楊小兵

蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司

1 引言

盾構(gòu)穿越橋梁樁基時(shí)，不可避免地會(huì)擾動(dòng)周?chē)馏w[1]。地層應(yīng)力及變形傳遞到既有樁基，引起樁基承載力的損失，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降，影響既有橋梁的安全使用，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。同時(shí)，上部橋梁結(jié)構(gòu)自重和荷載，會(huì)加大樁基的變位，并影響著樁身的變位模式及內(nèi)力變化規(guī)律。隧道開(kāi)挖引起洞周收斂，造成土體水平位移，使得樁基表現(xiàn)為偏向隧道的傾斜或彎曲，影響樁身截面強(qiáng)度。

2 工程概況

解放門(mén)立交橋?yàn)殡p層立交橋，跨越雷壇河斷層。橋上部結(jié)構(gòu)為20m跨的箱型連續(xù)梁，基礎(chǔ)為雙樁承臺(tái)，樁徑1.5m。雷壇河斷層北起雷壇河黃河入河口，向南經(jīng)解放門(mén)、伏龍坪，過(guò)八里窯北后開(kāi)始順雷壇河發(fā)育，構(gòu)成蘭州七里河凹陷盆地的東邊界。根據(jù)資料顯示，該斷裂為早中更新世活動(dòng)。雖然其構(gòu)造活動(dòng)不會(huì)對(duì)地鐵工程造成直接的斷錯(cuò)，不需要進(jìn)行抗斷設(shè)防，但根據(jù)鉆孔揭示，下部淡土黃色略具膠結(jié)的沙礫石層，巖芯較疏松，均已破碎。

蘭州地鐵1號(hào)線文～西盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿該立交橋，隧道與橋樁最近距離僅為0.583m，多處凈距小于1d（d為樁基直徑）。平面關(guān)系如圖1所示。區(qū)間采用內(nèi)徑5.5m，外徑6.2m管片，管片環(huán)寬1.2m。該掘進(jìn)斷面地層跨越卵石、泥巖、砂巖三種地層，卵石最大粒徑30cm，抗壓強(qiáng)度≥100MPa；砂巖抗壓強(qiáng)度2MPa左右，遇水或擾動(dòng)極易軟化呈散沙狀。地質(zhì)條件的多樣性，周邊環(huán)境的復(fù)雜性，均給盾構(gòu)掘進(jìn)、周邊建筑物保護(hù)、監(jiān)控量測(cè)等帶來(lái)了很大的難度。

圖1 盾構(gòu)隧洞與解放門(mén)立交橋平面關(guān)系圖

3 盾構(gòu)側(cè)穿立交橋風(fēng)險(xiǎn)分析

盾構(gòu)側(cè)穿樁基將引起的樁基周?chē)馏w位移和附加應(yīng)力會(huì)引起樁基變形和內(nèi)力變化，樁基周?chē)馏w的沉降對(duì)樁基產(chǎn)生拖曳作用引起樁基沉降，降低其承載力[2]。為保證施工期間既有建筑物的安全，根據(jù)城市橋梁重要性等級(jí)、城市橋梁控制指標(biāo)參考數(shù)值以及各地經(jīng)驗(yàn)，綜合確定有以下幾個(gè)因素。

（1）橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生的最大沉降量不超過(guò)15mm。

（2）縱向相鄰橋梁墩臺(tái)間差異沉降控制值為2mm，橫向相鄰橋梁墩臺(tái)間差異沉降控制值為3mm，承臺(tái)水平位移控制值為3mm。

4 計(jì)算分析

利用Midas GTS對(duì)立交橋建立模型進(jìn)行計(jì)算。地層模型尺寸取120m×120m×40m。橋梁參數(shù)取自設(shè)計(jì)圖，盾構(gòu)穿過(guò)地層為非線性材料，其變形隨荷載的大小而變化，且與加載路徑有關(guān)，應(yīng)力-應(yīng)變呈明顯的非線性關(guān)系，采用鄧肯E-B模型，橋梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用彈性模型，建立實(shí)體單元模型進(jìn)行控制網(wǎng)格劃分。

分別選取立交橋整體、直行橋以及左轉(zhuǎn)橋進(jìn)行計(jì)算提取，得出了立交橋整體與個(gè)體結(jié)構(gòu)的沉降值和應(yīng)力值，對(duì)數(shù)值大小及變化規(guī)律進(jìn)行分析研究，并判斷盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)立交橋結(jié)構(gòu)安全性的影響程度[3-4]。

4.1 位移分析

結(jié)合圖2、圖3，結(jié)果分析如下。

圖2 直行橋整體DZ方向沉降圖

圖3 左轉(zhuǎn)橋整體DZ方向沉降圖

（1）南北向直行橋結(jié)構(gòu)沉降量約為-1.44mm～-2.34mm，相鄰支座最大沉降差為0.37mm，最大沉降量并不在隧道拱頂位置，而出現(xiàn)在左右線隧道影響疊加區(qū)中間位置，呈中間大兩端小現(xiàn)象。

（2）西南向右轉(zhuǎn)橋結(jié)構(gòu)沉降量約為-0.52mm～-2.80mm，沉降值自西向南依次增大到右線隧道拱頂位置開(kāi)始減小，且受左線隧道的影響，西邊沉降量大于南邊沉降量，相比之下，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)順向橋比垂直橫跨橋整體位移影響略大。

（3）通過(guò)對(duì)計(jì)算值和實(shí)際施工監(jiān)測(cè)值對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)值整體比計(jì)算值偏小，但兩者的變化規(guī)律基本吻合，并符合沉降變化基本規(guī)律，從而驗(yàn)證了計(jì)算值的準(zhǔn)確性。

4.2 應(yīng)力分析

結(jié)合圖4、圖5，結(jié)果分析如下。

圖4 直行橋整體SXX方向應(yīng)力圖

圖5 左轉(zhuǎn)橋整體SXX方向應(yīng)力圖

（1）南北向直行橋沿橋梁橫截面方向支座處應(yīng)力大小約-0.2Pa～+0.66MPa，緊鄰隧道處2、5號(hào)墩支座下沉導(dǎo)致出現(xiàn)了正值，其余均為負(fù)值，跨中處應(yīng)力大小約為1.42Pa～2.80MPa，呈中間大兩端小現(xiàn)象，與沉降規(guī)律完全相符。相比之下，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)南北向直行橋結(jié)構(gòu)橫截面方向影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸線方向。

（2）西南向左轉(zhuǎn)橋沿橋梁橫截面方向支座處應(yīng)力大小約-0.03Pa～-1.63MPa，跨中處應(yīng)力大小約為-0.15Pa～-1.14MPa；沿橋梁軸線方向支座處應(yīng)力大小約-0.03Pa～-3.39MPa，跨中處應(yīng)力大小約為-0.58Pa～-2.59MPa。

（3）整體應(yīng)力大于直行橋應(yīng)力，由于左線隧道相對(duì)位置較遠(yuǎn)，支座處未出現(xiàn)正值，隧道穿過(guò)局部位置影響小于直行橋，與沉降規(guī)律相吻合，符合應(yīng)力變化基本規(guī)律。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)盾構(gòu)隧道在破碎泥巖地層條件下，近距離側(cè)穿立交橋樁基的施工引起的沉降變形進(jìn)行了深入探討，分析了盾構(gòu)施工過(guò)程中樁基承載力、橋樁結(jié)構(gòu)沉降、結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化情況，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比分析，研究表明：

（1）在樁基作用下，立交橋整體位移小于地層位移，僅僅考慮地層整體沉降量對(duì)立交橋采取加固措施偏于安全，不經(jīng)濟(jì)。

（2）由于立交橋應(yīng)力變化規(guī)律與沉降變化規(guī)律完全相吻合，可見(jiàn)應(yīng)力是由沉降所致，加固可從基礎(chǔ)著手，可不考慮上部結(jié)構(gòu)位移或受力情況。

（3）盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)順向橋整體影響較大，只存在整體沉降的可能，不存在上部結(jié)構(gòu)受力破壞，而對(duì)垂直橫跨橋局部相鄰支座處影響較大，整體影響小，局部沉降很有可能引起上部結(jié)構(gòu)支座處應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致破壞。

（4）無(wú)論從沉降還是應(yīng)力分析，上部結(jié)構(gòu)自身的位移應(yīng)力值都比較小且變化不大，而地層的沉降量比較大，因此，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)立交橋上部整體結(jié)構(gòu)影響較小，主要影響在地基基礎(chǔ)方面。建議加固從基礎(chǔ)尺寸方面控制沉降，可不考慮上部結(jié)構(gòu)自身的位移或受力情況。