耿大新 譚 成 王 寧

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,330013,南昌∥第一作者,教授)

近年來(lái),盾構(gòu)法以其挖掘速度快、效率高、對(duì)周?chē)h(huán)境的影響較小等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于城市地鐵工程建設(shè)中[1-3]。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程常常使周?chē)馏w位置發(fā)生改變,引起周邊既有橋梁整體結(jié)構(gòu)的不均勻沉降,進(jìn)而影響其正常使用功能和列車(chē)運(yùn)行安全。目前,對(duì)盾構(gòu)施工穿越既有橋梁引起地面位移及樁基變形的因素,以及加固措施已有大量研究[4-6]。但對(duì)盾構(gòu)施工穿越砂土地層中高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高鐵”)簡(jiǎn)支梁橋的研究仍較少。本文以南昌市軌道交通4號(hào)線(xiàn)一期工程某路段隧道工程為例,通過(guò)Midas GTS有限元軟件來(lái)模擬分析盾構(gòu)左右線(xiàn)先后下穿對(duì)既有高鐵簡(jiǎn)支梁橋墩頂變形的影響,并對(duì)相應(yīng)加固措施進(jìn)行分析,以期為類(lèi)似項(xiàng)目的處理提供參考。

1 工程概況

1.1 地鐵與橋梁的位置關(guān)系

南昌市軌道交通4號(hào)線(xiàn)一期工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“4號(hào)線(xiàn)”)東新站到新洪城大市場(chǎng)站區(qū)間隧道下穿2條平行的高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高鐵”)橋梁——滬昆(上?！ッ?高鐵贛江特大橋與昌福(南昌—福州)鐵路贛江特大橋。昌福鐵路是一條客貨聯(lián)合共線(xiàn)的高速鐵路,其設(shè)計(jì)速度為200 km/h。滬昆高鐵為客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn),其設(shè)計(jì)速度為 350 km/h。地鐵隧道與既有鐵路線(xiàn)路的夾角約為88°。4號(hào)線(xiàn)下穿2條高鐵橋梁工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“4號(hào)線(xiàn)下穿工程”)的平面圖如圖1所示。

圖1 4號(hào)線(xiàn)下穿工程的平面圖

下穿區(qū)域的鐵路橋均為跨度為32 m的簡(jiǎn)支梁橋。地鐵隧道左右線(xiàn)各穿橋梁一跨,其中隧道左線(xiàn)距滬昆高鐵橋梁墩臺(tái)下樁體最小凈距為7.46 m,隧道右線(xiàn)距昌福鐵路橋梁墩臺(tái)下樁體最小凈距為8.11 m,隧道頂部埋深約為14 m。4號(hào)線(xiàn)下穿工程的橫斷面示意如圖2所示。

a) 下穿滬昆高鐵處

1.2 工程地質(zhì)條件

下穿區(qū)域地層自上而下為素填土、粉質(zhì)黏土、中砂、粗砂、礫砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖孔中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。填土層與礫砂層為主要含水層,地面以下30 m之下區(qū)域以中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主。盾構(gòu)隧道主要貫通于礫砂層之間。圍巖地層、橋梁樁基、橋梁墩臺(tái)、管片和注漿結(jié)構(gòu)等材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

2 模型的建立與簡(jiǎn)化

2.1 三維模型建立

使用MIDAS GTS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)盾構(gòu)隧道、滬昆高鐵贛江特大橋和昌福鐵路贛江特大橋的空間位置關(guān)系,建立4號(hào)線(xiàn)下穿工程的三維分析模型,如圖3所示。隧道結(jié)構(gòu)模型尺寸為:橫向(x向)取200 m,豎向(z向)取60 m(約為盾構(gòu)洞徑的5倍),縱向(y向)取100 m。

圖3 4號(hào)線(xiàn)下穿工程的三維計(jì)算模型

該三維計(jì)算模型基于摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則對(duì)地層進(jìn)行模擬。其中:土體、高鐵橋梁墩臺(tái)用實(shí)體單元模擬;橋樁采用梁?jiǎn)卧M;管片、盾殼及注漿等定義為彈性材料,采用板單元模擬。

2.2 模型簡(jiǎn)化

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的影響因素眾多,難以進(jìn)行細(xì)致全面的模擬仿真分析,故需對(duì)施工過(guò)程中荷載作簡(jiǎn)化處理。在模擬盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),作如下處理:為貼近實(shí)際施工情況,需對(duì)挖掘部分的土體進(jìn)行鈍化,以保證土體的穩(wěn)定性;在盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)時(shí),管片會(huì)受到千斤頂?shù)耐屏?參考盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析[7]及本工程的特點(diǎn),在三維計(jì)算模型中將該推力簡(jiǎn)化為作用在管片橫斷面上、大小為4 500 kN/m2的均布荷載;由刀盤(pán)對(duì)開(kāi)挖掌子面施加200 kN/m2的荷載模擬掘進(jìn)力;在施工過(guò)程中,受管片和盾殼周?chē)馏w及水的作用,管片及盾殼表面會(huì)受到一定的壓力,故模擬計(jì)算時(shí)將這些壓力分別簡(jiǎn)化為作用在管片及盾殼表面、大小分別為1 000 kN/m2和50 kN/m2的法向均布荷載。此外,將墩臺(tái)與主梁的接觸節(jié)點(diǎn)設(shè)置為彈性連接。

3 墩臺(tái)中心點(diǎn)變形分析

3.1 施工步及測(cè)點(diǎn)布置

在隧道開(kāi)挖過(guò)程中選取12個(gè)典型施工步,并在盾構(gòu)開(kāi)挖完成典型施工步時(shí)提取相應(yīng)的墩臺(tái)變形數(shù)據(jù)。4號(hào)線(xiàn)下穿工程的施工步設(shè)置及說(shuō)明見(jiàn)表2。

表2 4號(hào)線(xiàn)下穿工程的施工步設(shè)置及說(shuō)明

對(duì)于雙線(xiàn)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工引起高鐵橋梁墩臺(tái)中心點(diǎn)位移變化情況,從滬昆高鐵贛江特大橋與昌福鐵路贛江特大橋各取5個(gè)墩臺(tái)(1#—10#),以墩臺(tái)中心點(diǎn)為對(duì)象進(jìn)行分析。4號(hào)線(xiàn)下穿工程的墩臺(tái)中心點(diǎn)俯視圖如圖4所示。

圖4 4號(hào)線(xiàn)下穿工程的墩臺(tái)中心點(diǎn)俯視圖

3.2 墩臺(tái)中心點(diǎn)變形分析

3.2.1 沉降

模擬計(jì)算可得,4號(hào)線(xiàn)下穿工程的墩臺(tái)中心點(diǎn)沉降變化如圖5所示。

a) 1#—5#墩臺(tái)中心點(diǎn)

由圖5可以觀察既有橋梁墩臺(tái)的沉降變化特點(diǎn)。在盾構(gòu)左線(xiàn)掘進(jìn)期間(施工步1—施工步6):盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)造成的地層損失和既有線(xiàn)的列車(chē)荷載共同作用使得墩臺(tái)整體均發(fā)生沉降,且沉降值隨著施工的進(jìn)行不斷增加,最大沉降約為3 mm,發(fā)生在施工步3時(shí)的滬昆高鐵2#墩臺(tái)中心點(diǎn)處;隨著盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)至左線(xiàn)貫通(施工步6),受后期管片安裝和注漿影響,沉降量整體有所減小。

右線(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)期間(施工步7—施工步12):右線(xiàn)掘進(jìn)初階段整體沉降值有所減小,可能與盾構(gòu)右線(xiàn)掘進(jìn)壓力有關(guān);隨著右線(xiàn)盾構(gòu)的掘進(jìn),沉降值繼續(xù)增大,沉降最大值約為3.4 mm,發(fā)生在(施工步8)滬昆高鐵8#墩臺(tái)中心點(diǎn);后期隨著右線(xiàn)管片安裝和注漿,豎向沉降整體呈減小趨勢(shì)。

3.2.2 縱向位移

4號(hào)線(xiàn)下穿工程的墩臺(tái)中心點(diǎn)縱向位移變化如圖6所示。在盾構(gòu)左線(xiàn)掘進(jìn)期間(施工步1—施工步6)中,在盾構(gòu)剛掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)的掘進(jìn)力和列車(chē)荷載的共同作用下,既有橋梁墩臺(tái)的縱向位移變化趨勢(shì)與沉降變化趨勢(shì)類(lèi)似:最大縱向位移值約為2.5 mm,發(fā)生在施工步5時(shí)昌福鐵路2#墩臺(tái)中心點(diǎn);盾構(gòu)左線(xiàn)完全貫通后,受注漿和管片影響,既有高鐵橋梁的墩臺(tái)縱向位移整體略有減小。

a) 1#—5#墩臺(tái)中心點(diǎn)

右線(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)期間(施工步7—施工步12):各墩臺(tái)中心點(diǎn)縱向位移繼續(xù)增大;當(dāng)右線(xiàn)貫通(施工步12)時(shí),靠近盾構(gòu)右線(xiàn)掘進(jìn)側(cè)的墩臺(tái)中心點(diǎn)產(chǎn)生最大的縱向變形,變形量為2.9 mm;在右線(xiàn)掘進(jìn)后期(施工步10—施工步12),既有橋梁的墩臺(tái)縱向位移整體有所減小。

3.2.3 橫向位移

4號(hào)線(xiàn)下穿工程的墩臺(tái)橫向位移如圖7所示。在盾構(gòu)掘進(jìn)整個(gè)階段(施工步1—施工步12),盾構(gòu)掘進(jìn)施工與既有高鐵或鐵路的列車(chē)運(yùn)行對(duì)墩臺(tái)中心點(diǎn)的橫向位移變化影響較小。橫向位移變化主要發(fā)生在盾構(gòu)初始掘進(jìn)階段:最大橫向變形值為1.9 mm左右,出現(xiàn)在左線(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)承臺(tái)(施工步3)時(shí)的滬昆高鐵3#墩臺(tái)中心點(diǎn)。此外,隨著注漿和管片安裝,橫向位移也呈減小趨勢(shì)。

a) 1#—5#墩臺(tái)中心點(diǎn)

3.2.4 墩臺(tái)整體變形特征

綜上所述,盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)高鐵橋墩頂部沉降影響最大,對(duì)橫向變形影響最小。此外,隨著盾構(gòu)管片安裝及注漿的施工,盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有高鐵橋梁墩頂變形影響的逐漸減小。

4 加固方案

根據(jù)區(qū)間隧道與高鐵橋梁的相互關(guān)系、側(cè)穿處的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等情況,提出隔離樁+注漿加固的保護(hù)方案:在原有的地層注漿措施基礎(chǔ)上,沿隧道穿越墩臺(tái)以外方向,在不小于9 m距離范圍內(nèi)設(shè)置隔離樁;隔離樁為φ800 mm@1 000 mm布置,樁頂選用混凝土冠梁連接,隔離樁樁尖位于隧道底板以下3 m,與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)邊線(xiàn)凈距為1 m。根據(jù)隔離樁+注漿加固保護(hù)方案建立加固后盾構(gòu)隧道模型如圖8所示。

a) 整體模型

為探究隔離樁+注漿保護(hù)方案的可行性,對(duì)盾構(gòu)左右線(xiàn)分別通過(guò)橋樁時(shí),滬昆高鐵墩臺(tái)中心點(diǎn)(1#—5#墩臺(tái))和昌福鐵路墩臺(tái)中心點(diǎn)(6#—10#墩臺(tái))變形情況,按是否加固進(jìn)行模擬分析,結(jié)果如圖9所示。

a) 墩臺(tái)中心點(diǎn)沉降(左線(xiàn)盾構(gòu)通過(guò))

從圖9中可知,在未采取隔離樁+注漿加固方案的工況,橋梁墩臺(tái)頂中心點(diǎn)(1#—10#墩臺(tái))最大沉降約為3.40 mm,最大縱向位移為2.90 mm,最大橫向位移為2.10 mm,最大沉降差為0.60 mm。此時(shí),最大墩頂變形不能滿(mǎn)足高鐵橋梁墩頂沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)(3.00 mm)要求,且變形裕量較小。

采取了隔離樁+注漿加固方案后,在此工況中,墩臺(tái)頂部中心點(diǎn)(1#—10#墩臺(tái))的最大沉降約為1.54 mm,最大沉降差為0.34 mm,最大橫向位移為0.61 mm,最大縱向位移為1.41 mm。此時(shí),最大墩頂沉降能滿(mǎn)足高鐵橋梁墩頂沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)(3.00 mm)要求,且留有一定的變形裕量,較安全。

5 結(jié)論

本文針對(duì)盾構(gòu)先后下穿既有高速鐵路橋梁施工,采用Midas GTS軟件對(duì)橋梁墩臺(tái)中心點(diǎn)的豎向、縱向和橫向變形規(guī)律以及注漿加隔離樁加固前后兩種工況下的變形進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析,得到主要結(jié)論如下:

1) 盾構(gòu)先后掘進(jìn)對(duì)橋墩頂部沉降影響最大,最大沉降約為3.00 mm,對(duì)墩頂橫向變形影響最小,最大橫向位移約為1.00 mm;隨著盾構(gòu)后期管片安裝及注漿的實(shí)施,盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)墩頂變形的影響逐漸減小。

2) 雙線(xiàn)先后施工時(shí),后施工盾構(gòu)隧道對(duì)先施工隧道引起的沉降有一定的補(bǔ)償作用,墩臺(tái)的變形會(huì)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

3) 采取隔離樁加地層注漿后,橋梁墩臺(tái)中心點(diǎn)產(chǎn)生的最大沉降約為1.54 mm,其最大墩頂沉降能滿(mǎn)足高鐵橋梁墩頂沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)(3.00 mm)要求,且留有一定的變形裕量,較安全。因此采取隔離樁+注漿加固措施效果良好。

4) 高鐵橋梁一般設(shè)計(jì)要求高、速度快,對(duì)變形控制要求嚴(yán)格,盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況對(duì)隧道進(jìn)行洞內(nèi)的相應(yīng)處理,確保鐵路正常運(yùn)營(yíng)的要求。