陽(yáng) 超， 盧雅欣， 何鎖宋， 張雪松， 張 浩， 王玉鎖

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031; 2.中鐵北京工程局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，安徽合肥 230088)

近年來(lái)我國(guó)城市軌道交通迅速發(fā)展，受到地鐵線(xiàn)路規(guī)劃及地下空間的客觀(guān)限制，越來(lái)越多的城市地鐵面臨著下穿鐵路橋梁等既有工程。在盾構(gòu)施工的過(guò)程中，地層受到擾動(dòng)進(jìn)而發(fā)生地面沉降。此時(shí)，橋梁樁基周?chē)馏w應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生不利變形，上部結(jié)構(gòu)的安全也受到影響。盾構(gòu)施工對(duì)鄰近既有結(jié)構(gòu)及地層的影響也受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。文獻(xiàn)[1]為了研究隧道施工對(duì)鄰近樁基的影響范圍，通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)地基沉降發(fā)生在隧道的頂部，距隧道工作面1.5倍的隧道直徑區(qū)域樁基受到明顯影響。文獻(xiàn)[2]針對(duì)砂卵石地層中盾構(gòu)隧道對(duì)鄰近樁基的影響進(jìn)行研究，分析了樁基周?chē)耐寥李w粒運(yùn)動(dòng)特征。文獻(xiàn)[3-4]利用三維有限元模擬了鄰近樁基的盾構(gòu)施工，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中樁身位移的變化。文獻(xiàn)[5]采用經(jīng)驗(yàn)公式估算雙洞型盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降。文獻(xiàn)[6]結(jié)合正交試驗(yàn)和方差分析，得出盾構(gòu)施工對(duì)鄰近樁基的影響因素及程度，提出了樁基近鄰度的概念。文獻(xiàn)[7]分析不同加固方式下盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對(duì)近接樁基位移和內(nèi)力的影響。文獻(xiàn)[8]建立了盾構(gòu)隧道穿越既有橋梁精細(xì)化施工控制體系，確保了既有橋梁的安全。

綜上所述，針對(duì)盾構(gòu)施工對(duì)鄰近既有結(jié)構(gòu)及地層的影響的研究已取得一定成果，然而砂卵石地層具有分散性強(qiáng)、自穩(wěn)性差的特點(diǎn)，盾構(gòu)施工很容易破壞原始地層的平衡狀態(tài)，對(duì)鄰近既有結(jié)構(gòu)的影響顯著，不同階段的施工對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)的影響具有疊加效應(yīng)，而目前研究施工全過(guò)程對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響較少，因此進(jìn)行全過(guò)程施工影響研究非常有必要。本文依托成都地鐵9號(hào)線(xiàn)某盾構(gòu)區(qū)間下穿既有鐵路橋工程，利用數(shù)值模擬方法分析左線(xiàn)、右線(xiàn)盾構(gòu)隧道施工全過(guò)程對(duì)地表沉降、樁基和橋墩變形的影響。

1 工程概況

成都地鐵9號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間隧道與既有鐵路橋的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 既有鐵路橋與區(qū)間隧道位置關(guān)系

盾構(gòu)區(qū)間隧道左線(xiàn)先后穿越64#、18#、65#橋墩，距離隧道分別為9.51 m、8.68 m、8.58 m，隧頂埋深21.35～22.77 m。盾構(gòu)區(qū)間隧道右線(xiàn)先后穿越64#、17#、63#橋墩，距離隧道分別為10.87 m、9.47 m、8.10 m，隧頂埋深20.64～22.06 m。

穿越既有鐵路橋段的地質(zhì)情況由上至下依次為人工填土、細(xì)砂及卵石土，穿鐵路橋段左線(xiàn)隧道主要穿越地層為全斷面卵石土；右線(xiàn)隧道主要穿越地層為卵石土、局部為粉細(xì)砂。

2 盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋施工影響數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型的建立

采用Midas GTX/NX建立地層結(jié)構(gòu)模型，模型尺寸為102 m×74 m×40 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型沿Y軸負(fù)方向?yàn)樽缶€(xiàn)隧道開(kāi)挖前進(jìn)方向，左線(xiàn)通過(guò)既有鐵路橋之后右線(xiàn)沿Y軸正方向開(kāi)挖右洞，X軸為平面垂直隧道開(kāi)挖前進(jìn)方向，Z軸為高度方向。管片和盾殼考慮為殼單元，樁基采用植入式梁?jiǎn)卧?，其他均采用三維實(shí)體單元?？紤]管片的單幅寬度為1.5 m，取2倍幅寬3 m為一開(kāi)挖步，左洞和右洞都為34個(gè)開(kāi)挖步。模型頂面為自由面，無(wú)約束；模型底部進(jìn)行固定約束；模型側(cè)面進(jìn)行水平約束。整體模型及位置關(guān)系模型如圖2所示。

圖2 整體模型及位置關(guān)系模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合地質(zhì)勘測(cè)資料及相關(guān)規(guī)范確定結(jié)構(gòu)及土體參數(shù)，如表1、表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 施工過(guò)程模擬

施工階段模擬過(guò)程如下：

(1)生成地層初始應(yīng)力場(chǎng)，激活橋墩及樁基并進(jìn)行位移清零。

(2)左線(xiàn)開(kāi)挖并進(jìn)行管片支護(hù)模擬。進(jìn)行左線(xiàn)逐環(huán)土體開(kāi)挖、管片施作、掌子面土倉(cāng)壓力施加的施工過(guò)程的模擬，以此類(lèi)推，直至左線(xiàn)掘進(jìn)通過(guò)既有橋梁結(jié)構(gòu)，掘進(jìn)通過(guò)后，開(kāi)始右線(xiàn)由反方向掘進(jìn)施工模擬，循環(huán)過(guò)程同左線(xiàn)，直至左線(xiàn)、右線(xiàn)貫通。

按照上面的施工步驟循環(huán)進(jìn)行，共計(jì)71個(gè)施工階段。

2.4 測(cè)點(diǎn)布置

由于本次施工階段較多，提取整個(gè)施工階段中的九個(gè)具有代表性的施工階段進(jìn)行分析，按照施工的先后順序編號(hào)1～9，其中，1是左線(xiàn)穿越橋墩前施工階段，2～4分別是左線(xiàn)施工到距離64#、18#、66#橋墩最近位置處，5是左線(xiàn)施工完成，右線(xiàn)穿越橋墩前階段，6～8則是右線(xiàn)分別施工到距離65#、17#、63#橋墩最近位置處，9是盾構(gòu)施工完成后。首先進(jìn)行左線(xiàn)施工，隨后進(jìn)行右線(xiàn)施工，其掘進(jìn)方向及施工階段如圖3(a)所示。為了進(jìn)一步分析整個(gè)施工階段過(guò)程中橋墩及樁基位移的變化規(guī)律，分別在6個(gè)承臺(tái)距離隧道最近的節(jié)點(diǎn)位置布置位移測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖3(b)所示。

圖3 分析階段及承臺(tái)測(cè)點(diǎn)示意

上述分析階段對(duì)應(yīng)的施工階段編號(hào)如表3所示。

表3 分析階段對(duì)應(yīng)的施工階段編號(hào)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降

左線(xiàn)、右線(xiàn)盾構(gòu)施工完成后地表沉降如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)施工引起地表沉降云圖

選取模型沿隧道縱向中部橫斷面，提取該位置地表節(jié)點(diǎn)的豎向位移，作出地表沉降變化曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 地表沉降變化曲線(xiàn)

由圖4、圖5可知：

(1)在盾構(gòu)掘進(jìn)的過(guò)程中，地表豎向位移主要集中在隧道上部的地層中，且隨著隧道的掘進(jìn)，發(fā)生位移的區(qū)域沿掘進(jìn)方向向前擴(kuò)展。這主要是由于盾構(gòu)在掘進(jìn)的過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)對(duì)開(kāi)挖面土體擠壓，使開(kāi)挖面土體移動(dòng)，隧道盾構(gòu)周?chē)耐馏w受到施工擾動(dòng)后，從而引起地層的隆沉。

(2)當(dāng)左線(xiàn)隧道開(kāi)挖完成時(shí)，發(fā)生位移的區(qū)域沿隧道縱向貫穿整個(gè)地層區(qū)域，此時(shí)地表沉降最大值為5.72 mm，在左線(xiàn)掘進(jìn)終點(diǎn)位置處；右線(xiàn)隧道開(kāi)挖完成時(shí)，地表沉降最大值為7.4 mm，位于兩條隧道中心線(xiàn)處。根據(jù)鐵運(yùn)[2006] 146號(hào)《鐵路線(xiàn)路維修規(guī)則》和相關(guān)設(shè)計(jì)要求，盾構(gòu)隧道下穿期間地面最大累計(jì)沉降值不超過(guò)30 mm，最大累計(jì)隆起量不超過(guò)10 mm，地表沉降在限定控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

(3)當(dāng)右線(xiàn)完全通過(guò)橋梁時(shí)，地表出現(xiàn)了較為明顯的沉降槽，地表位移變化區(qū)域?yàn)樽缶€(xiàn)、右線(xiàn)隧道上部一定范圍的整個(gè)地表區(qū)域，即一條粗帶狀區(qū)域。

3.2 橋墩及樁基變形

3.2.1 橋墩豎向位移

左線(xiàn)、右線(xiàn)盾構(gòu)施工完成后橋墩豎向位移如圖6所示。

圖6 橋墩豎向位移云圖

提取各測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖3)整個(gè)施工階段的豎向位移，并以施工階段為橫坐標(biāo)，測(cè)點(diǎn)豎向位移為縱坐標(biāo)，作出時(shí)程曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)豎向位移時(shí)程曲線(xiàn)

由圖6、圖7可知：

(1)隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，沿掘進(jìn)方向橋墩逐漸產(chǎn)生了豎向位移，且當(dāng)盾構(gòu)施工接近橋墩時(shí)，相應(yīng)承臺(tái)測(cè)點(diǎn)處沉降變化較為明顯。左線(xiàn)開(kāi)挖時(shí)，測(cè)點(diǎn)6所在的63#橋墩在縱向上距離左線(xiàn)開(kāi)挖面最近，因此最先產(chǎn)1.5 mm左右的沉降值。

(2)樁基礎(chǔ)在豎直方向上發(fā)生變形且最大位移主要出現(xiàn)在樁頂?shù)奈恢茫蠖嗑a(chǎn)生的是向下的位移，這說(shuō)明樁頂發(fā)生了沉降。右線(xiàn)隧道施工后，樁基及橋墩進(jìn)一步沉降，樁基礎(chǔ)最大豎向位移為3.78 mm，位于17#橋墩內(nèi)側(cè)。

(3)根據(jù)GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的墩臺(tái)沉降量不超過(guò)50 mm，相鄰墩臺(tái)的差異沉降不超過(guò)20 mm。結(jié)合本工程，取差異沉降值20 mm作為墩臺(tái)沉降允許位移值。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，橋墩豎向沉降在限定控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

3.2.2 橋墩水平位移

左線(xiàn)、右線(xiàn)盾構(gòu)施工完成后引起的橋墩水平(圖2中X方向，即垂直于隧道軸向)方向位移如圖8所示。

圖8 橋墩水平(垂直于隧道軸向)方向位移云圖

提取各測(cè)點(diǎn)在整個(gè)施工階段的沿X(垂直于隧道軸向)方向的水平位移，并以施工階段為橫坐標(biāo)，測(cè)點(diǎn)沿X方向的水平位移為縱坐標(biāo)，作出時(shí)程曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 測(cè)點(diǎn)X(垂直于隧道軸向)方向位移時(shí)程曲線(xiàn)

由圖8、圖9可知：

(1)隧道左線(xiàn)貫通時(shí)，橋墩最大水平位移值為3.5 mm，位于66#橋墩外側(cè)；右線(xiàn)掘進(jìn)完成，橋墩最大水平位移值為5.4 mm，位于63#橋墩外側(cè)。說(shuō)明盾構(gòu)施工擾動(dòng)土體發(fā)生位移后，橋墩下樁基礎(chǔ)周?chē)馏w對(duì)樁本身產(chǎn)生了擠壓，使樁身及橋墩開(kāi)始發(fā)生垂直于隧道軸向水平方向位移，這樣可能使樁基礎(chǔ)發(fā)生一定程度的剪切破壞。

(2)隨著盾構(gòu)的開(kāi)挖掘進(jìn)，左右側(cè)橋墩均產(chǎn)生垂直于隧道軸向水平水平位移，方向背離隧道，且近似呈對(duì)稱(chēng)分布；盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，測(cè)點(diǎn)最大水平位移為2 mm左右，分別在測(cè)點(diǎn)6(63#)和測(cè)點(diǎn)3(66#)。

(3)測(cè)點(diǎn)6(63#)由于縱向上距左線(xiàn)起始開(kāi)挖最近，因此最先產(chǎn)生水平位移，然后沿著盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向，依次是測(cè)點(diǎn)1(64#)、測(cè)點(diǎn)5(17#)等。

3.2.3 樁基水平位移

圖10 樁基水平(垂直于隧道軸向)方向位移

左線(xiàn)、右線(xiàn)盾構(gòu)施工完成后引起的樁基水平(垂直于隧道軸向)方向位移如圖10所示。

由圖10可知：

(1)左線(xiàn)隧道開(kāi)挖完成后樁基最大水平位移值為1.3 mm，位于63#橋墩內(nèi)側(cè)的樁基頂部；右線(xiàn)掘進(jìn)結(jié)束，樁基最大水平位移值為2.0 mm，位于63#橋墩內(nèi)側(cè)的樁基頂部。由此可見(jiàn)，右線(xiàn)盾構(gòu)隧道施工引起的樁基水平位移出現(xiàn)疊加現(xiàn)象。

(2)盾構(gòu)施工引起樁基的最大水平位移都出現(xiàn)隧道中線(xiàn)附近，方向背離隧道，且距離隧道越近，水平位移越大。由于隧道開(kāi)挖是卸荷過(guò)程，隧道埋深以上土體會(huì)產(chǎn)生沉降，隧道下方土體會(huì)產(chǎn)生隆起，土體豎向應(yīng)力傳遞路徑被切斷，土體中主應(yīng)力方向由豎直方向變成水平方向，對(duì)于隧道中心線(xiàn)兩側(cè)土體產(chǎn)生擠壓的作用，使樁基產(chǎn)生背離隧道方向的位移。

(3)近接樁基礎(chǔ)水平位移控制標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》樁基地面處水平位移允許值為10 mm，對(duì)于水平位移敏感的建筑物取為6 mm的規(guī)定，結(jié)合本工程特點(diǎn)，取單樁水平位移允許值為6 mm。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，橋樁基礎(chǔ)豎向沉降在限定控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

利用數(shù)值模擬，分析了盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路橋施工過(guò)程地表沉降、橋墩及樁基的豎直和水平位移的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)盾構(gòu)隧道左線(xiàn)、右線(xiàn)施工完成后，地表沉降最大值位于兩區(qū)間隧道中部。

(2)隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，沿掘進(jìn)方向橋墩及樁基逐漸產(chǎn)生豎向位移，且距離左線(xiàn)開(kāi)挖面最近處最先產(chǎn)生沉降。樁基礎(chǔ)在豎直方向上發(fā)生變形且最大位移主要出現(xiàn)在樁頂?shù)奈恢茫?右線(xiàn)開(kāi)挖后，樁基及橋墩進(jìn)一步沉降，樁基礎(chǔ)最大豎向位移為3.78mm，樁基礎(chǔ)豎向沉降在限定控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

(3)左、右線(xiàn)盾構(gòu)施工引起樁基的最大水平位移都出現(xiàn)隧道中線(xiàn)附近，方向背離隧道，且距離隧道越近，水平位移越大。右線(xiàn)掘進(jìn)結(jié)束，樁基最大水平位移值為2.0 mm，取單樁水平位移允許值為6 mm，樁基礎(chǔ)水平位移在限定控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

(4)通過(guò)本次數(shù)值分析表明，樁基和墩臺(tái)的最不利位置分別為位于63#橋墩內(nèi)側(cè)的樁基頂部、63#橋墩外側(cè)。因此盾構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)重視對(duì)掌子面土倉(cāng)壓力的控制，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，以保證施工安全。