鄭 揚，武 科，孫 杰，韓宇聰，朱仁軍，陳 榕

(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250061；2.東北電力大學(xué)， 吉林 吉林 132012)

地下空間的開發(fā)和利用，隧道結(jié)構(gòu)將頻繁的下穿城市繁華的街道及重要建筑物，城市地鐵隧道的施工不可避免的會下穿既有建筑結(jié)構(gòu)，而隧道的開挖往往會引起地層的變形，進(jìn)而導(dǎo)致上部建筑結(jié)構(gòu)的不均勻變形，當(dāng)變形超過一定安全限值時，將造成上部建筑物產(chǎn)生裂縫甚至倒塌等一系列的安全問題[1-2]。

針對地鐵隧道施工對上部既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的一系列安全問題，國內(nèi)外有關(guān)專家進(jìn)行了大量的研究。王占生等[3]針對盾構(gòu)施工對周圍建筑物的安全影響進(jìn)行了評估，并且對盾構(gòu)施工掘進(jìn)過程中對鄰近既有結(jié)構(gòu)的影響程度進(jìn)行了預(yù)測，提出盾構(gòu)通過建筑物時可以通過隔斷法、土體加固等措施來減小施工的影響。許愛峻[4]以北京地鐵十號線蓮花橋下穿既有橋梁為例，探討了PBA工法暗挖車站施工對下穿立交橋安全影響。Wu等[5]以黃土地區(qū)第一條淺埋隧道穿越既有鐵路車站為例，分析了四種不同開挖方法對既有結(jié)構(gòu)變形的影響，得出步長越小，空間越大，上半段核心土保持在50%左右最有利于控制軌道沉降的結(jié)論。袁偉等[6]針對天津地鐵2號線，分析了盾構(gòu)側(cè)穿對地表沉降的影響，得出了盾構(gòu)側(cè)穿會導(dǎo)致原有隧道周圍土體會向上隆起，減小地表的沉降。裴學(xué)斌等[7]以重慶地鐵十號線下穿渝懷鐵路隧道為工程背景，研究了新舊隧道之間的相互影響。孫鶴明等[8]以重慶軌道環(huán)線區(qū)間隧道下穿既有結(jié)構(gòu)為背景，對復(fù)合地層雙線TBM隧道施工影響下圍巖及既有結(jié)構(gòu)的沉降變形規(guī)律進(jìn)行了深入的研究，得出右線開挖引起的建筑物沉降遠(yuǎn)大于左線引起的沉降，TBM施工對建筑物樁基的變形受力影響與其距隧道中線距離密切相關(guān)。白明洲等[9]以北京地鐵10號線蘇州街車站為例，利用FLAC3D建立數(shù)值模型，分析暗挖車站周圍土體的沉降量與變形量。

但是目前針對新建隧道不同角度下穿既有市政橋梁過程中，對于既有結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變以及地表沉降的研究相對較少。為此，依托青島地鐵1號線海泊橋站到小村莊站區(qū)間TBM隧道下穿市政橋梁工程，利用FLAC3D數(shù)值模擬分析軟件與現(xiàn)場施工監(jiān)測相結(jié)合的方法，分析了兩種不同工況下對既有橋梁結(jié)構(gòu)的受力及變形規(guī)律，并進(jìn)行對比與分析[10-15]。

1 工程實例

1.1 工程概況

區(qū)間從海泊橋沿人民路向北至穿過南寧路、撫順路，下穿人民路立交橋，進(jìn)入小村莊車站。區(qū)間右線起止里程為：YSK39+491.675—YSK40+533.150，右線長度1 061.475 m，區(qū)間左線起止里程為：ZSK39+491.675—ZSK40+533.150，左線長度1 061.119 m。下穿人民路立交橋區(qū)間采用TBM單洞單線圓形斷面隧道，結(jié)構(gòu)內(nèi)徑5.4 m，外徑6 m。管片襯砌，管片厚度300 mm，每環(huán)寬1 500 mm，采用錯縫拼接。隧道頂部埋深19 m，主要穿越土層為強風(fēng)化花崗巖。新建隧道與人民路立交橋剖面位置如圖1所示。

圖1 相對位置關(guān)系圖

1.2 工程地質(zhì)水文條件

本區(qū)間地貌類型主要為剝蝕斜坡地貌及山麓斜坡堆積山間凹地地貌。剝蝕斜坡區(qū)，地形略有起伏，覆蓋層以第四系填土層為主，山麓斜坡堆積山間凹地區(qū)，地形較為平坦，上覆第四系沖洪積粉質(zhì)黏土層、中粗砂及含粉質(zhì)黏土礫砂，下伏基巖均以燕山晚期花崗巖為主，局部侵入煌斑巖、細(xì)?；◢弾r及花崗斑巖巖脈，受構(gòu)造影響各地層的力學(xué)性質(zhì)變化較大隧道主要位于中、強風(fēng)化巖層中，地下水富水性整體為貧，在構(gòu)造裂隙發(fā)育地段透水性相對較好，水量相對較大，但匯水條件相對較差。從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征、新構(gòu)造運動、歷史地震背景、不良地質(zhì)作用及特殊巖土等條件分析，區(qū)域性場地相對穩(wěn)定。

2 計算模型及參數(shù)確定

2.1 建立模型及初始條件

綜合考慮區(qū)間土體分層及新建隧道與立交橋的位置關(guān)系，建立三維數(shù)值模型，左右線間距8 m。考慮由洞室開挖引起的圍巖影響范圍，因此計算模型的三維尺寸取為70 m×50 m×50 m，如圖2(a)所示。假定土體為均質(zhì)土層，土體采用八節(jié)點六面體模擬，土體本構(gòu)模型Mohr-Coulomb模型，土體開挖采用null模型。青島地鐵1號線海泊橋站到小村莊站區(qū)間如圖2(a)所示，模型共劃分38 413個節(jié)點和98 342個單元；4號線鞍山路站到錯埠嶺站區(qū)間如圖2(b)所示，模型共劃分36 586個節(jié)點和91 515個單元。兩個模型四個側(cè)面邊界條件均為法向約束，底部全約束，地表采用自由邊界，模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計算模型

青島地鐵1號線海泊橋站到小村莊站區(qū)間與4號線鞍山路站到錯埠嶺站區(qū)間，TBM分別為正交下穿人民路立交橋與順橋向下穿杭鞍高架橋，因此建立兩種不同角度下穿的數(shù)值計算模型。

2.2 土層及相關(guān)支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

土層及相關(guān)支護(hù)材料的力學(xué)參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場施工的地質(zhì)勘探報告詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 施工方法模擬

具體施工計算方法如下：

針對新建隧道不同角度的下穿對于橋梁的影響，建立新建隧道正交下穿市政橋梁與沿橋向下穿兩種不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬。

(1) 計算自重應(yīng)力，建立計算初始應(yīng)力場。

(2) 其位移及塑性區(qū)清零。

(3) 先行開挖左線，每部開挖3 m，間隔12 m進(jìn)行管片支護(hù)。

(4) 后行開挖右線，與左線間隔12 m。

(5) 開挖下穿既有市政橋梁。

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

基于建立的模型，分別針對兩種不同工況進(jìn)行了數(shù)值計算，并將對應(yīng)力場及位移場進(jìn)行對比分析比較，計算結(jié)果如下。

3.1 不同下穿角度應(yīng)力場結(jié)果分析

圖3為不同角度開挖完成后橋梁的豎向應(yīng)力分布云圖。由圖3可知：

(1) 當(dāng)沿橋向開挖時，橋面板主要承受拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力約為0.205 MPa，橋墩主要承受壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力約為1.86 MPa。

(2) 新建隧道正交下穿橋梁開挖完成，橋面板承受的最大拉應(yīng)力約為0.426 MPa，橋墩也承受較大的壓應(yīng)力與部分拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力約為3.78 MPa。

圖3 橋梁豎向應(yīng)力云圖

(3) 相比前者，最大拉應(yīng)力增大了108%，最大壓應(yīng)力增大了103%。正交下穿對橋梁的擾動要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沿橋向下穿，這是因為新建隧道正交下穿橋梁，導(dǎo)致正上方橋面板大幅度隆起，而橋梁兩側(cè)阻止正上方橋面板發(fā)生隆起變形，在分界點處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得越靠近隧道的橋面板應(yīng)力值越大，傳遞不規(guī)則，說明該區(qū)域為隧道開挖的主要擾動區(qū)。當(dāng)隧道軸線與橋中心線一致時，此時隨著隧道開挖，橋面板應(yīng)力分布相對比較均勻。

圖4為不同角度開挖完成后橋梁的最大應(yīng)力分布云圖。由圖4可知：

(1) 兩種不同工況下，其最大主應(yīng)力多都集中在跨中及橋墩附近。

(2) 新建隧道正交下穿橋梁，橋梁最大主拉應(yīng)力約為1.83 MPa，最大主壓應(yīng)力約為0.298 MPa；新建隧道沿橋向下穿橋梁最大主拉應(yīng)力約為0.761 MPa，最大主壓應(yīng)力約0.203 MPa。

(3) 相比正交下穿，最大主拉應(yīng)力減小了約58.4%，最大主壓應(yīng)力減小73.3%。兩種不同工況下，橋梁跨中位置與支座處依然是應(yīng)力集中區(qū)域，橋梁易發(fā)生開裂，在施工中要對橋墩及其周圍土體進(jìn)行加固。

圖4 橋梁最大主應(yīng)力圖

3.2 位移場分析

TBM開挖對于既有建筑結(jié)構(gòu)的位移影響主要為豎直方向的隆起或者沉降，因此本文僅針對其豎直方向的位移加以分析并對沿橋向開挖過程中橋面板與樁基設(shè)置監(jiān)測點。

如圖5所示，對于沿橋向開挖，因TBM在不斷掘進(jìn)過程中，需要依靠左右撐靴作用在土體壁面上的提供前行的動力，橋墩附近土體有輕微的隆起，最大隆起值約為3.75 mm。隧道拱頂呈沉降趨勢，因?qū)ν馏w已經(jīng)施加了初襯，因此開挖完成后沉降值約為0.360 mm。橋面板的隆起值趨勢最大，且多集中在橋面板兩端，最大值約為4.50 mm，跨中隆起值約為3.75 mm。而對于新建隧道正交下穿既有橋梁，橋面板豎向位移最大值約為8.97 mm，最小值約為2.50 mm，左線隧道開挖對于橋梁的擾動遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于右線隧道開挖，該區(qū)域處于危險狀態(tài)，此時橋面板易產(chǎn)生開裂，在施工時要加以注意，可以采取加固橋臺附近地層，擴大基樁承臺，在新建隧道與橋梁基礎(chǔ)之間施作隔離墻等措施。但均滿足一般規(guī)定盾構(gòu)施工引起的允許地面沉降值約為30 mm，隆起值為10 mm的要求。根據(jù)現(xiàn)場試驗，樁基土壓縮系數(shù)a1-2為0.28 MPa-1，為中壓縮性土，滿足建筑結(jié)構(gòu)允許沉降值0.002L=28 mm(L為相鄰樁基的距離mm)。

圖5 豎向位移云圖

建筑物的沉降變化主要是通過提前對建筑物設(shè)計監(jiān)測控制點，對整個區(qū)間段實施沉降全程監(jiān)測。如圖6(a)所示，當(dāng)隧道左線開挖到12 m時，橋面板的隆起值達(dá)到最大，約為5.60 mm，此時右線再開挖12 m，橋面將有一定程度的下沉變形，隆起值最大約為4.25 mm，減小了約24.1%，最后隆起值漸漸趨于一個穩(wěn)定值。在右線隧道開挖過程中，將會對左線隧道上方的橋面板有一定的卸載作用，土體應(yīng)力釋放，這將會導(dǎo)致整個橋面板的隆起值均有一定程度減小。

由圖6(b)知，開挖過程中，邊樁的變形量最大，最大值約5.40 mm，而跨中樁最大值約4.70 mm，因此在工程施工前，可以采取一些適當(dāng)?shù)拇胧┘庸虡蚨眨瑢τ谧冃瘟枯^大的邊樁，可以采取樁基托換的方法。從圖中也可以看出，雙線隧道的開挖對于跨中橋面板的影響最小，而橋兩端變形較大，值得注意，但變形值都在安全允許范圍之內(nèi)。

圖6 沉降變化圖

4 結(jié) 論

綜合考慮環(huán)境因素，土層因素作用，建立新建隧道下穿既有市政橋梁模型并進(jìn)行開挖與數(shù)值模擬計算，得出以下結(jié)論：

(1)新建隧道不同角度下穿立交橋過程中，正交下穿對橋梁擾動影響最大，當(dāng)隧道軸線與橋梁軸線重合時，此時對橋梁的擾動影響最小。因此若有類似工程，應(yīng)盡可能小角度下穿既有結(jié)構(gòu)。

(2)先行左線隧道會導(dǎo)致既有建筑結(jié)構(gòu)的隆起，隆起量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于右線隧道。新建隧道開挖到既有橋梁跨中時，此時隆起值最大且對于橋面板兩端的影響最大。

(3)雙線隧道開挖中，隧道上方地表會有小幅度的隆起，且基礎(chǔ)附近土體變形量最大。因此新建隧道開挖之前，可以采用隔斷法、土體加固、建筑物本體加固、基礎(chǔ)托換等措施保證既有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。