黃峻峰

(廣州建筑股份有限公司)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國各大城市也駛?cè)肓丝焖侔l(fā)展的時期，但隨著城市人口不斷增長，城市交通擁堵問題也越來越突出。在此背景下，城市地鐵由于其快捷、便利，不受地面交通、天氣等因素影響的諸多優(yōu)點，無疑成為各大城市解決該問題的“靈丹妙藥”。

然而地鐵隧道的修建難免會對既有建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的影響，既有建筑物如城市高層建筑物、城市立交橋、高架橋等等都是采用樁基礎(chǔ)型式，它在空間上難免與地鐵隧道相互沖突。在此背景下，樁基托換成為了解決該問題的一項新技術(shù)。樁基托換工程是將新建基礎(chǔ)代替既有樁的過程[1]。

目前國內(nèi)學(xué)者對樁基托換技術(shù)進(jìn)行了較多的研究。王博[2]以西安地鐵二號線樁基托換工程為背景，介紹了主動托換技術(shù)的設(shè)計方法和施工工藝。張國君[3]在分析樁基托換類型的基礎(chǔ)上詳細(xì)研究了樁基托換的施工工藝。周志偉[4]簡要總結(jié)了深圳地鐵百貨廣場樁基托換工程的主動托換技術(shù)。唐貴和[5]介紹了廣州地鐵6號線鉆孔灌注樁和托換梁施工技術(shù)以及施工過程中的監(jiān)測技術(shù)。熊小剛[6]應(yīng)用ANSYS 數(shù)值模擬軟件研究了主動托換的沉降和頂升的位移控制值；唐新權(quán)[7]通過對樁基托換方案以及荷載轉(zhuǎn)換機(jī)理的研究，分析得出托換過程中關(guān)鍵節(jié)點的施工方案和檢測要求；李琳[8]通過對西安地鐵2 號線主動托換工程的研究，設(shè)計了1:6 模型試驗進(jìn)行模擬加載過程，分析得出其在實際工程中的可靠性以及受力性能。

由于地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有橋梁施工風(fēng)險仍較大，因此施工前進(jìn)行數(shù)值模擬分析顯得十分有必要。本文依托廣州地鐵某盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁，通過建立三維有限元模型對土體位移、隧道變形及橋梁變形進(jìn)行了分析，并分析評判了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工對既有橋梁的安全性。

1 項目概況

廣州地鐵某盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁，區(qū)間隧道與既有橋梁樁基平面位置關(guān)系見圖1。該既有橋梁全橋共三幅，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力砼簡支T 梁，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩，左、右幅為樁基礎(chǔ)，中幅為擴(kuò)大基礎(chǔ)，左、右幅橋臺為三柱式橋臺，中幅橋橋臺為重力式橋臺。橋跨長度79.76m，整幅橋?qū)?0m，其中中幅橋橋?qū)?3.5m，南、北幅橋橋?qū)捑鶠?3.25m。

圖1 區(qū)間隧道與既有橋梁樁基平面位置關(guān)系圖

盾構(gòu)隧道斷面為圓形斷面，采用裝配式鋼筋混凝土單層襯砌，管片襯砌環(huán)內(nèi)徑為5400mm，外徑為6000mm，管片厚度為300mm，管片襯砌環(huán)寬度為1500mm；管片襯砌環(huán)采用錯縫拼裝，每環(huán)管片由3個標(biāo)準(zhǔn)塊、2個鄰接塊和1 個封頂塊組成；管片之間的環(huán)向接縫和縱向接縫均采用彎螺栓連接。區(qū)間隧道斷面見圖2。

圖2 區(qū)間隧道斷面設(shè)計圖

從圖1可看出盾構(gòu)隧道與橋梁樁基有沖突的共有6根，均位于南幅橋，分別是1 號橋臺、4 號橋臺各2 根，2號橋墩、3號橋墩各1根。

為此，對沖突的6根樁基采用主動托換，其中1號橋臺2 根樁基采用懸挑梁托換，托換梁埋設(shè)于地面下，通過托換支墩承托住原橋帽梁，挑梁截面尺寸為200cm×200cm，托換支墩截面尺寸為140cm×140cm。2 號橋墩和3 號橋墩的2 根樁基均采用淺基礎(chǔ)托換，托換淺基礎(chǔ)尺寸為1400cm×900cm，淺基礎(chǔ)底采用直徑600mm@450mm 雙管旋噴樁加固至碎屑巖類中風(fēng)化層。4 號橋臺兩根樁基采用門式托換，托換梁通過側(cè)面的牛腿承托住原橋帽梁。托換樁基樁徑均為1.2m，托換梁、托換樁及托換淺基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級均為C35。橋梁樁基托換方案平面圖見圖3。

圖3 橋梁樁基托換方案平面圖

該橋南幅橋有6根D1.2m鉆孔樁樁基侵入石芳區(qū)間右線隧道。為此對該橋沖突的6 根樁基進(jìn)行主動托換，下文主要分析托換后隧道盾構(gòu)施工對既有橋梁的影響。

2 計算模型的建立

2.1 計算參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告，考慮到建模的難度和在用數(shù)值模擬計算過程中，土層分界過多會影響計算結(jié)果的分析。因此，在模擬的過程中，地層分界線曲線處地層進(jìn)行直線化簡化。簡化后的土層能合理地反映整個模型中地層的分布情況。橋位處地層參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表2。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計算模型的確定

為模擬盾構(gòu)隧道對橋梁樁基、承臺、托換樁基、托換承臺的影響，根據(jù)隧道與橋梁托換結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系，建立長寬高120m×80m×50m 三維模型。模型共有總單元數(shù)223196 個單元，98301 個節(jié)點。托換梁、托換淺基礎(chǔ)、托換樁基均采用3D 實體單元，盾構(gòu)隧道采用殼單元進(jìn)行模擬，地層采用修正摩爾一庫倫彈塑性本構(gòu)模型。

模型的邊界條件選?。和馏w上表面為透水自由表面，允許自由沉降，且孔壓為零；左右兩側(cè)邊界則約束水平向位移；土體底部則約束豎向土體位移。模型見圖4。

圖4 計算模型有限元網(wǎng)格

2.3 計算模擬工序步驟

根據(jù)施工方案，并結(jié)合軟件施工階段助手功能，近似模擬盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁的施工過程：

⑴首先激活地層、填土路基、既有橋梁基礎(chǔ)及托換梁、托換樁基。

⑵初應(yīng)力分析，位移清零。

⑶盾構(gòu)施工區(qū)間隧道。

⑷施工區(qū)間盾構(gòu)管片。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 地層及隧道水平位移分析

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果可知，在盾構(gòu)隧道施工后，地層X 向位移在兩側(cè)橋臺處河岸處較大，分別為1.34mm 和0.91mm，見圖5。Y 向水平位移在隧道兩側(cè)的土體附近最大，分別為1.04mm（左線隧道）和1.18mm（右線隧道），位移方向均向外，見圖6。

圖5 地層X向水平位移云圖

圖6 地層Y向水平位移云圖

在盾構(gòu)隧道施工后，隧道結(jié)構(gòu)X 向位移在兩側(cè)橋臺處河岸處較大，分別為0.17mm 和0.15mm，見圖7。Y 向水平位移同樣在橋臺處的隧道兩側(cè)最大，分別為1.04mm（左線隧道）和1.18mm（右線隧道），位移方向均向外，見圖8。

圖7 隧道X向水平位移云圖

3.2 地層及隧道豎向位移分析

在盾構(gòu)隧道施工后，地層最大豎向位移位于1 號橋臺處，最大值為2.68mm，見圖9。

圖9 地層豎向位移云圖

隧道結(jié)構(gòu)豎向位移總體上表現(xiàn)為拱頂下沉、拱底向上隆起，且在兩端位置較大。拱頂最大沉降量為2.68mm，拱底最大隆起量為1.58mm，見圖10。

圖10 隧道豎向位移云圖

3.3 橋梁位移分析

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果可知，隧道開挖后，托換結(jié)構(gòu)X向變形較小，最大值為0.37mm，位于1 號橋臺托換樁樁頂，見圖11。Y 向變形最大值為1.17mm，位于2 號橋墩墩頂，見圖12。橋梁沉降最大值為1.56mm，位于1 號臺最外側(cè)托換樁處。1～4 墩臺沉降量分別為1.56mm、0.93mm、0.85mm、0.74mm，單個墩臺看，沉降位于橋梁內(nèi)側(cè)，外側(cè)則出現(xiàn)輕微上翹，見圖13。

圖11 橋梁X向水平位移云圖

圖12 橋梁Y向水平位移云圖

圖13 橋梁豎向位移云圖

綜合分析可以看出，托換結(jié)構(gòu)變形特征整體表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)位移較大，外側(cè)位移較小，即向內(nèi)側(cè)微傾，分析主要原因在于被截斷的樁基均位于橋梁內(nèi)側(cè)，由于樁基被截斷，使得內(nèi)側(cè)樁長變短，從而使得結(jié)構(gòu)受盾構(gòu)下穿施工引起的位移效應(yīng)較大。

4 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

由于公路相關(guān)規(guī)范中，沒有專門針對地鐵下穿橋粱時橋梁容許變形的條文規(guī)定，需要參考各規(guī)范[9-10]中相關(guān)的內(nèi)容，并結(jié)合工程經(jīng)驗進(jìn)行確定，本工程的變形控制標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)論

通過有限元數(shù)值模擬分析得出：

⑴盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁結(jié)構(gòu)過程中，地表（路基）最大沉降量為2.68mm，小于變形控制標(biāo)準(zhǔn)20mm；地表（路基）最大隆起量為1.58mm，小于變形控制標(biāo)準(zhǔn)10mm，因此盾構(gòu)施工過程中路基是安全的。

⑵橋梁沉降量最大值為1.56mm，小于變形控制標(biāo)準(zhǔn)15mm。相鄰墩臺的最大沉降差出現(xiàn)在1 號臺與2 號墩之間，最大沉降差為0.63mm，小于變形控制標(biāo)準(zhǔn)，因此橋梁結(jié)構(gòu)在隧道下穿過程中是安全的。

因此，從理論分析結(jié)果可知本橋在區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中是安全的，盾構(gòu)掘進(jìn)不會危害橋梁結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)營。