王開運, 閆 旭, 張一卓

(天津市政工程設(shè)計研究總院有限公司, 天津 300392)

0 引 言

隨著城市建設(shè)的不斷加快,地下工程下穿既有構(gòu)筑物和建筑物的工程日益增多,而盾構(gòu)法施工的隧道穿越既有橋梁則成為其中最為典型的工程。國內(nèi)外大量施工經(jīng)驗表明[1-4],盾構(gòu)施工或多或少都會擾動地層,引起地層移動而導(dǎo)致不同程度的地面沉降和周邊橋梁結(jié)構(gòu)的變形。地面沉降的原因是盾構(gòu)掘進所引起的地層損失和隧道周圍土體受到擾動或剪切破壞的再固結(jié)。盾構(gòu)施工引起周邊橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的原因是施工過程中地層變形使橋梁結(jié)構(gòu)的外力條件和支承條件發(fā)生了變化,而橋梁結(jié)構(gòu)外力條件和支承條件的變化將會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉降、斷面變形和傾斜等不利的影響。

相關(guān)學(xué)者對盾構(gòu)隧道穿越既有橋梁結(jié)構(gòu)進行了眾多研究,也給出了很多施工措施和結(jié)論[5-11]。然而,由于工程地質(zhì)情況復(fù)雜,各種穿越方式以及與結(jié)構(gòu)之間的距離又不盡相同,鑒于此,以某新建鐵路下穿高速互通式立交工程為依托,利用MIDAS/GTS NX建立三維有限元模型,分析隧道施工對既有結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,對施工過程中易發(fā)生的安全風(fēng)險進行辨識,給出了相關(guān)措施建議,以期對類似工程的建設(shè)提供一定參考。

1 工程概況

某新建鐵路線路長度為97.634 km,其中隧道長度11.92 km,采用明挖法、盾構(gòu)法施工,列車的設(shè)計行車速度為200 km/h。隧道于K173+070～K173+780段下穿某高速互通式立交E匝道、通道橋和高速路基邊坡,下穿范圍段采用直徑13.8 m的泥水加壓平衡盾構(gòu)機單向掘進施工,盾構(gòu)管片內(nèi)徑12.2 m,外徑13.3 m。

E匝道橋梁斷面的寬10 m,E0#～E3#墩為3×30+23 m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁;E0#橋臺采用2排2列直徑1.2 m鉆孔的灌注樁,樁長38 m;E0’#和E1#墩采用1排2列直徑1.5 m鉆孔灌注樁,樁長50 m。通道橋中心線與高速交角成8.359°,橋梁跨徑1×8 m,上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆矩形板梁,橋臺為薄壁橋臺,基礎(chǔ)采用直徑1.0 m的鉆孔灌注樁,樁長30 m。高速主線路基標(biāo)準(zhǔn)斷面寬53 m,其邊坡為加寬拼接形成,加寬段特殊路基通過PTC管樁進行處理,如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道斷面

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)頂部高于E匝道E0#橋臺樁底高程約1.1 m,隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)距E0#橋臺樁基水平凈距約3 m,同時此處隧道結(jié)構(gòu)頂部距離高速公路邊坡PTC樁底約為14 m;此外,盾構(gòu)隧道下穿通道橋處結(jié)構(gòu)頂距離樁底約為5.3 m,其相對位置關(guān)系,如圖2和3所示。

圖2 隧道與互通立交平面位置關(guān)系

圖3 隧道與E匝道及高速路基邊坡位置關(guān)系

盾構(gòu)隧道依次下穿E匝道、高速路邊坡及通道橋,方案初步擬定采取以洞內(nèi)措施為主,輔以實時在線監(jiān)測措施確保安全。洞內(nèi)措施分為工藝措施和工程措施。工藝措施為控制盾構(gòu)推進參數(shù)、控制盾構(gòu)姿態(tài)、控制盾構(gòu)推進時地層損失率在0.5%以內(nèi),工程措施為管片背后注漿(同步注漿、二次注漿、二次深孔加強注漿、跟蹤補償注漿)。

管片背后二次深孔加強注漿是在管片上預(yù)留的注漿孔內(nèi)向地層中打孔,并插入注漿管進行注漿,補償?shù)貙訐p失,減少橋樁的變形,注漿深度約3.0 m,管片預(yù)留25個注漿孔進行深孔注漿加固。此外,盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿E匝道橋樁時,設(shè)置單排鉆孔樁進行隔離保護,鉆孔樁直徑0.8 m,間距1.2 m,樁長至盾構(gòu)隧道底以下2 m,隔離樁與橋梁樁基最小樁中距2.5 m。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算參數(shù)的確定

土體相關(guān)參數(shù)來自工程地質(zhì)勘察報告和工程經(jīng)驗取值。本模型計算區(qū)域土體是由黏土、淤泥質(zhì)黏土、粉砂、粉土、砂土和粉質(zhì)黏土構(gòu)成,為簡化計算,將物理力學(xué)指標(biāo)接近的土層進行合并,選取土層物理力學(xué)指標(biāo)及相關(guān)計算參數(shù),見表1。

表1 計算參數(shù)

2.2 模型的建立

建立地層土體、E匝道橋梁基礎(chǔ)、高速道路邊坡PTC樁、通道橋基礎(chǔ),以及盾構(gòu)隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)等整體三維有限元模型。模型中計算荷載包括結(jié)構(gòu)及土體的自重荷載,橋梁上部結(jié)構(gòu)和行車荷載通過在承臺頂面施加面壓力實現(xiàn)。土體模型的頂面為自由邊界,底面為豎向約束,四周為法向約束。

由于三維模型單元數(shù)眾多,計算量大以及其收斂性可能帶來的困難,考慮邊界效應(yīng)影響,計算模型的幾何尺寸為160 m×160 m×90 m,沿盾構(gòu)方向,盾構(gòu)每環(huán)推進2 m,共80環(huán)。模型共劃分單元114 779個,節(jié)點87 232個。計算整體模型及各結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系,見圖4和5。

圖4 有限元模型

圖5 E匝道橋梁、通道橋和隧道相對位置關(guān)系

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 E匝道橋梁

3.1.1 施工隔離樁和樁頂冠梁

在施工隔離樁和樁頂冠梁后仿真結(jié)果如圖6所示。E匝道橋梁承臺的最大沉降值發(fā)生在E0#橋臺靠近隔離樁處,沉降值為-1.11 mm;橋梁承臺最大水平位移值發(fā)生在E0#橋臺處,位移值為0.16 mm。在整體位移趨勢方面,從圖6可以看出,E0′#墩和E1#墩位移趨勢不明顯,E0#橋臺有整體下沉趨勢,但數(shù)值都較小。

圖6 施工隔離樁和樁頂冠梁后E匝道基礎(chǔ)計算結(jié)果

3.1.2 隧道貫通

在隧道貫通后仿真結(jié)果如圖7所示。E匝道橋梁承臺累計最大沉降值發(fā)生在E0#橋臺靠近隧道側(cè)處,沉降值為9.26 mm;橋梁承臺累計最大水平位移值發(fā)生在E01#墩位處,位移值為3.53 mm,偏向隧道側(cè)。在整體位移趨勢方面,從圖7可以看出,各個墩位樁底有向隧道外側(cè)位移的趨勢,樁頂及承臺有向隧道側(cè)位移趨勢,其中,E0#橋臺位移趨勢最為明顯,向遠離隧道側(cè)逐漸減小。

圖7 隧道貫通后E匝道基礎(chǔ)計算結(jié)果

3.2 通道橋

3.2.1 施工隔離樁和樁頂冠梁

在施工隔離樁和樁頂冠梁后仿真結(jié)果如圖8所示。通道橋最大沉降值發(fā)生在距離隔離樁最近的承臺處,沉降值為0.2 mm;最大水平位移發(fā)生在距離隔離樁最近的薄壁橋臺頂處,位移值為0.15 mm。在整體位移趨勢方面,從圖8可以看出,施工隔離樁和樁頂冠梁對通道橋整體影響較小。

圖8 施工隔離樁和樁頂冠梁后通道橋基礎(chǔ)計算結(jié)果

3.2.2 隧道貫通

在隧道貫通后仿真結(jié)果如圖9所示。通道橋最大沉降值發(fā)生在隧道正上方結(jié)構(gòu)處,沉降值為21.5 mm,最大水平位移值為5.9 mm。在整體位移趨勢方面,從圖9可以看出,橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)呈整體下沉趨勢,隧道正上方的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形趨勢最為明顯,向遠離隧道側(cè)逐漸趨于平緩。以上結(jié)果顯示,樁基沉降值過大,進而會使橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲效應(yīng),影響橋梁的使用安全性。若按照該方案設(shè)計施工,在施工前應(yīng)設(shè)置主動臨時支撐確保施工期間橋梁梁體和支座不產(chǎn)生較大不均勻沉降;應(yīng)加強橋梁上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的監(jiān)測,而且需對專項監(jiān)測、預(yù)警體系和應(yīng)急預(yù)案等內(nèi)容提出明確要求,以便根據(jù)監(jiān)測結(jié)果隨時調(diào)整相關(guān)措施,保證結(jié)構(gòu)的安全。

圖9 隧道貫通后通道橋計算結(jié)果

3.3 高速路基

3.3.1 施工隔離樁和樁頂冠梁

在施工隔離樁和樁頂冠梁后仿真結(jié)果如圖10所示。高速路基最大沉降值和最大水平位移值發(fā)生在距隔離樁最近的邊坡處,沉降值為0.96 mm,水平位移值為0.27 mm。在施工隔離樁和樁頂冠梁后的整體位移趨勢方面,離隔離樁較近處路基位移較明顯,隨著遠離隔離樁逐漸減小,但整體位移數(shù)值較小。

圖10 施工隔離樁和樁頂冠梁后路基計算結(jié)果

3.3.2 隧道貫通

在隧道貫通后仿真結(jié)果如圖11所示。高速路基累積最大沉降值發(fā)生在隧道正上方邊坡坡腳處,最大值為-23.4 mm;而路基累積最大水平位移值發(fā)生在路基中心處,水平位移值為6.7 mm。在隧道貫通后的整體位移趨勢方面,從圖11可以看出,路基呈整體下沉趨勢,隧道正上方路基變形趨勢最為明顯,向遠離隧道側(cè)逐漸減小。針對此處路基邊坡沉降問題,在后期也應(yīng)做好相應(yīng)處治措施,防止路基失穩(wěn)破壞。

圖11 隧道貫通后路基計算結(jié)果

綜上分析,隧道的開挖將導(dǎo)致土體應(yīng)力釋放,靠近隧道一側(cè)樁周土體產(chǎn)生較大位移,由于橋梁樁基剛度較大,因此,可能會導(dǎo)致土體與樁基脫離,樁側(cè)土壓力也隨之減小;而樁基另一側(cè)土體受到隧道開挖的影響較小,所以產(chǎn)生的位移也相對較小,樁側(cè)土壓力變化不大,樁基兩側(cè)土壓力不平衡則會導(dǎo)致樁體產(chǎn)生彎曲或者位移。在開挖時,隧道正上方會產(chǎn)生沉降,隧道左右會產(chǎn)生擴張變形,橋樁底高程與隧道中心高程相當(dāng)時,樁底會受到左右擴張形成的土體擠壓應(yīng)力,進一步導(dǎo)致樁基向遠離隧道方向移動,而樁頂由于隧道頂部下沉的原因會產(chǎn)生向隧道方向移動的趨勢。同時水位降低會導(dǎo)致超孔隙水壓力消散,土體固結(jié),引起樁側(cè)摩阻力的下降,如果盾構(gòu)距橋樁過近,甚至出現(xiàn)負摩阻力,影響基樁的豎向承載力,引起橋墩不均勻沉降或傾斜。

4 風(fēng)險分析

根據(jù)計算結(jié)果,各施工步驟均會對橋梁結(jié)構(gòu)和路基造成一定的影響。在整平場地、施工隔離樁和樁頂冠梁過程中,隔離樁成孔過程本身會造成土體擾動,影響橋樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮,施工過程中還可能出現(xiàn)塌孔、縮孔、連續(xù)鉆孔施工等現(xiàn)象。此外,開挖機械設(shè)備有可能撞擊橋梁結(jié)構(gòu)。針對以上風(fēng)險,可以采取增設(shè)護筒、優(yōu)化支護樁施工順序以減小安全風(fēng)險,并且在施工組織設(shè)計中采取嚴格的操作守則以及施工規(guī)程避免設(shè)備撞擊橋梁結(jié)構(gòu)。

在隧道掘進計算過程中,注漿體采用實體單元模擬,通過修改注漿位置土層物理力學(xué)參數(shù)實現(xiàn),但未考慮其凝固過程。由于盾構(gòu)掘進超挖過程使襯砌管片外圍形成的建筑空隙會引起地層損失,進而導(dǎo)致地層、既有路基和橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移,應(yīng)設(shè)置主動臨時支撐確保施工期間橋梁梁體和支座不產(chǎn)生較大不均勻沉降。此外,應(yīng)針對橋梁結(jié)構(gòu)的專項監(jiān)測、預(yù)警體系和應(yīng)急預(yù)案等內(nèi)容提出明確要求,并提出相應(yīng)的保護措施或搶修措施,便于在發(fā)生問題時各相關(guān)單位及人員能夠及時有效地進行處理,以防出現(xiàn)運營事故。

5 結(jié) 論

(1)施工隔離樁和樁頂冠梁對E匝道、通道橋和高速路基的影響較小,其中,E匝沉降值為-1.11 mm,通道橋沉降值為-0.2 mm,高速路基的沉降值為-0.96 mm,整體位移趨勢不明顯。

(2)隧道貫通后,E匝道橋梁樁底有向隧道外側(cè)位移的趨勢,樁頂及承臺有向隧道側(cè)位移趨勢;通道橋基礎(chǔ)和高速路基呈整體下沉趨勢,隧道正上方的基礎(chǔ)和路基變形趨勢最為明顯,其中,隧道正上方橋梁基礎(chǔ)沉降值為-21.5 mm,高速路基沉降最大值為-23.4 mm,遠離隧道則趨于平緩。

(3)通過增設(shè)護筒、優(yōu)化支護樁施工順序以消除整平場地、施工隔離樁和樁頂冠梁過程中引起的安全風(fēng)險。設(shè)置主動臨時支撐確保施工期間橋梁梁體和支座不產(chǎn)生較大不均勻沉降,并針對橋梁結(jié)構(gòu)的專項監(jiān)測、預(yù)警體系和應(yīng)急預(yù)案等內(nèi)容提出明確要求以及相應(yīng)的保護措施或搶修措施。