布亞芳，孫 琳，劉 柳，李 磊

(1. 河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，河北 石家莊 050091； 2. 石家莊市環(huán)路綠化工程有限公司，河北 石家莊 050091)

0 引 言

城市地鐵大多建設(shè)在建(構(gòu))筑物密集處，隧道的開(kāi)挖常常會(huì)下穿(側(cè)穿)房屋、高架橋、管道、涵洞等。盾構(gòu)下穿(側(cè)穿)既有建(構(gòu))筑物過(guò)程中會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，施工風(fēng)險(xiǎn)非常大[1-2]，因此需要對(duì)其進(jìn)行受力與變形分析。楊永平等[3]通過(guò)數(shù)值模擬分析了軟土地區(qū)盾構(gòu)進(jìn)接樁基的受力與變形，得到由于建筑物的存在，隧道兩邊的地表沉降曲線呈現(xiàn)不對(duì)稱狀態(tài)；邱裕華等[4]通過(guò)超大直徑泥水盾構(gòu)近距離穿越樁基試驗(yàn)，結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)，探究了減小盾構(gòu)近距離穿越對(duì)樁基影響的措施；彭坤等[5]通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬盾構(gòu)下穿橋梁樁基，對(duì)兩種不同樁基加固方案條件下地表沉降和橋梁樁基變形進(jìn)行分析，得出后開(kāi)挖側(cè)的樁身位移比先開(kāi)挖側(cè)大，樁和承臺(tái)約束了地表沉降的結(jié)論。王炳軍等[6]通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)值試驗(yàn)來(lái)分析盾構(gòu)法隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物樁基變形與承載特性的影響，但沒(méi)有結(jié)合具體的工程實(shí)例；朱逢斌等[7]通過(guò)數(shù)值模擬與離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了數(shù)值模擬研究盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)臨近樁基影響是可靠的；李樹(shù)奇等[8]運(yùn)用ANSYS數(shù)值分析軟件研究了盾構(gòu)施工對(duì)橋梁樁基的影響，但沒(méi)有考慮樁頂工作荷載的影響。

隧道施工會(huì)引起隧道周圍地層移動(dòng)，其產(chǎn)生的自由土體位移場(chǎng)使得工作狀態(tài)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加彎矩和變形，對(duì)既有結(jié)構(gòu)的安全使用產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。筆者以西安某地鐵隧道土壓平衡盾構(gòu)下穿高架橋工程為背景，使用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)等方法分析盾構(gòu)側(cè)穿橋墩的受力與變形。

1 工程地質(zhì)概況

西安地鐵四號(hào)線某區(qū)間隧道工程采用土壓平衡盾構(gòu)施工，此處洞頂土層主要為素填土、黃土狀土、粉細(xì)砂，該區(qū)間地下潛水穩(wěn)定水位埋深9.20～10.50 m，地下水高程介于364.12～366.9 m，水位年變幅2～3 m。隧道左右線在239～245環(huán)、240～246環(huán)時(shí)分別穿越北三環(huán)南、北高架橋輔道，下穿長(zhǎng)度均為8.06 m，盾構(gòu)區(qū)間隧道洞頂覆土14.26～17.30 m，此處路面和橋面的車流量較大，南輔道高架橋處左線隧道邊線距離橋樁的最小距離為8.49 m，右線隧道邊線距離橋樁的最小距離為4.49 m，北輔道高架橋處左線隧道邊線距離橋樁的最小距離為8.39 m，右線隧道邊線距離橋樁的最小距離為4.96 m。以盾構(gòu)下穿南輔道為例，剖面見(jiàn)圖1，橋墩直徑1.5 m，此區(qū)間車流量較大，地表沉降控制要求嚴(yán)格，右線隧道距離橋墩不足一倍洞涇，盾構(gòu)側(cè)穿高架橋期間容易造成地表沉降過(guò)大，橋墩沉降、變形過(guò)大甚至出現(xiàn)裂縫，影響上部結(jié)構(gòu)車輛運(yùn)行。

圖1 盾構(gòu)下穿北三環(huán)南輔道剖面Fig. 1 Profile of shield passing underneath North Third Ring South auxiliary road

2 下穿過(guò)程動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工程概況，對(duì)該工程采用MIDAS/GTS NX建立有限元模型分析隧道開(kāi)挖地表沉降和高架橋橋墩的變形情況，模型建立如圖2、圖3。模型尺寸為120 m×33 m×60 m，共40 186個(gè)單元、20 396個(gè)節(jié)點(diǎn)；模型圍巖物理力學(xué)計(jì)算假定服從摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，不考慮地下水的影響，且初始應(yīng)力場(chǎng)設(shè)置為自重應(yīng)力。為了符合實(shí)際的施工，將盾構(gòu)推進(jìn)簡(jiǎn)化成一個(gè)非連續(xù)的推進(jìn)過(guò)程，盾構(gòu)推進(jìn)實(shí)際上是盾構(gòu)剛度及荷載的遷移，用改變單元材料類型和參數(shù)的方法反映盾構(gòu)的推進(jìn)過(guò)程，而每一次向前推進(jìn)的過(guò)程中，盾構(gòu)周圍土體受力狀態(tài)也發(fā)生變化。模擬計(jì)算前，先在模型里預(yù)設(shè)隧道開(kāi)挖土體、盾殼單元、管片單元及注漿體單元。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)假設(shè)盾構(gòu)一步一步跳躍式向前推進(jìn)，每次向前推進(jìn)一定長(zhǎng)度，隧道土體開(kāi)挖后及時(shí)改變相應(yīng)單元的材料模型和參數(shù)來(lái)模擬管片拼裝和同步注漿，模型不考慮盾尾空隙的存在，亦不考慮地面和橋墩的行車荷載。邊界條件為：除了上表面，其余面均法向固定。

圖2 盾構(gòu)下穿風(fēng)險(xiǎn)源模型網(wǎng)格劃分Fig. 2 Mesh partition of risk source model of shield passing underneath

圖3 橋墩與盾構(gòu)隧道位置關(guān)系Fig. 3 Relationship between pier and shield tunnel

該模型的模擬采取兩環(huán)管片的長(zhǎng)度為一個(gè)循環(huán)，即3 m/循環(huán)，模型受力狀況見(jiàn)圖4，模型的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 位置1、2、3示意Fig. 4 Schematic of position 1, 2 and 3

土層厚度/m天然密度/(g·cm-3)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)泊松比素填土3.0—10120.31黃土狀土7.01.9520210.28中砂20.01.890320.32粗砂30.01.870300.31管片0.32.50——0.20盾殼0.27.80——0.25注漿0.22.00——0.20橋樁1.52.40——0.20

3 數(shù)值模擬分析

3.1 地表沉降分析

對(duì)數(shù)值計(jì)算模型選取3個(gè)斷面進(jìn)行橫向地表沉降的研究，3個(gè)斷面的橫向地表沉降曲線見(jiàn)圖5。從圖5可以看出：位置1和位置3較位置2處的沉降較大，橫向地表最大沉降為2.55 mm，位于兩條隧道的中間位置，沉降槽寬度約為80.0 m，遠(yuǎn)離隧道位置處的地表有微量隆起；位置2橫向地表最大沉降為2.03 mm，相比位置1和3，沉降值降低了20.39%；由于橋墩的存在，位置2處橋墩內(nèi)側(cè)均有較明顯的地表土體隆起，且右側(cè)隆起值大于左側(cè)的隆起值；橋墩外側(cè)的土體擾動(dòng)較位置1和3擾動(dòng)較小，可見(jiàn)盾構(gòu)施工擠壓周邊土體，由于橋樁的存在，限制了橋樁周圍土體下沉，由于土體相互擠壓的作用，導(dǎo)致橋墩周圍呈現(xiàn)微隆狀態(tài)。

圖5 位置1、2、3橫向地表沉降曲線Fig. 5 Lateral surface subsidence curve of position 1, 2 and 3

3.2 橋墩變形分析

左右側(cè)橋墩橫向變形曲線如圖6。從圖6中可以看出：左線隧道貫通時(shí)，左側(cè)橋墩最大水平位移為2.74 mm，發(fā)生在與盾構(gòu)隧道平行位置，右側(cè)橋墩的最大水平位移為1.52 mm；右線隧道貫通后，左側(cè)橋墩最大水平位移為3.04 mm，增加了0.30 mm，右側(cè)橋墩最大水平位移變?yōu)?.73 mm，增加了2.21 mm，位于地面以上的橋墩變形量較小?？梢?jiàn)同樣標(biāo)高的橋墩變形，距離盾構(gòu)機(jī)近距較小的變形量較大，且最大變形量發(fā)生在隧道埋深處附近。

圖6 左右側(cè)橋墩橫向變形曲線Fig. 6 Lateral deformation curve of left and right side piers

左右側(cè)橋墩縱向變形曲線如圖7。從圖7可看出：橋墩整體均存在縱向沉降，橋墩標(biāo)高在盾構(gòu)機(jī)頂部到盾構(gòu)機(jī)底部段沉降較大，變化較為明顯，且隨著施工的進(jìn)行，沉降量逐漸增大，左側(cè)橋墩最大沉降為1.08 mm，右側(cè)橋墩的最大沉降為1.82 mm。

圖7 左右側(cè)橋墩縱向變形曲線Fig. 7 Longitudinal deformation curve of left and right side piers

3.3 橋墩受力分析

隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，橋墩會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)力變化，圖8和圖9是計(jì)算模型中橋墩的軸力和彎矩變化曲線，其中軸力以受拉為正，受壓為負(fù)，彎矩為正表示橋墩內(nèi)側(cè)受壓外側(cè)受拉。

圖8 左右側(cè)橋墩軸力變化曲線Fig. 8 Axial force variation curve of left and right side piers

圖9 左右側(cè)橋墩彎矩Fig. 9 Bending moment of left and right side piers

從圖8可以看出：左右側(cè)橋墩均處于受拉狀態(tài)；盾構(gòu)機(jī)所在位置橋墩所受軸力最大，隨著盾構(gòu)施工的進(jìn)行，左右側(cè)橋墩的軸力均逐漸增大，最終左側(cè)橋墩的最大軸力為175 kN，右側(cè)橋墩樁身最大軸力為225 kN，均發(fā)生在與盾構(gòu)機(jī)平行位置；由于盾構(gòu)機(jī)離右側(cè)橋墩較近，右側(cè)橋墩軸力的增加量明顯高于左側(cè)。

從圖9可以看出：左右側(cè)橋墩在樁頂部均是負(fù)彎矩，橋墩頂部表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)受拉，外側(cè)受壓；在盾構(gòu)機(jī)所在位置兩側(cè)橋墩均為正彎矩，左側(cè)橋墩最大正彎矩365 kN·m，右側(cè)橋墩最大正彎矩413 kN·m；相同深度右側(cè)橋墩的彎矩要大于左側(cè)橋墩的彎矩。

4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

本段地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的橫向布點(diǎn)沿隧道中心線正上方開(kāi)始，在依次間距4、5 m的位置對(duì)稱布置，每隔10～15 m 布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。已設(shè)斷面點(diǎn)孔埋設(shè)于原狀土中(深度10 cm)，如圖10。

圖10 地面監(jiān)測(cè)布置Fig. 10 Ground monitoring layout

盾構(gòu)側(cè)穿高架橋期間應(yīng)嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，及時(shí)注漿，并增加橋墩即地表的沉降監(jiān)測(cè)頻率。側(cè)穿高架橋結(jié)構(gòu)期間的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 側(cè)穿高架橋期間沉降控制標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Settlement control standard for passing alongside viaduct mm

將位置1與位置3的實(shí)際沉降值與數(shù)值計(jì)算的沉降值進(jìn)行對(duì)比，如圖11。位置1和位置3實(shí)際最大沉降分別為2.85、2.14 mm，可見(jiàn)實(shí)際沉降值與數(shù)值計(jì)算得出的沉降值較為吻合，使用上述計(jì)算模型可較好的分析盾構(gòu)側(cè)穿高架橋所引起的橋墩變形和受力情況。

圖11 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際沉降對(duì)比曲線Fig. 11 Comparison curves between numerical calculation and actual settlement

橋墩的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖12，對(duì)6個(gè)點(diǎn)的最終沉降做點(diǎn)，如圖13，可見(jiàn)左、右側(cè)橋墩的平均沉降分別為2.01、2.73 mm，略大于數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

圖12 左右橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig. 12 Location of monitoring points of left and right piers

圖13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)際沉降Fig. 13 Actual settlement of monitoring points

5 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法分析盾構(gòu)側(cè)穿高架橋樁所引起的受力與變形，并將數(shù)值計(jì)算得出的沉降值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，可以得到：

1)盾構(gòu)在砂層環(huán)境下穿既有建(構(gòu))筑物時(shí)，由于砂性土層的性質(zhì)使得土壓力的大小對(duì)地表沉降的影響較大。

2)橋墩外側(cè)的土體沉降較小，且橋墩周圍的土體沉降相比其他地方小的多，可以看出是橋墩對(duì)地表沉降有一定的約束作用。因此盾構(gòu)機(jī)在穿越既有建(構(gòu))筑物中，為保證安全，可以在合適的地方布置樁基，能有效減小既有結(jié)構(gòu)的沉降。

3)盾構(gòu)機(jī)在下穿既有結(jié)構(gòu)過(guò)程中，應(yīng)做好加固措施，避免長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)，減少盾構(gòu)的方向糾偏，嚴(yán)格控制好掘進(jìn)參數(shù)，及時(shí)做好二次補(bǔ)漿、加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置。