朱永澤

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院，上海 200000）

修建城市地下管廊會穿過越城市橋梁和房屋等基礎(chǔ)設(shè)施，因此對現(xiàn)有建筑的安全有一定影響，很多學(xué)者做了研究[1-6]。該文根據(jù)某城市電力管廊下穿高架橋的情況，對高架橋的安全性影響進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果提出合理的施工監(jiān)控建議，明確關(guān)鍵監(jiān)測指標(biāo)，為相似工程提供參考。

1 工程概況

擬建場地原地貌從南東至北西為低丘臺地—低丘前緣—沖積平原區(qū)，經(jīng)市政建設(shè)推方和填方，電力隧道沿線地面均已完成人工填土。根據(jù)鉆探揭露，隧道地層由第四系土層、白堊系、侏羅系、石炭系碎屑巖、碳酸鹽巖、燕山早期花崗巖及元古代云群變質(zhì)巖基巖構(gòu)成。該電力綜合管廊采用盾構(gòu)形式，內(nèi)徑d=2.9m，外徑D=3.5m，該設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)圓形斷面設(shè)計，盾構(gòu)整體從橋梁結(jié)構(gòu)下部穿越，平面投影施工范圍在橋梁2#橋墩和3#橋墩間，盾構(gòu)與橋墩樁基底豎向距離約12m，與橋墩樁基礎(chǔ)水平距離約3m，盾構(gòu)主要穿越全風(fēng)化砂礫巖。

2 計算模型

根據(jù)項目地層和周邊建筑物的分布情況，結(jié)合內(nèi)環(huán)高架結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，用MIDAS建立三維數(shù)值計算模型，如圖1所示。橋梁結(jié)構(gòu)的橋墩和承臺采用實體單元模擬，樁基礎(chǔ)采用樁單元模擬，周圍土層采用實體單元模擬，整體模型約束四周水平位移，模型底部采用固定約束。首先，分析項目場地初始應(yīng)力場，其次，確定盾構(gòu)施工前高架結(jié)構(gòu)的初始受力狀態(tài)，為研究盾構(gòu)施工對高架結(jié)構(gòu)的受力和變形影響奠定基礎(chǔ)，最后，分析盾構(gòu)施工引起的橋梁變形。具體工況見表1。

圖1 計算模型

表1 盾構(gòu)三維動態(tài)施工模擬的主要流程

由于盾構(gòu)施工會導(dǎo)致橋墩發(fā)生豎向和側(cè)向變形，容易使高架結(jié)構(gòu)受力和變形狀態(tài)發(fā)生改變，高架結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻變形，可能影響高架結(jié)構(gòu)的正常使用。因此，進(jìn)行以下工作：1）在盾構(gòu)施工前，確定場地初始地應(yīng)力場和內(nèi)環(huán)高架結(jié)構(gòu)初始受力狀態(tài)，對盾構(gòu)施工進(jìn)行三維動態(tài)施工過程模擬，計算盾構(gòu)施工對鄰近樁基的影響。2）分析盾構(gòu)施工對高架結(jié)構(gòu)的變形影響過程，確定盾構(gòu)施工過程對高架結(jié)構(gòu)的最大變形增量，分析施工過程對內(nèi)環(huán)高架結(jié)構(gòu)變形的不利影響，并評估高架結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

巖土材料使用Drucker-prager屈服準(zhǔn)則，可模擬盾構(gòu)施工過程中土體應(yīng)力及變形，收斂性較好。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

電纜盾構(gòu)隧道施工引起鄰近高架結(jié)構(gòu)的水平位移、豎向位移變形結(jié)果如圖2所示。臨近盾構(gòu)施工的2#橋墩和3#橋墩變形較大，橋墩與承臺及樁基礎(chǔ)變形呈整體性，距離較遠(yuǎn)的1#橋墩和4#橋墩變形相對較小，盾構(gòu)施工的平面影響范圍有限。

圖2 盾構(gòu)施工后橋梁下部結(jié)構(gòu)的位移云圖（單位：mm）

根據(jù)圖2可以看出電纜盾構(gòu)施工引發(fā)兩側(cè)高架2號橋墩結(jié)構(gòu)的最大水平位移為6.43mm，3號橋墩結(jié)構(gòu)的最大水平位移為4.77mm，最大豎向位移發(fā)生在2號橋墩為13.83mm。下穿施工對橋梁結(jié)構(gòu)影響較小，滿足安全性要求。

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果得到施工過程中橋墩結(jié)構(gòu)位移，最大水平位移為6.43mm，最大豎向位移為-13.83mm，最大總位移為15.57mm。通過相鄰橋墩的沉降結(jié)果可以分析1#橋墩和2#橋墩差異沉降為12.60mm，2#橋墩和3#橋墩差異沉降為8.07mm，3#橋墩和4#橋墩差異沉降為5.65mm。從計算結(jié)果可知，差異沉降最大點出現(xiàn)在1#橋墩和2#橋墩間，應(yīng)該作為重點監(jiān)測位置進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，沉降值應(yīng)滿足以下3個要求：1）墩臺均勻總沉降值為2）相鄰墩臺總沉降差值為3）墩臺頂面水平位移值為0.5L(cm)。該項目橋墩跨度為25m，墩臺均勻總沉降容許值為10cm，相鄰墩臺總沉降容許值為5cm，墩臺頂面水平位移容許值為2.5cm。

通過數(shù)值模擬得到的盾構(gòu)隧道施工對緊鄰高架橋影響小于控制值。

由計算結(jié)果可知，施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)變形遠(yuǎn)小于規(guī)范值，若將規(guī)范中的控制值作為工程監(jiān)測控制值，則較難控制結(jié)構(gòu)變形。結(jié)合工程實際特點及變形預(yù)測結(jié)果，確定在工程盾構(gòu)區(qū)間下穿過程中，橋梁結(jié)構(gòu)變形控制值見表2。將控制值的80%作為報警值，70%作為預(yù)警值。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)（單位：mm）

綜上所述，最大水平位移發(fā)生在2號橋墩為6.43mm，最大豎向位移發(fā)生在2號橋墩為13.83mm，最大差異沉降發(fā)生在1#橋墩和2#橋墩間為12.60mm，應(yīng)該將變形最大的位置作為重點監(jiān)測點，并加大監(jiān)測頻率。對盾構(gòu)施工影響較小的1#橋墩和4#橋墩來說，可適當(dāng)降低監(jiān)測頻率。在施工過程中進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，如果發(fā)現(xiàn)變形較大可調(diào)整監(jiān)測方案。

盾構(gòu)施工對橋梁結(jié)構(gòu)的影響有一定空間效應(yīng)。當(dāng)盾構(gòu)施工和距離橋梁有一定距離時，橋梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始變形，盾構(gòu)穿越整個橋梁結(jié)構(gòu)后，橋梁結(jié)構(gòu)仍在繼續(xù)變形，盾構(gòu)下穿過程中的變形如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)施工過程中橋墩的位移云圖

由圖3可知，結(jié)構(gòu)變形急劇增加的主要區(qū)域位于施工步8～19步，即盾構(gòu)開挖至橋梁承臺邊緣16.14m（約為5D）～盾構(gòu)遠(yuǎn)離橋梁承臺邊緣10.55m（約為3D），該區(qū)域應(yīng)該加大橋梁結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測力度，控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，保證橋梁結(jié)構(gòu)變形在可控范圍內(nèi)。

由盾構(gòu)施工過程的變形計算結(jié)果可知，在盾構(gòu)施工側(cè)穿橋梁的過程中橋梁會發(fā)生變形，當(dāng)盾構(gòu)施工距離橋梁16.14m（約為5D）時，橋梁已經(jīng)開始加速變形。通過分析，當(dāng)盾構(gòu)施工至距離橋梁16.14m（約為5D）時，由于掌子面和附近土體損失，導(dǎo)致前方橋梁發(fā)生變形，因此應(yīng)該提前對橋梁的變形進(jìn)行監(jiān)測。在盾構(gòu)施工穿越橋梁后，在盾構(gòu)遠(yuǎn)離橋梁承臺邊緣10.55m（約為3D）的過程中，橋梁仍在變形，周圍土體損失變形情況還未穩(wěn)定，管片背后同步注漿具有時效性，管片安裝和同步注漿的及時性對控制變形過程至關(guān)重要，應(yīng)該進(jìn)行監(jiān)測直至變形穩(wěn)定。

在靠近橋梁的過程中，土體損失、注漿不及時等因素，容易導(dǎo)致盾構(gòu)施工掌子面和前方土體沉降變形，進(jìn)而引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)的變形。當(dāng)盾構(gòu)遠(yuǎn)離橋梁后，掌子面開挖對橋梁結(jié)構(gòu)影響較小，同時前期掘進(jìn)土體變形情況相對穩(wěn)定，橋梁結(jié)構(gòu)的變形也逐漸趨于平穩(wěn)。

從橋墩的變形結(jié)果可知，橋墩A點的變形大于B點的變形，盾構(gòu)穿越橋墩A點為沿橋梁縱向變形，盾構(gòu)穿越橋墩B點為部分沿橋梁橫向變形，橋梁橫向變形受相鄰橋墩整體性剛度影響較大，因此變形相對較小。

此外，盾構(gòu)施工過程中盾構(gòu)井的頂推力、土體損失率及同步注漿壓力等參數(shù)對周圍土體變形也有重要的影響，該內(nèi)容在數(shù)值模擬中的實現(xiàn)方式還須進(jìn)一步研究和完善，進(jìn)而更貼近盾構(gòu)的實際施工過程，可以更好地指導(dǎo)施工及監(jiān)測。

4 結(jié)論

該文采用有限元模擬的方法，對盾構(gòu)下穿高架橋施工的過程進(jìn)行分析，結(jié)論如下：1）綜合分析電纜盾構(gòu)隧道與高架結(jié)構(gòu)特點及其空間關(guān)系，電纜盾構(gòu)隧道施工對高架橋結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)為盾構(gòu)施工卸載對鄰近高架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加位移，因為位移量較小，所以不影響高架橋結(jié)構(gòu)的安全性。由橋墩的變形結(jié)果可知，橋墩A點的變形大于B點的變形，盾構(gòu)穿越橋墩A點為沿橋梁縱向變形，盾構(gòu)穿越橋墩B點為部分沿橋梁橫向變形，橋梁橫向變形受相鄰橋墩整體性剛度影響較大，因此變形相對較小。2）由數(shù)值模擬計算結(jié)果可知，施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)變形遠(yuǎn)小于規(guī)范值，如果將規(guī)范中的控制值作為工程監(jiān)測控制值，就很難控制結(jié)構(gòu)變形。因此，結(jié)合工程實際特點及變形預(yù)測結(jié)果，確定工程盾構(gòu)區(qū)間下穿過程橋梁結(jié)構(gòu)變形控制值，并將計算結(jié)果控制值的80%作為報警值，70%作為預(yù)警值。盾構(gòu)開挖至距離橋梁承臺邊緣5D至盾構(gòu)遠(yuǎn)離橋梁承臺邊緣3D為橋梁下部結(jié)構(gòu)變形的主要發(fā)生階段，須提高監(jiān)測頻率。3）由變形計算結(jié)果可知，橋梁的變形不僅發(fā)生在盾構(gòu)施工側(cè)穿橋梁的過程中，還在盾構(gòu)施工至距離橋梁16.14m（約為5D）時，橋梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始加速變形，因此須提前對橋梁的變形進(jìn)行監(jiān)測。盾構(gòu)施工穿越橋梁后，在盾構(gòu)遠(yuǎn)離橋梁承臺邊緣10.55m（約為3D）的過程中，橋梁變形仍在持續(xù)，須進(jìn)行監(jiān)測直至變形情況穩(wěn)定。4）由數(shù)值模擬計算結(jié)果可知，最大水平位移發(fā)生在2號橋墩為6.43mm，最大豎向位移發(fā)生在2號橋墩為13.83mm，最大差異沉降在1#橋墩和2#橋墩間為12.60mm，上述幾處變形最大的區(qū)域應(yīng)該作為重點監(jiān)測點，加大監(jiān)測頻率。盾構(gòu)施工影響較小的1#橋墩和4#橋墩可適當(dāng)降低監(jiān)測頻率，在施工過程中進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，如果發(fā)現(xiàn)變形較大的情況可調(diào)整監(jiān)測方案。5）該研究認(rèn)為對重要的風(fēng)險點來說，應(yīng)該通過計算進(jìn)行分析，確定有針對性的監(jiān)測方案，有關(guān)結(jié)論可以為相似工程提供參考，但應(yīng)該結(jié)合工程實際特點及周邊環(huán)境等進(jìn)行具體分析。