摘" 要：當(dāng)盾構(gòu)區(qū)間隧道側(cè)穿橋梁時，施工會引起較大的地表沉降和應(yīng)力變化，加大施工過程的風(fēng)險，并對項目自身及沿線橋梁的安全性產(chǎn)生一定的影響。以青島某地鐵某線路盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋梁為背景，通過建立盾構(gòu)側(cè)穿橋梁施工的三維有限元模型，評估側(cè)穿橋梁過程中施工的穩(wěn)定性，結(jié)合盾構(gòu)側(cè)穿橋梁的施工工藝，對土體位移、管片變形、橋墩及橋樁的規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在雙線隧道開挖的過程中，地表、管片、橋墩及橋樁的豎向位移與水平位移數(shù)值均較小，均滿足施工規(guī)范要求。研究結(jié)果可為類似盾構(gòu)側(cè)穿橋梁的施工提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵；穩(wěn)定性分析；數(shù)值計算；盾構(gòu)隧道；橋梁施工

中圖分類號：K928.78" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0117-04

Abstract： When the shield tunnel passes through the bridge， the construction will cause large surface settlement and stress changes， thus increasing the risk of the construction processand having a certain impact on the safety of the project itself and the bridge along the line. Taking the side-crossing bridge of a shield tunnel of a subway line in Qingdao as the object， the stability of the construction of the side-crossing bridge was evaluated by establishing a three-dimensional finite element model of the shield side-crossing bridge， and the laws of soil displacement， segment deformation， piers and piles were studied in combination with the construction technology of the shield side-crossing bridge. The results show that in the process of double-line tunnel excavation， the vertical and horizontal displacements of surface， segment， bridge pier and bridge pile are relatively small， which meet the requirements of the construction code. The research results can provide reference for the construction of similar shield side-through bridges.

Keywords： subway; stability analysis; numerical calculation; shield tunnel; bridge construction

新建雙線盾構(gòu)隧道在施工過程中會造成隧道周圍土體擾動、地層土體損失、地層原始地應(yīng)力的重新分布等情況，而地層應(yīng)力的變化以及隧道周邊土體的變形將會傳遞到鄰近的橋梁基礎(chǔ)，進(jìn)而會引起鄰近橋梁基礎(chǔ)周圍的土體與既有橋梁基礎(chǔ)之間發(fā)生一定程度的相對位移，出現(xiàn)降低既有橋梁基礎(chǔ)的承載力，使橋梁基礎(chǔ)發(fā)生位移變形等情況。

在盾構(gòu)隧道方面已經(jīng)有部分學(xué)者進(jìn)行了研究。針對V級圍巖地基，廖輝等[1]利用摩爾-庫倫模型，構(gòu)建了區(qū)間隧道與上層暗渠之間的三位數(shù)值模型，并得出結(jié)論：在隧道建設(shè)過程中，左右線之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)木嚯x，有助于控制暗渠的變形和受力情況。王騰[2]采用數(shù)值模擬技術(shù)，對一個地鐵區(qū)段穿越高架橋梁樁基的案例進(jìn)行了深入的分析和研究。徐前衛(wèi)等[3]通過對盾構(gòu)機(jī)穿越橋梁基礎(chǔ)施工過程的動態(tài)模擬分析，得出結(jié)論：盾構(gòu)機(jī)穿越施工會導(dǎo)致地層和橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生過大的變形。周鑫等[4]通過對盾構(gòu)掘進(jìn)過程對地層沉降和附近橋梁樁基影響規(guī)律的研究，得出雙線盾構(gòu)隧道開挖對地層臨近中間樁基沉降有較大影響的結(jié)論。荊鴻飛[5]考慮到貴陽地區(qū)的地質(zhì)、水文和跨江的特點(diǎn)，制定了暗挖法的施工流程，同時也分析了施工過程中可能遇到的問題。白明祿[6]對“上硬下軟”的圍巖地層開挖變形演變規(guī)律進(jìn)行了深入分析，并據(jù)此提出了這一類二元地層隧道的變形破壞模式。白宏達(dá)等[7]以某盾構(gòu)隧道側(cè)穿高架立交橋為例探究地下空間內(nèi)不同結(jié)構(gòu)之間的相互影響規(guī)律。

以青島某地鐵某號線盾構(gòu)側(cè)穿橋梁為背景，采用數(shù)值分析軟件模擬盾構(gòu)側(cè)穿橋梁的施工，分析了盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋梁過程中地表、管片、橋墩及橋樁的變形規(guī)律，可為類似側(cè)穿橋梁工程提供參考。

1" 工程背景

青島某地鐵某號線盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿橋梁為例，區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。下穿段隧道埋深約29.3～31.4 m，區(qū)間下穿段主要處于強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。該段區(qū)間與某公鐵立交橋并行，與橋樁水平凈距約4.25～9.0 m。某公鐵立交橋，為三柱式橋墩，摩擦樁基礎(chǔ)（樁徑1.5 m，長40 m），上部結(jié)構(gòu)15孔35 m預(yù)應(yīng)力簡支T梁，分5聯(lián)。左、右隧道間距14 m，隧道直徑5 500 mm，管片厚度600 mm。盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋梁周邊環(huán)境及走向示意圖如圖1所示。

2" 數(shù)值計算模型的建立

通過考慮盾構(gòu)隧道施工區(qū)間內(nèi)既有橋梁的位置以及盾構(gòu)施工過程中的影響區(qū)域，將盾構(gòu)側(cè)穿橋梁施工的三維有限元模型的尺寸選取為165 m×80 m×80 m（長×寬×高），模擬隧道左右隧道開挖每環(huán)開挖長度為1.6 m。模型邊界以外區(qū)域的位移和應(yīng)力變化與盾構(gòu)施工幾乎不會相互影響。盾構(gòu)模型整體示意圖如圖2所示。

數(shù)值計算模型中將盾構(gòu)區(qū)間穿越的土層簡化為水平勻質(zhì)分布土層，各土層采用摩爾-庫倫本構(gòu)建立3D單元模型，根據(jù)隧道的實際尺寸以及隧道側(cè)穿過程中橋梁的位置關(guān)系，構(gòu)建實體模型獲得隧道注漿區(qū)域與開挖區(qū)域，盾殼進(jìn)行有限元分析時，是通過賦予2D屬性完成；采用2D板單元賦予管片混凝土的材料參數(shù)，而對于土體和注漿則使用了3D實體單元，建立模型構(gòu)件材料見表1，所需圍巖主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

采用頂部自由邊界和底部固定邊界的形式；向側(cè)向邊界處增加法向位移約束，而注漿層土體則設(shè)定屬性改變，將其原土層屬性改為注漿屬性，另外還必須施加重力和0.13 MPa隧道掘進(jìn)壓力，0.12 MPa管片千斤頂力和0.16 MPa管片注漿壓力。荷載布置示意圖如圖3所示。

3" 數(shù)值計算結(jié)果分析

為解決隧道開挖導(dǎo)致隧道圍巖和橋梁樁基變形的問題，以某工程實例為研究對象，通過有限元分析對其穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得出了管片位移特性及橋梁樁基變形規(guī)律分析。

3.1" 盾構(gòu)施工對隧道穩(wěn)定性分析

隧道開挖結(jié)束時，其豎直方向變形云圖如圖4所示。隧道開挖導(dǎo)致土體應(yīng)力得到釋放并出現(xiàn)土體應(yīng)力重分布，且近地表土體應(yīng)力變化很大，遠(yuǎn)隧道土體的應(yīng)力變化不大，應(yīng)力的改變導(dǎo)致土體的變形。從圖中可以看出，盾構(gòu)雙線隧道在貫通時，其底部出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象，隆起的最大值出現(xiàn)在右隧道的正下方，其最大值達(dá)到了3.62 mm；隧道頂部出現(xiàn)了沉降現(xiàn)象，其中左側(cè)隧道頂部的沉降值最為顯著，達(dá)到了4.32 mm的最大值。隧道最大豎向位移比規(guī)范要求小，因此滿足工程安全要求。

隧道的水平位移的云圖如圖5所示，從該圖中可以觀察到，隧道的水平位移在數(shù)值上與2個隧道的對稱軸相對應(yīng)，呈現(xiàn)出大致的對稱分布模式，最大水平位移發(fā)生于左側(cè)隧道左前方，其值大小約0.56 mm；水平位移位于2條隧道之間的區(qū)域比較大，而位于隧道四周的區(qū)域比較小，究其原因在于隧道工程施工過程中由于重卸載和反彈等因素，導(dǎo)致隧道兩側(cè)土體均發(fā)生近似等大水平變形，水平位移沿隧道內(nèi)壁向外逐漸減小。隧道最大水平位移小于規(guī)范要求，因此滿足工程安全要求。

3.2" 管片穩(wěn)定性分析

研究了盾構(gòu)區(qū)間管片在水平和豎直方向上的位移特性，如圖6展示的是管片的豎直位移的云圖。管片的豎直方向云圖大體上展現(xiàn)出對稱性，管片的頂端出現(xiàn)了下沉和變形，而管片在最大的豎直方向上的移動主要集中在右側(cè)，其大小大約是4.60 mm。兩側(cè)管片的底部都出現(xiàn)了隆起變形，其中右側(cè)管片的最大隆起變形約為1.29 mm，而左側(cè)管片的相對變形相對較小。這表明，在左線開挖過程中，盾殼和管片共同作用于右側(cè)土體，導(dǎo)致整個右側(cè)隧道的土體發(fā)生向左方的位移，從而使左側(cè)管片的變形略大于右側(cè)。

如圖7所示的管片水平方向變形的云圖顯示，兩側(cè)的管片在水平變形上有相似之處：其變形大體上是對稱的，而且在拱頂?shù)乃轿灰泼黠@大于拱底的，其中左右的最大水平位移分別達(dá)到了5.73 mm和6.82 mm。隨著荷載增大，左、右兩管片之間產(chǎn)生較大差異。與左側(cè)隧道相比，隧道右側(cè)斷面的水平位移更大，但左右兩側(cè)的管片水平位移都相對較小，這符合相關(guān)規(guī)范的要求。

3.3" 橋梁樁基的穩(wěn)定性分析

橋墩豎直位移如圖8所示，隧道貫通后橋墩豎直位移最大值為6.78 mm，沿著雙線隧道掘進(jìn)方向出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)第4個橋墩，橋墩距離隧道越遠(yuǎn)其沉降值依次遞減；并且呈現(xiàn)出內(nèi)側(cè)橋墩的沉降值均大于外側(cè)橋墩的沉降值，主要原因是距離盾構(gòu)隧道的距離越近所受的影響較大。橋墩頂部的豎向位移大于墩底，呈現(xiàn)出從上到下依次減小的現(xiàn)象。

橋墩的水平位移云圖如圖9所示，橋墩的最大水平位移位于中間一行橋墩的第三個，最大值約為3.03 mm，內(nèi)外兩側(cè)呈內(nèi)側(cè)水平位移且橋墩頂部的水平位移大于橋墩底部的水平位移。水平位移的最大值約為3.03 mm，最小水平位移約為0.013 mm。為了避免隧道挖掘?qū)е碌臉蚨招巫?，施工前可以對橋墩實施地基進(jìn)行加固處理。

如圖10和圖11所示，橋樁的豎直和水平位移的云圖顯示，盡管橋墩和樁基的沉降量遵循相同的變化規(guī)律，但橋墩的沉降量實際上比樁基的沉降量要大。這是因為橋墩的側(cè)向變形導(dǎo)致的沉降量比樁基的沉降量要大。因此，在進(jìn)行橋梁設(shè)計時必須考慮到這種影響。

4" 結(jié)論

依托青島某地鐵某線路盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿橋梁工程， 采用數(shù)值模擬的方法，結(jié)合工程實際，對盾構(gòu)施工過程中所產(chǎn)生的地面、管片、橋墩以及橋樁的變形進(jìn)行了研究，得到了以下幾個重要結(jié)論：①左、右線隧道的管片變形略有差異，管片整體位移向上，但變形趨勢大致相同，呈對稱分布，管片的豎直方向位移的峰值為4.60 mm，水平位移的峰值也僅為6.82 mm。②左、右線隧道的豎直方向最大位移為4.32 mm，水平方向的最大位移為0.56 mm，均較小，符合規(guī)范要求。③橋墩、橋樁部分的水平方向的位移以及豎直方向二者的數(shù)值均較小，符合規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)：

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