 24th Bureau Group,Nanchang 330003,China;2.School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

The impact on the subgrade settlement from the stability of bridge-shield excavation face is studied by adopting ABAQUS finite element numerical simulation method and by building 2D model, combined with a large-span box-culvert jacking project. The results show that a)the range of subgrade settlement is 1.9-fold that of load width when the load is located at right above excavation face; b) the smaller the angle of excavation slope is, the smaller the settlement will be. When the angle is smaller than 37.2°, the settlement value will not be changed; c) increasing the friction between soil and pier wall is beneficial to improve the face stability and reduce the settlement. d) the subgrade needs to be reinforced when soil elastic modulus is less than 40 MPa. According to the result of analysis, the slope angle is controlled at 37°, the subgrade is reinforced by grounting and jacking construction must stop when trains pass through. At last, this technique is successfully applied to the box-culvert jacking project without affecting the running of trains, which provides suggestions for similar projects.

underpass railway; bridge-shield; box-culvert jacked; numerical analysis; subgrade settlement

2015-12-11

向懷軼(1975-)，男，工程師。

1674—8247(2016)01—0046—06

U456.3

A