楊俊龍, 門(mén)燕青, 廖少明, 高東奇, 蘇逢彬
(1. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系, 上海200092; 2. 上海城建置業(yè)發(fā)展有限公司, 上海 200030;3. 濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司, 濟(jì)南 250101)
“穿越”問(wèn)題在地下空間開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可避免,穿越施工將對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生擾動(dòng),造成周?chē)貙訐p失,引起隧道周?chē)臻g應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變化[1].然而,下穿運(yùn)營(yíng)鐵路時(shí)引起的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)往往是根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)或工程類(lèi)比而來(lái),具有一定的盲目性[2].因此,大直徑、淺覆土盾構(gòu)下穿鐵路工程與一般的穿越工程相比,不確定性更大,施工風(fēng)險(xiǎn)更高.
國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)穿越工程,采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法開(kāi)展了許多卓有成效的研究.廖少明等[3-5]推導(dǎo)了盾構(gòu)近距離穿越地鐵隧道時(shí)地層土壓力的相關(guān)理論公式,預(yù)測(cè)了盾構(gòu)超近距離穿越地下構(gòu)筑物施工過(guò)程中的地層變形特性.胡群芳等[6]分析對(duì)比了盾構(gòu)兩次近距離下穿越施工的過(guò)程和特點(diǎn),討論了周?chē)貙油馏w的沉降變形和規(guī)律.廖少明等[7]對(duì)盾構(gòu)穿越運(yùn)營(yíng)地鐵隧道、危舊敏感建筑物等地下空間的盾構(gòu)選型、微擾動(dòng)控制等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析.宋克志等[8]分析了盾構(gòu)隧道地表沉降的構(gòu)成及其機(jī)理,推導(dǎo)了地表最大沉降的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差.蔣洪勝[9]研究了盾構(gòu)法隧道穿越地下污水管道時(shí)盾構(gòu)推進(jìn)與地層移動(dòng)的相關(guān)性.孔祥鵬等[10]采用三維有限元方法從理論上對(duì)既有車(chē)站的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了分析.Liu等[11]分析了在已建隧道上方新建明挖回填式隧道的過(guò)程對(duì)已建隧道的影響.郭瑞等[12]采用數(shù)值模擬的方法分析了隧道的開(kāi)挖過(guò)程中位移逐漸釋放和應(yīng)力逐漸釋放的相關(guān)關(guān)系.
本文結(jié)合杭州環(huán)北地下快速路隧道工程實(shí)踐,采用數(shù)值分析的方法研究了有、無(wú)土層加固的情況下盾構(gòu)施工對(duì)地層、橋涵的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響.在此基礎(chǔ)上,分析了盾構(gòu)穿越鐵路橋涵的施工參數(shù)的變化規(guī)律,提出了盾構(gòu)施工的控制方法,并對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)穿越鐵路橋涵過(guò)程中的橋涵沉降進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析,以期為大直徑盾構(gòu)淺覆土下穿鐵路橋涵設(shè)計(jì)和施工控制提供借鑒和指導(dǎo).
環(huán)北地下快速路是杭州市“三縱五橫”快速路的中間一橫.環(huán)北地下快速路隧道工程采用大直徑泥水平衡式盾構(gòu)法進(jìn)行施工,分南、北兩線,北線隧道盾構(gòu)段 1 275 m,南線隧道盾構(gòu)段 1 410 m.盾構(gòu)隧道采用預(yù)制管片單層襯砌,管片環(huán)采用9等份分塊,外徑D為11.3 m,內(nèi)徑d為10.3 m,管片厚度0.5 m,環(huán)寬2.0 m.管片之間及管片環(huán)之間均采用斜螺栓連接,管片襯砌環(huán)采用C50鋼筋混凝土,抗?jié)B等級(jí)為P12.隧道結(jié)構(gòu)如圖1所示.
圖1 環(huán)北地下快速路盾構(gòu)隧道斷面圖(mm)Fig.1 Shield tunnel section of Huanbei underground expressway (mm)
盾構(gòu)始發(fā)后,將近距離斜交下穿建成于1977年的滬杭鐵路橋涵,鐵路線路中心線與盾構(gòu)隧道中心線的斜交角度為69°9′43″.穿越鐵路橋涵的寬度為12.84 m,為箱型框架結(jié)構(gòu),橋涵混凝土等級(jí)為C30,橋涵上部鐵路軌道為有砟軌道.穿越部位南、北線隧道上覆土厚度分別為8.63和8.84 m,如圖2所示.橋涵底板與引道底板間設(shè)置有防止差異沉降的榫槽.
根據(jù)地勘報(bào)告,隧道穿越鐵路橋涵區(qū)域上部地層以粉土、粉砂為主,厚度約15 m以內(nèi)為沖海相砂質(zhì)粉土夾粉砂及粉砂夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(即后文數(shù)值分析所述的第1層土);中部為厚約18~22 m的高壓縮性流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土以及厚約20~28 m的軟塑-可塑狀粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂(即后文數(shù)值分析所述的第2層土);下部為性能較好的圓礫(即后文數(shù)值分析所述的第3層土).盾構(gòu)穿越橋涵段土層的物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)如圖3所示.
圖2 環(huán)北地下快速路隧道與鐵路橋涵橫剖面關(guān)系圖(mm) Fig.2 Cross section of tunnel and railway bridge of Huanbei underground expressway (mm)
圖3 土體分層及巖土參數(shù)變化曲線Fig.3 Variation curves of soil stratification and parameters
土層加固是減小盾構(gòu)穿越過(guò)程中地表沉降的有效方法[13],通過(guò)加固可以有效提高地基土的承載力,減少地表不均勻沉降和鐵路橋涵的變形.為確保運(yùn)營(yíng)鐵路橋涵安全,有效減少盾構(gòu)穿越施工對(duì)運(yùn)營(yíng)鐵路橋涵的影響,在進(jìn)行與不進(jìn)行高壓旋噴法土體加固的情況下,分別建立了不同的數(shù)值模型以對(duì)盾構(gòu)穿越影響進(jìn)行計(jì)算分析.
采用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,建立的有限元模型長(zhǎng)126.6 m、寬92 m、高41 m,隧道外徑11.3 m、內(nèi)徑10.3 m,左右邊界與隧道邊緣相距34.3 m,底部邊界與隧道邊緣相距34.35 m.根據(jù)設(shè)計(jì)資料,地層加固范圍設(shè)置為橋涵底板下24 m區(qū)域,同時(shí)加固范圍橋涵向前后各延伸8 m,向左右各延伸8 m.有限元模型如圖4所示.
為了反映盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的影響,在掘削面上施加了0.3 MPa的面荷載以模擬盾構(gòu)開(kāi)挖面的頂進(jìn)壓力;在盾構(gòu)機(jī)與土體間的環(huán)形間隙中向土體施加了0.15 MPa的面荷載以模擬注漿壓力.此外,計(jì)算分析中,采用Solid45模型單元進(jìn)行模擬,通過(guò)改變 Solid45 單元的彈性模量、密度等參數(shù)模擬開(kāi)挖土體、周?chē)翆?、加固土體、盾構(gòu)隧道管片和橋涵等不同結(jié)構(gòu).結(jié)合區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件和隧道工程概況,根據(jù)圖2和3所示的地層參數(shù)指標(biāo),對(duì)地層參數(shù)指標(biāo)通過(guò)加權(quán)平均法進(jìn)行合理的歸并,計(jì)算分析過(guò)程中各單元計(jì)算參數(shù)如表1所示.表1中:t為厚度;E為彈性模量;μ為泊松比;γ為重度;c為內(nèi)聚力;φ為內(nèi)摩擦角.
圖4 數(shù)值分析模型(m) Fig.4 Numerical simulation model (m)
Tab.1Physical-mechanicalparametersofdifferentelements
土層t/mE/MPaμγ/(kN·m-3)c/kPaφ/(°)第1層土1160.22181324第2層土2011.20.32181229.2第3層土10160.36181526等代層12.50.4181030加固土247000.4183030隧道管片0.5340000.1672500——盾構(gòu)機(jī)機(jī)殼0.52100000.47850——橋涵—300000.1672500——
2.2.1直接穿越 圖5所示為南北線隧道直接穿越后的橋涵結(jié)構(gòu)沉降曲線.由圖可見(jiàn),盾構(gòu)隧道掘進(jìn)將引起鐵路橋涵的沉降,南線隧道剛剛到達(dá)橋涵時(shí),橋涵最大沉降為3.71 mm;南線隧道剛剛盾構(gòu)穿越后,橋涵最大沉降為10.89 mm;南線隧道完全盾構(gòu)穿越后,橋涵最大沉降為16.40 mm.北線隧道盾構(gòu)通過(guò)引起了鐵路橋涵的二次沉降,待北線隧道完全盾構(gòu)穿越后,橋涵沉降最大值由南線隧道穿過(guò)后的16.40 mm增至21.61 mm.
圖6所示為地層未加固時(shí)北線隧道完全通過(guò)后橋涵的第3主應(yīng)力分布.由圖可見(jiàn),在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中,雖然橋涵絕大多數(shù)區(qū)域的拉應(yīng)力在1.43 MPa以下,但在橋涵中隔墻的頂端和底端產(chǎn)生了應(yīng)力集中,在橋涵中隔墻的頂端、底端以及底板中部的部分區(qū)域拉應(yīng)力超出了1.43 MPa.因此,橋涵的受拉能力不完全滿足要求,將產(chǎn)生結(jié)構(gòu)開(kāi)裂.
圖5 南北線隧道直接穿越后橋涵結(jié)構(gòu)沉降曲線Fig.5 Settlement curves of railway culvert caused by north and south shield tunneling without reinforced soils
圖6 地層未加固時(shí)北線隧道完全通過(guò)后橋涵的第3主應(yīng)力(MPa)Fig.6 The 3rd principal stress of the bridge without reinforced soils (MPa)
綜上所述,隧道掘進(jìn)對(duì)橋涵的沉降影響顯著.在橋涵沉降方面,南線隧道盾構(gòu)穿過(guò)后,橋涵最大沉降為16.40 mm,北線隧道盾構(gòu)穿越后,橋涵沉降最大值增至21.61 mm,超過(guò)了鐵路運(yùn)營(yíng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)(10 mm).在橋涵應(yīng)力方面,隧道掘進(jìn)對(duì)橋涵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響較大,橋涵底板的中間部分、中隔墻的頂端和底端易發(fā)生開(kāi)裂,這些區(qū)域應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注以免發(fā)生危險(xiǎn).
圖7 南北線隧道地層加固后橋涵結(jié)構(gòu)沉降曲線Fig.7 Settlement curves of railway culvert caused by north and south shield tunneling with reinforced soils
2.2.2地層加固后穿越 本文通過(guò)旋噴樁及注漿的方式對(duì)地層進(jìn)行預(yù)加固.縱向加固范圍為橋涵及其前后5 m區(qū)域,加固深度為28 m(從橋涵頂部算起),加固后土體的28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.5 MPa.圖7所示為進(jìn)行地層加固后南北線隧道穿越導(dǎo)致的橋涵結(jié)構(gòu)沉降曲線.由圖可見(jiàn),對(duì)橋涵下地層進(jìn)行加固后,南線隧道通過(guò)時(shí),隧道中心線上方橋涵區(qū)域最大沉降為4.2 mm;南線隧道盾構(gòu)通過(guò)橋涵后,橋涵不均勻沉降達(dá)9.2 mm左右,傾斜率約為 0.018 2%;北線盾構(gòu)施工至鐵路橋涵時(shí)地層的最大沉降為8.525 mm;北線隧道完全盾構(gòu)穿越后地層的最大沉降9.323 mm,橋涵不均勻沉降達(dá)7.5 mm左右,傾斜率約為 0.014 8%.上述沉降均滿足鐵路橋涵最大允許沉降值(10 mm).此外,雖然橋面上各處沉降不均勻,但橋面和橋底的沉降趨勢(shì)基本相同.
圖8所示為地層加固后北線隧道完全盾構(gòu)穿越時(shí)橋涵的第3主應(yīng)力分布.可以看出,地層加固后,大部分區(qū)域的拉應(yīng)力有所降低,僅在橋涵中隔墻的頂端、底端以及橋涵底板中間部分區(qū)域的拉應(yīng)力超過(guò)1.43 MPa,但超出量極小,不影響隧道結(jié)構(gòu)的安全.
圖8 地層加固后北線隧道完全通過(guò)時(shí)橋涵的第3主應(yīng)力(MPa)Fig.8 The 3rd principal stress of the bridge with reinforced soils (MPa)
總體而言,地層加固后盾構(gòu)隧道下穿引起的橋涵附加應(yīng)力、變形發(fā)展與地層未加固時(shí)盾構(gòu)下穿相比,均有明顯的減小.實(shí)際工程中,應(yīng)在中隔墻的頂端和底端采取諸如設(shè)置加筋肋的加固措施,從而有效地增強(qiáng)這些區(qū)域的抗拉能力,減弱應(yīng)力集中現(xiàn)象.
在盾構(gòu)穿越的一般區(qū)間,設(shè)定切口壓力保持在比靜止土壓力計(jì)算值大15 kPa左右的水平.在盾構(gòu)下穿高鐵橋涵區(qū)段,考慮到加固土體密實(shí)度、強(qiáng)度的增大以及橋涵上列車(chē)的超載作用,切口壓力適當(dāng)調(diào)高,保持在比靜止土壓力計(jì)算值大25 kPa左右的水平.實(shí)際切口水土壓力的設(shè)定如圖9所示.
圖9 切口水土壓力設(shè)置值Fig.9 Pressure setting values of cutting ring
南、北線隧道穿越鐵路橋涵前后盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩和盾構(gòu)推力的設(shè)定情況如圖10所示.隧道穿越橋涵過(guò)程中,由于橋涵的上覆土壓力減小,隧道中心荷載的理論計(jì)算值降低了21 kPa,比穿越橋涵前減小了約13%,因此盾構(gòu)施工參數(shù)在穿越過(guò)程中作了相應(yīng)調(diào)整,總推力降低了約10%,轉(zhuǎn)矩降低了約10%.此外,盾尾注漿量大多處于150%~200%之間.
圖10 刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩及盾構(gòu)推力變化曲線Fig.10 Variation of shield torque and thrust
為驗(yàn)證盾構(gòu)施工控制效果,在車(chē)行橋涵底板的中部和人行橋涵的底板對(duì)應(yīng)隧道拱頂?shù)恼戏轿恢?見(jiàn)圖2),沿縱向間距8 m,分別布置了QH1~QH4共計(jì)4個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖11所示.盾構(gòu)穿越橋涵前、后的7 d內(nèi)均進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)頻率1次/d,QH1~QH4測(cè)點(diǎn)隨盾構(gòu)推進(jìn)的位移變化如圖12所示,橋涵縱向差異沉降變化曲線如圖13所示.由圖可見(jiàn),盾構(gòu)機(jī)到達(dá)橋涵前,橋涵沉降很小,介于-1~1 mm之間.當(dāng)盾構(gòu)機(jī)即將穿越橋涵時(shí),4個(gè)測(cè)點(diǎn)都發(fā)生了3~4 mm的隆起.當(dāng)盾尾通過(guò)后,橋涵測(cè)點(diǎn)再次發(fā)生了約4 mm的下沉.上述變形均處于鐵路安全運(yùn)營(yíng)規(guī)范允許范圍內(nèi).工程實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果存在微小差異,其產(chǎn)生的原因?yàn)閿?shù)值模擬分析中未對(duì)盾構(gòu)切口壓力進(jìn)行調(diào)整,而在工程實(shí)踐中切口壓力比靜止土壓力計(jì)算值大25 kPa,較大的切口壓力導(dǎo)致盾構(gòu)擠壓土體,造成地面的預(yù)隆起.
圖11 測(cè)點(diǎn)布置位置Fig.11 Monitoring points arrangement
圖12 盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中橋涵各測(cè)點(diǎn)的位移值Fig.12 Displacement of monitoring points during shield advancing
圖13 橋涵縱向差異沉降變化曲線Fig.13 Longitudinal differential settlement of bridge during shield advancing
進(jìn)一步對(duì)鐵路橋涵的差異沉降進(jìn)行分析.根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),盾構(gòu)機(jī)到達(dá)橋涵前,橋涵縱向差異沉降很小,基本介于 -0.005%~0.01% 之間.盾構(gòu)穿越鐵路橋涵過(guò)程中,縱向差異沉降逐漸增大,QH2、QH3兩點(diǎn)的差異沉降由 0.01% 增加到 0.02%,QH1、QH4兩點(diǎn)的差異沉降由 -0.001% 增加到 0.017%.盾構(gòu)機(jī)通過(guò)3 d后,差異沉降降低并較快趨于穩(wěn)定,最終穩(wěn)定在 0.01% 左右.
以上研究結(jié)果可以說(shuō)明,在對(duì)橋涵下方土體進(jìn)行旋噴樁加固后,橋涵變形和受力的各項(xiàng)指標(biāo)均在鐵路安全運(yùn)營(yíng)允許的范圍內(nèi),盾構(gòu)穿越施工對(duì)運(yùn)營(yíng)鐵路橋涵安全性的影響可控.
本文結(jié)合杭州環(huán)北地下快速路大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道工程,采用數(shù)值分析的方法對(duì)盾構(gòu)穿越引起的運(yùn)營(yíng)鐵路橋涵力學(xué)行為進(jìn)行了預(yù)測(cè),并結(jié)合工程實(shí)測(cè)分析了盾構(gòu)施工參數(shù)的控制方法和實(shí)施效果,主要結(jié)論如下.
(1) 數(shù)值分析表明:未進(jìn)行橋涵區(qū)域的土體加固時(shí),直接穿越鐵路橋涵施工將導(dǎo)致橋涵最大沉降達(dá)到21.6 mm,且在橋涵中隔墻的頂部和底部出現(xiàn)應(yīng)力集中,最大拉應(yīng)力可達(dá)1.60 MPa;進(jìn)行土體加固后,穿越鐵路橋涵施工導(dǎo)致橋涵最大沉降為9.3 mm,部分區(qū)域的最大拉應(yīng)力為1.46 MPa.
(2) 常規(guī)情況下,切口壓力較靜止土壓力大15 kPa,為確保盾構(gòu)穿越鐵路橋涵時(shí)結(jié)構(gòu)的安全,切口壓力調(diào)至比靜止土壓力大25 kPa.此外,考慮上覆水土荷載降低約13%,盾構(gòu)總推力降低了約10%,轉(zhuǎn)矩降低了約10%,盾尾注漿量處于 150%~200%之間,可確保穿越鐵路橋涵盾構(gòu)施工安全.
(3) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明:當(dāng)盾構(gòu)機(jī)即將穿越鐵路橋涵時(shí),橋涵結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生3~4 mm的預(yù)隆起;待盾構(gòu)穿越后,將產(chǎn)生約4 mm的沉降;盾構(gòu)機(jī)通過(guò)3 d后,差異沉降降低并較快趨于穩(wěn)定,最終穩(wěn)定在0.01%左右.