孫雪兵

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

近年來，隨著城市軌道交通的大力發(fā)展，居民的出行得到了極大的便利。但由于城市軌道交通的建設(shè)通常受到城市空間的限制，將不可避免地出現(xiàn)盾構(gòu)隧道穿越鐵路橋梁等既有建(構(gòu))筑物的情況。地鐵的穿越施工不但會(huì)引起周圍地層損失從而導(dǎo)致地表沉降，同時(shí)也會(huì)造成既有橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的變形，從而給鐵路線路的正常運(yùn)營帶來了潛在風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，新建盾構(gòu)隧道與既有橋梁樁基的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)控制結(jié)構(gòu)的變形尤為重要。

國內(nèi)學(xué)者對(duì)隧道下穿既有橋梁樁基展開了大量研究。王立峰[2]采用正交試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，將盾構(gòu)掘進(jìn)過程中樁基與隧道間的距離進(jìn)行分類，同時(shí)提出了樁基近鄰度的計(jì)算方式；胡雄玉[3]采用有限元分析的方法，針對(duì)不同加固方式下盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有樁基的影響進(jìn)行了研究；王述紅等[4]以兩階段分析法為基礎(chǔ)，考慮樁結(jié)構(gòu)端承作用，對(duì)不同樁隧空間位置關(guān)系時(shí)盾構(gòu)開挖對(duì)樁基的影響進(jìn)行了研究，提出了盾構(gòu)施工對(duì)樁基影響的理論計(jì)算方法。王俊[5]以長沙地鐵盾構(gòu)下穿新中路立交橋?yàn)楣こ桃劳校柚鷶?shù)值模擬分析了加固措施對(duì)控制樁基沉降的可行性；李旺旺等[6]以實(shí)際工程為例，通過地表沉降和橋樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合盾構(gòu)土壓力和注漿參數(shù)，研究了盾構(gòu)側(cè)穿橋梁時(shí)對(duì)橋梁沉降變形的影響；趙江濤等[7]建立盾構(gòu)穿越既有橋梁的施工控制體系，并將之應(yīng)用于東干渠盾構(gòu)隧道穿越北苑橋主橋工程。朱逢斌等[8]通過建立三維有限元數(shù)值模型，對(duì)軟土地區(qū)盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)鄰近樁基的影響進(jìn)行了研究，并通過離心試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性；彭坤等[9]通過模擬盾構(gòu)隧道順橋向穿越橋梁樁基的全過程，對(duì)不同樁基加固方案下地表沉降和樁身變形規(guī)律進(jìn)行了分析；夏煒洋等[10]采用數(shù)值計(jì)算的方法，針對(duì)盾構(gòu)下穿萬福橋時(shí)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響及管片襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行了分析；鄭熹光[11]采用有限元法對(duì)不同工程地質(zhì)、樁基形式和不同樁隧位置關(guān)系下樁體變形和受力進(jìn)行了研究。

上述研究雖從多個(gè)角度對(duì)隧道穿越既有橋梁影響規(guī)律進(jìn)行了分析，但是上述文獻(xiàn)并未針對(duì)不同樁隧凈距對(duì)地表及既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究。為此，本文以武漢地鐵3號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路橋梁為工程依托，建立有限元數(shù)值模型，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中不同樁隧凈距下盾構(gòu)施工對(duì)既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)及地表的沉降規(guī)律進(jìn)行研究，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

武漢地鐵3號(hào)線一期工程二七路站—興業(yè)路站區(qū)間盾構(gòu)隧道先后穿越合武高鐵、京廣線等重要的既有鐵路線路。隧道采用盾構(gòu)法施工，襯砌結(jié)構(gòu)外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，幅寬1.5 m，厚0.3 m。新建盾構(gòu)隧道與既有鐵路橋梁位置關(guān)系見圖1。

圖1 隧道與既有鐵路橋梁位置關(guān)系(單位：m)

2 盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋梁數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

計(jì)算模型中，土體、橋梁結(jié)構(gòu)、管片和注漿層均采用Solid 45實(shí)體單元進(jìn)行模擬，使用接觸單元來模擬土體與樁基、梁體結(jié)構(gòu)與橋墩之間的相互作用?？紤]到隧道埋深較淺，在計(jì)算中對(duì)自重應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行處理。模型建立過程中對(duì)左右邊界施加水平方向約束，模型底部施加豎向位移約束，頂部為自由面，前后邊界施加縱向位移約束。

根據(jù)武漢軌道交通3號(hào)線與既有鐵路橋梁樁基的位置關(guān)系，建立三維數(shù)值模型，見圖2。

圖2 三維數(shù)值模型

根據(jù)圣維南原理，模型范圍取3～5倍洞徑，沿隧道橫向60 m，沿隧道縱向71 m，豎向土體厚度60 m。地層參數(shù)根據(jù)實(shí)際勘測(cè)資料取值，并假定不同地層均按照相應(yīng)厚度水平層狀分布。計(jì)算模型土體材料服從Druker-Prager準(zhǔn)則，橋梁、墩臺(tái)樁基等結(jié)構(gòu)物則視為彈性體。

采用單元生死來模擬土體開挖、施作管片及注漿，通過調(diào)整注漿層參數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)漿液的凝結(jié)硬化過程。同時(shí)，將隧道開挖引起的應(yīng)力釋放分為2部分，隧道開挖且未施作管片之前應(yīng)力釋放20%，在管片施作之后釋放其余部分。雙線隧道均設(shè)置12個(gè)開挖步，見表1。

表1 開挖步情況

2.2 參數(shù)的選取

考慮到管片接頭對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，將結(jié)構(gòu)剛度折減為0.85。同時(shí)結(jié)合地質(zhì)勘查報(bào)告及相關(guān)規(guī)范確定巖土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表2。

表2 巖土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表及既有結(jié)構(gòu)的影響

先開挖隧道右線，再開挖隧道左線。隧道埋深15 m，隧道左、右線與中間墩臺(tái)樁基凈距分別為4.2，5.6 m時(shí)既有橋梁中心線處地表沉降曲線見圖3。

圖3 地表沉降變化曲線

從圖3可以看出：①開挖隧道右線時(shí)地表沉降呈V形分布，地表最大沉降區(qū)域在拱頂附近，且隨著開挖的進(jìn)行最大沉降呈增長趨勢(shì)；②開挖隧道左線時(shí)地表沉降規(guī)律與右線基本一致，即隨著開挖面的不斷推進(jìn)，地表沉降峰值逐漸增大；③雙線貫通時(shí)隧道左右線中心處地表沉降最大值分別為12.737和12.678 mm，地表沉降呈W形分布。

右線貫通時(shí)隧道出口處沉降最大，其值為17.647 mm，雙線貫通時(shí)地表沉降基本沿隧道軸線左右對(duì)稱，最大沉降位于左線隧道出口，其值為20.374 mm。2#墩臺(tái)周邊地表沉降相對(duì)較小，表明橋梁樁基對(duì)其周圍地層沉降有一定的抑制作用。墩臺(tái)處與隧道進(jìn)出口處的地表沉降差值為7.637 mm。

為獲得盾構(gòu)施工對(duì)既有橋梁樁基的影響，以2號(hào)墩臺(tái)下部樁群為例進(jìn)行樁基的位移分析。2#墩臺(tái)樁基編號(hào)見圖4。

圖4 2#墩臺(tái)樁基編號(hào)

右線貫通時(shí)由于開挖中的地層擾動(dòng)以及橋梁結(jié)構(gòu)荷載的直接作用，樁群最大豎向位移出現(xiàn)在靠近右線的樁頂，其值為-1.347 mm。雙線貫通時(shí)樁群的最大豎向位移靠近左線樁頂，其值為-2.649 mm，相較于右線貫通時(shí)有較大增長。樁群的上下兩部分豎向位移存在著較大差異。上半部分樁基位于隧道施工影響線之內(nèi)，下沉量較大。下半部分樁基由于受到的施工擾動(dòng)較小，且該部分地質(zhì)條件相對(duì)較好，下沉量較小。

隧道雙線貫通時(shí)2#墩臺(tái)下部樁群垂直于盾構(gòu)掘進(jìn)方向(X方向)的水平位移見圖5。水平位移以遠(yuǎn)離左線隧道的方向?yàn)檎?，反之為?fù)向。

圖5 2號(hào)墩臺(tái)下部樁群水平位移曲線

從圖5可以看出：①1#樁位于墩臺(tái)中心處，由于其與左線隧道距離較近，故其在隧道中心處出現(xiàn)了正向位移，在深度25 m處出現(xiàn)了負(fù)向位移，最大水平位移為0.556 mm，但位移小于其他4根樁基。②2#，3#樁位移變化規(guī)律與1#樁相一致，正向最大水平位移分別為0.995，1.626 mm。這是由于2#，3#樁距左線更近，因此水平位移相對(duì)較大。③4#，5#樁位移變化規(guī)律與2，3#樁相反且量值相對(duì)較小，4#，5#樁最大水平位移分別為-0.538，-0.882 mm。

2.3.2 樁隧凈距對(duì)地表及既有結(jié)構(gòu)的影響

在隧道埋深、右線隧道與既有橋梁樁基距離一定的情況下，隧道左線與2#樁基之間的樁隧凈距分別取1.8 m(0.3D)，4.2 m(0.7D)及6.0 m(1D)。D為隧道外徑，其值為6 m。雙線貫通時(shí)地表沉降變化曲線見圖6。圖中虛線為不同工況下的隧道中心線。

圖6 雙線貫通時(shí)地表沉降變化曲線

從圖6可以看到：①樁隧凈距分別為1.8，4.2及6 m 時(shí)地表沉降均呈W形，且隨著樁隧凈距的增大,地表沉降最大值分別為12.729，12.737及12.515 mm;②墩臺(tái)及右線隧道中心線附近的地表沉降隨著樁隧凈距的增大而減小。這是由于左線隧道的開挖對(duì)墩臺(tái)處地層的擾動(dòng)逐漸減小。

不同樁隧凈距下梁體結(jié)構(gòu)最大位移見表3。

表3 不同樁隧凈距下梁體結(jié)構(gòu)最大位移 mm

從表3可知：①由于首先對(duì)右線隧道進(jìn)行開挖，右線貫通時(shí)左線還未施工，故在不同樁隧凈距下梁體結(jié)構(gòu)最大位移相一致。②雙線貫通當(dāng)樁隧凈距由1.8 m 增至6.0 m時(shí)，梁體結(jié)構(gòu)最大豎向位移由-3.773 mm逐漸減小至-2.286 mm，最大沉降點(diǎn)均在2#墩臺(tái)頂。同時(shí)，隨著樁隧凈距的增大梁體結(jié)構(gòu)水平位移有所減小，但變化幅度很小，均不足1 mm。③不同樁隧凈距下梁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形以豎向位移為主。

雙線貫通時(shí)鋼軌豎向位移變化曲線見圖7?？芍?條鋼軌沉降變化規(guī)律基本一致，鋼軌豎向位移基本呈V形，軌道各點(diǎn)的沉降均隨著樁隧凈距的增大而減小。

圖7 雙線貫通時(shí)鋼軌豎向位移變化曲線

不同樁隧凈距下鋼軌最大豎向位移及位置見表4?？梢钥闯觯簶端韮艟嗟脑龃髮?duì)鋼軌沉降的影響并不明顯，不同樁隧凈距下鋼軌最大變形處鋼軌高差均不足0.1 mm，且最大豎向位移未超過6 mm的限值。

表4 不同樁隧凈距下鋼軌最大豎向位移及位置 mm

樁基最大豎向位移見表5?？梢姡弘S著樁隧凈距的增大，樁基最大豎向位移呈減小的趨勢(shì)。樁隧凈距為1.8 m時(shí)樁基最大豎向位移為-3.998 mm，樁隧凈距分別增至4.2，6.0 m時(shí)樁基最大豎向位移分別為-2.954，-2.309 mm，表明隧道開挖對(duì)樁基豎向位移的影響隨著樁隧凈距的增大而減小。

表5 不同樁隧凈距下樁基最大豎向位移

由于2#樁、3#樁與隧道左線的距離較近，故選取2#樁作為樁基水平位移的監(jiān)測(cè)對(duì)象。雙線貫通時(shí)2#樁垂直于盾構(gòu)掘進(jìn)方向(X方向)的水平位移曲線見圖8。

圖8 雙線貫通時(shí)2#樁水平位移曲線

由圖8可見：①由于左線隧道開挖對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，在隧道中心處2#樁正向水平位移達(dá)到最大值，樁隧凈距為1.8，4.2和6.0 m時(shí)2#樁在隧道中心處的水平位移分別為1.996，1.204，0.738 mm；②在隧道中心以下約8 m處2#樁負(fù)向水平位移達(dá)到最大值，3種凈距下其值分別為3.413，1.594及0.867 mm；③隨著樁隧凈距的增大，2#樁水平位移明顯減小，這表明隧道開挖對(duì)2#樁水平位移的影響會(huì)隨著隧樁凈距的增大而減小。

3 結(jié)論

1)盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)會(huì)使鄰近樁基產(chǎn)生以沉降為主的附加變形，其最大沉降發(fā)生在樁頂；隨盾構(gòu)的推進(jìn)地表沉降表現(xiàn)出較為明顯的增長趨勢(shì)，至隧道雙線貫通時(shí)地表最大沉降值為20.374 mm。

2)既有橋梁樁基對(duì)盾構(gòu)開挖引起的地層擾動(dòng)能起到一定的阻隔作用，從而減小了盾構(gòu)施工所引起的變形。同時(shí)，由于樁側(cè)摩阻力的作用，2#墩臺(tái)周圍的地表沉降最大值小于隧道進(jìn)出口處。

3)在樁隧凈距分別為1.8，4.2，6.0 m時(shí)，橋梁梁體與樁基產(chǎn)生的變形均以沉降為主，變形量隨樁隧凈距的增大而減小。隨樁隧凈距的增大相鄰兩股鋼軌水平高差及軌面沉降的變化趨勢(shì)不明顯，均未超出6 mm的限值。

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