成都地鐵4號線下穿鐵路橋三維數(shù)值模擬分析

房 師 濤

(中電建成都建設(shè)投資有限公司， 四川 成都 610212)

0 引 言

隨著城市軌道交通建設(shè)發(fā)展的需要，地鐵盾構(gòu)隧道施工不可避免地會臨近各種建筑物或構(gòu)筑物，如下穿鐵路橋梁。一般而言，根據(jù)地鐵盾構(gòu)隧道與鐵路橋梁的相對位置關(guān)系，可分為下穿或側(cè)穿兩類。

近年來一些學(xué)者已就地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋梁進(jìn)行了研究。馬偉斌等[1]以鉆爆法隧道下穿群樁鐵路橋?yàn)閷ο螅捎糜邢拊同F(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的手段，研究了下穿時鐵路橋沉降變形規(guī)律，研究工作偏重于數(shù)值分析，未涉及到控制措施施加后的計算分析；祁輝等[2]采用有限差分原理對區(qū)間隧道下穿鐵路橋影響進(jìn)行了分析，該文獻(xiàn)隧道為淺埋暗挖隧道，鐵路橋?yàn)榭蚣軜颍椅纯紤]加固工況，與筆者所做工作有很大差異；毛學(xué)鋒等[3]對于區(qū)間隧道穿越高速鐵路橋梁樁基托換工程，詳細(xì)介紹鐵路連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)橋梁樁基托換主要設(shè)計難點(diǎn)、 要點(diǎn)和施工監(jiān)測及線形調(diào)整設(shè)計等內(nèi)容，該文獻(xiàn)偏重設(shè)計與施工要點(diǎn)，與筆者采用數(shù)值計算方法在研究方向上有不同之處；張迪等[4]以有限元為手段，分析不加固與加固兩種工況下盾構(gòu)下穿掘進(jìn)中造成的鐵路橋的沉降及應(yīng)力變化，但研究對象為框架橋，筆者研究對象為樁基鐵路橋；張學(xué)鋼等[5]同樣采用數(shù)值模擬方法分析了隧道對上部鐵路橋樁基受力與位移的影響規(guī)律，但研究對象為上下臺階法的淺埋暗挖隧道，與盾構(gòu)隧道工法有區(qū)別；佘才高等[6]以實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析盾構(gòu)下穿對高速鐵路橋的影響，所做的工作針對深埋地鐵盾構(gòu)隧道在巖層中的穿越，依托工程則為土層穿越，性質(zhì)不同；王體廣[7]在數(shù)值模擬與監(jiān)測分析的基礎(chǔ)上，認(rèn)為盾構(gòu)采取土體加固、加強(qiáng)同步注漿等措施可以控制其所下穿的鐵路橋沉降，提出了下穿需全過程監(jiān)測，但該文獻(xiàn)所研究的對象為淺基礎(chǔ)鐵路橋，與依托工程的樁基礎(chǔ)鐵路橋不同。綜上所述，目前對隧道下穿鐵路橋研究，按照隧道類型，可分為除盾構(gòu)隧道外的暗挖隧道(鉆爆或淺埋暗挖)和盾構(gòu)隧道兩類；按照下穿鐵路橋類型，又可分為框架橋、淺基礎(chǔ)橋、單樁或群樁基礎(chǔ)橋等；按照穿越巖土層類型，可分為土層穿越和巖層穿越。筆者所依托的工程雖為較普遍的土層穿越，但所涉及到盾構(gòu)隧道下穿群樁基礎(chǔ)鐵路橋，與前人所做的大部分研究工作存在一定的差異，故存在研究價值與意義。

筆者以成都地鐵4號線二期工程區(qū)間下穿樁基礎(chǔ)型式的鐵路橋?yàn)楣こ瘫尘埃\(yùn)用有限元差分法動態(tài)模擬盾構(gòu)開挖過程，分析盾構(gòu)周圍土體變形以及對上部鐵路橋梁的影響，并對盾構(gòu)與橋樁間土體加固和不加固方案進(jìn)行對比分析。

1 工程背景

1.1 下穿概況

成都地鐵4號線二期工程萬年場站～東三環(huán)站區(qū)間為雙線盾構(gòu)隧道，該區(qū)間YDK38+ 640.258～YDK38+791.162段下穿鐵路群，鐵路群包括成綿樂客運(yùn)專線、動4線、 東環(huán)線、動2線、動3線、達(dá)成線、動1線共10股鐵路線，其中成綿樂客運(yùn)專線、東環(huán)線、動2、3線、達(dá)成線為雙股鐵路線，其余線路為單股。盾構(gòu)左線距離動2、3線的54號橋墩最小距離為10.4 m，右線距離動2、3線的55號橋墩最小距離為10.7 m，盾構(gòu)頂部與成洛路U型槽底部距離為18.7 m。下穿段的平面和立面位置關(guān)系如圖1、圖2。

圖1 地鐵與鐵路群平面位置關(guān)系Fig. 1 Plane position relation of shield tunnel and railway group

圖2 盾構(gòu)隧道與動2、3線剖面位置關(guān)系Fig. 2 Vertical position relation of shield tunnel and railways

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

工程場地處于成都平原區(qū)與龍泉山低山丘陵區(qū)過渡帶的成都東部臺地區(qū)，屬川西平原岷江水系III級階地，主要為山前臺地地貌。圖3為下穿段工程地質(zhì)剖面，下穿動2、3線地質(zhì)情況從上到下依次為：(1-1)雜填土層、(3-2-1)粉質(zhì)黏土層、(5-1-1)全風(fēng)化泥巖層、(5-1-2)強(qiáng)風(fēng)化泥巖層和中風(fēng)化泥巖層(5-1-3)，其中盾構(gòu)隧道頂部與動2、3線樁底距離約為12 m，洞身位于中風(fēng)化泥巖層中，該層埋深18.7 m，巖層為水平走向，洞頂中風(fēng)化巖層厚達(dá)5.8～10.6 m，巖層強(qiáng)度達(dá)到15.79 MPa。區(qū)間范圍內(nèi)地下水主要有賦存于黏土層之上的上層滯水、賦存于黏土和卵石土中的孔隙水及基層裂隙水，基巖溶孔溶隙裂隙潛水，本區(qū)間地下水主要為基層裂隙水。

1.3 鐵路樁基參數(shù)

動2、3線鐵路橋是連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)，與4號線盾構(gòu)隧道走向垂直。盾構(gòu)在54、55號橋墩間下穿，橋墩的高度為18.5 m，承臺的厚度為3 m，橋樁深度為20.5 m (54號墩)和23 m(55號墩)，橋梁寬度約為4 m。其中54、55號橋墩參數(shù)如圖4。

圖3 下穿段工程地質(zhì)剖面Fig. 3 Engineering geological profile of crossing section

2 計算模型

2.1 計算假定

計算假定如下：

1)在4號線雙線盾構(gòu)隧道臨近動2、3線樁基施工期間，既有鐵路橋僅考慮結(jié)構(gòu)自重(包括橋梁上部結(jié)構(gòu)、道咋及部分橋墩的自重)、列車豎向靜活載、列車豎向動力作用及制動力或牽引力，不考慮地震等因素。

2)初始地應(yīng)力在模型計算只考慮土體和既有結(jié)構(gòu)的自重應(yīng)力，不考慮地下水的影響。忽略巖土體構(gòu)造應(yīng)力，使巖土體和既有結(jié)構(gòu)在自重作用下，土體達(dá)到平衡，而后再進(jìn)行盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)。

3)動2、3線鐵路橋的既有橋樁結(jié)構(gòu)為線彈性材料。

4)4號線雙線盾構(gòu)隧道、動2、3線鐵路橋的既有橋樁結(jié)構(gòu)與土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則。

2.2 計算模型

采用Flac3D軟件建立三維模型有限差分模型，本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型。模型尺寸參數(shù)為：底部(Z向)距隧道中心43 m，左右兩側(cè)(X向)距雙線盾構(gòu)中線50 m，上部(Z向)為地表，考慮隧道施工過程對樁基的動態(tài)影響，模型縱向(Y向)取45 m。模型約束條件為：底面(Z=-43)，限制其Z方向位移；側(cè)面(X=-50、50)，限制其X方向位移；平面(Y=0、45)，限制其Y方向位移；表面(Z=32)為地面，表示自由邊界；橋墩表面(Z=40)，施加豎直向下的應(yīng)力(-9.296 MPa)，模擬鐵路橋梁上部結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的荷載組合及部分橋墩的自重，其中汽車荷載(不計沖擊力)系數(shù)為0.4，人群荷載和風(fēng)荷載系數(shù)分別為0.4和0.75。完整計算模型和模型中各構(gòu)筑物位置關(guān)系如圖5、圖6。

圖5 計算模型Fig. 5 3D numerical model

圖6 計算模型中盾構(gòu)與54、55號橋墩及成洛路U型槽位置關(guān)系Fig. 6 Relational position of shield tunnel, piers 54 and 55 and “U” type of Chengluo road in 3D numerical model

2.3 計算參數(shù)

計算模擬對象主要有土層、橋墩、承臺、樁基、U型槽、盾構(gòu)管片及同步注漿層，土層和結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)分別列于表1、表2，其中巖土體實(shí)際模擬中彈性模量取壓縮模量的5倍。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical-mechanical parameters of soil

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structure parameters

2.4 計算施工步

隧道開挖共分45步模擬，每步進(jìn)尺1.5 m，并一次性施作襯砌及同步注漿。為便于分析，提取6個典型開挖步(圖7)：開挖步11為左線隧道掘進(jìn)至54號橋墩，開挖步19為左線隧道掘進(jìn)跨越54號橋墩，開挖步26為右線隧道掘進(jìn)至55號橋墩，開挖步30為左線隧道完成掘進(jìn)，開挖步34為右線隧道掘進(jìn)跨越55號橋墩，開挖步45為右線隧道完成掘進(jìn)。

圖7 計算施工步Fig. 7 Construction steps of simulation

3 橋梁樁基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

目前對隧道穿越橋梁尚未有明確標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，只能在已有道路橋梁規(guī)范情況下，結(jié)合具體工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，由專家論證施工過程中需采取的控制措施和橋梁沉降值是否合理，以保證隧道安全施工。制定鄰近樁基的沉降值控制標(biāo)準(zhǔn)，通常用允許位移值進(jìn)行控制，但其涉及的因素很多，既需要滿足承載力要求，又需要滿足樁基上部結(jié)構(gòu)的允許沉降值。國外也有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，如日本規(guī)定新干線高架橋[8]的相對豎向位移允許值為5 mm，水平位移為3 mm，道路立交橋允許的水平位移為10 mm，豎向位移為10 mm。結(jié)合國內(nèi)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，本次數(shù)值計算中，考慮到國內(nèi)橋梁實(shí)際情況，提供控制標(biāo)準(zhǔn)更能確保施工安全，故鄰近盾構(gòu)隧道的橋梁樁基沉降值控制標(biāo)準(zhǔn)豎向位移按3 mm控制，豎向位移按2 mm控制。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 地表沉降

地表橫向沉降曲線如圖8，呈“U型槽”狀。從圖8中可看出，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，地表沉降逐漸增大。根據(jù)施工方案，盾構(gòu)隧道左線先行于右線30 m，在開挖步11、19和26中，地表最大沉降值發(fā)生在左線隧道拱頂附近；隨著右線隧道掘進(jìn)，地表最大沉降值位置不斷向右線拱頂附近移動；當(dāng)左、右線隧道接近貫通時(即隧道掘進(jìn)面距研究斷面33 m時)， 地表沉降變化很小，其最大豎向位移為1.05 mm，小于地表沉降30 mm控制值要求。

圖8 地表沉降槽Fig. 8 Surface settling tank

4.2 圍巖變形

盾構(gòu)隧道施工不可避免地會引起地層擾動，由于掘進(jìn)以后，隧道上方圍巖松動及孔隙水壓力的消散，產(chǎn)生上部地層損失，從而引起地層變位和地面沉降。圍巖豎向位移云圖如圖9，盾構(gòu)隧道拱頂最大向下位移為4.7 mm，小于隧道拱頂下沉20 mm控制值要求。

圖9 圍巖豎向位移(單位：m)Fig. 9 Rock vertical displacement

4.3 鐵路橋群樁變形

4.3.1 水平位移

盾構(gòu)隧道進(jìn)行開挖步11時，正好位于54號橋墩①、⑦號樁體所在位置，從54號橋墩水平位移云圖(圖10)中可以看出，距盾構(gòu)左線掘進(jìn)面較遠(yuǎn)的①、④號樁體水平位移大于距離盾構(gòu)較近的⑦、⑩號樁體，筆者認(rèn)為這是因?yàn)檫^大的盾構(gòu)推力對開挖面土體產(chǎn)生擠壓，并擴(kuò)散至鄰近樁基，對其位移有限制影響。

圖10 開挖步11后54 號橋墩水平位移云圖(單位：m)Fig. 10 Horizontal displacement cloud of pier 54 after excavation step 11

圖11為開挖步19后54號橋墩水平位移云圖，從圖11可看出①、④號樁體的最終水平位移幾乎相同，相對位移幾乎為0，其對橋梁結(jié)構(gòu)是有利的。

盾構(gòu)隧道右線施工時(開挖步30、34)，55號橋墩樁基也會出現(xiàn)內(nèi)外側(cè)樁基相對位移幾乎為0。

圖12為開挖步45后54、55號橋墩水平位移云圖。由圖12可見，樁基最大水平位移發(fā)生在55號橋墩⑧號樁體處，其值為0.907 mm。

圖11 開挖步19后 54 號橋墩水平位移云圖(單位：m)Fig. 11 Horizontal displacement cloud of pier 54 after excavation step 19

圖12 開挖步45后54、55 號橋墩水平位移云圖(單位：m)Fig. 12 Horizontal displacement cloud of pier 54 and 55 after excavation step 45

4.3.2 豎向位移

盾構(gòu)隧道進(jìn)行開挖步26正好位于55號橋墩①、⑦號樁體所在位置，圖13、圖14分別為開挖步30、34后55號橋墩豎向位移云圖。從圖13中可看出距離盾構(gòu)左線掘進(jìn)面較近的④、⑦號樁體豎向位移要大于距離盾構(gòu)較遠(yuǎn)的①、⑩號樁體；而當(dāng)隧道進(jìn)行開挖步30時，從圖14中可以看出①、④號樁體的最終豎向位移幾乎完全相同；同理，當(dāng)盾構(gòu)隧道右線施工時(開挖步11、19)，54號橋墩樁基也會出現(xiàn)上述豎向位移趨勢。

圖13 開挖步26后55號橋墩豎向位移云圖(單位：m)Fig. 13 Vertical displacement cloud of pier 55 after excavation step 26

圖14 開挖步30后55號橋墩豎向位移云圖(單位：m)Fig. 14 Vertical displacement cloud of pier 55 after excavation step 30

圖15為開挖步45后54、55號橋墩豎向位移云圖，樁基最大豎向位移發(fā)生在55號橋墩⑧號樁體處，最大值為3.56 mm，最大差異沉降值為0.36 mm。左線盾構(gòu)距離54號樁基最小距離為10.4 m，右線盾構(gòu)距離55號樁基最小距離為10.7 m，但盾構(gòu)與55號樁基在平面上整體距離更近，所以掘進(jìn)造成的影響更大，55號樁基水平位移和豎向沉降大于54號樁基。

圖15 開挖步45后54、55號橋墩豎向位移云圖(單位：m)Fig. 15 Vertical displacement cloud of pier 55 after excavation step 45

5 加固措施與效果分析

5.1 加固措施

盾構(gòu)隧道鄰近橋梁樁基施工時，常用的加固措施主要從橋梁樁基與隧道空間位置、 隧道施工工法效應(yīng)對樁基周邊土的擾動、橋梁樁基和隧道之間的土體作用力以及土體加固4個方面入手，保護(hù)鄰近樁基在隧道開挖時的安全。

本次加固工況采用在隧道與樁之間地表注漿的方法來減小盾構(gòu)施工對樁基的影響，其實(shí)質(zhì)是對巖土體的膠結(jié)、增強(qiáng)、充填與加固，注漿對巖土的加固效果主要表現(xiàn)在巖土體黏聚力c值和內(nèi)摩擦角值的提高。因此，在數(shù)值模擬分析時，鑒于加固區(qū)位于中風(fēng)化泥巖中，文獻(xiàn)[9]根據(jù)公路、水利部門進(jìn)行的大量統(tǒng)計資料，認(rèn)為巖體隧道加固數(shù)值模擬時，加固區(qū)材料的黏聚力c值、內(nèi)摩擦角和彈性模量E值可相應(yīng)提高20%，本次加固計算時，加固體參數(shù)選取采用此原則。

在距承臺 1 m 靠近隧道側(cè)進(jìn)行地表注漿，加固區(qū)頂部距地表17 m，加固區(qū)尺寸為：厚3 m(X向),高 19 m(Z向)，縱向 22 m(Y向)。根據(jù)上述加固對策，在Flac3D軟件中建立如圖16、圖17所示的加固區(qū)，來模擬在隧道與樁之間設(shè)置隔斷時，盾構(gòu)隧道施工對鄰近樁基產(chǎn)生沉降影響的程度。

5.2 加固效果

從大量計算結(jié)果數(shù)據(jù)中提取出雙線盾構(gòu)全部貫通(即Y方向 45 m全部貫通)之后，動 2、3 線鐵路橋梁的54 、55號橋墩樁基的水平位移和豎向位移云圖，如圖18、圖19。通過對樁基在加固前后的變形對比可知，注漿后樁基最大水平位移約為0.38 mm，降低了約58%；樁基最大豎向沉降約為0.75 mm，降低了約79%，注漿后樁基變形可以保證施工過程中動2、3線鐵路橋梁的正常使用。

圖16 隧道與樁之間進(jìn)行加固剖面示意Fig. 16 Sketch map of reinforcement condition between and shield tunnel and piles

圖17 模擬中隧道與樁之間加固的示意Fig. 17 Reinforcement condition between and shield tunnel and piles

圖18 盾構(gòu)隧道貫通后54、55 號墩樁基水平位移云圖(單位：m)Fig. 18 Horizontal displacement cloud of piers 54 and 55 after whole undercrossing

圖19 盾構(gòu)隧道貫通后54、 55 號墩樁基豎向位移云圖(單位：m)Fig. 19 Vertical displacement cloud of piers 54 and 55 after whole undercrossing

6 結(jié) 論

筆者以成都地鐵4號線二期工程區(qū)間下穿鐵路群為工程背景，運(yùn)用有限元差分法動態(tài)模擬盾構(gòu)開挖過程，分析盾構(gòu)周圍土體變形以及對上部鐵路橋梁的影響，并對盾構(gòu)與橋樁間土體加固和不加固方案進(jìn)行對比分析。結(jié)論與建議如下：

1)54 、55 號墩為群樁基礎(chǔ)，在同一個承臺下，前、后排的樁基在豎向沉降分布形式方面比較相似，后排樁基水平位移在數(shù)值上略大于前排樁基的豎向沉降。

2)因樁基相對于其周圍土體有很大的軸向剛度，故樁基從樁頂開始到樁端其豎向變形沒有太大差別，最大的樁基豎向變形為3.56 mm。樁基與盾構(gòu)隧道的位置關(guān)系也會影響樁基豎向位移，靠近隧道開挖側(cè)的樁基豎向沉降要大一些，55號墩中靠近盾構(gòu)隧道側(cè)的樁基平均豎向沉降約為3.55 mm，而遠(yuǎn)離隧道側(cè)的樁基平均豎向沉降約為3.25 mm，比前者少9.23%。

3)隧道開挖后，樁基最大水平位移發(fā)生在55號橋墩8號樁體處，最大值為0.907 mm。

4)采用注漿加固后，樁基沉降得到了較好地控制，最大水平位移值和沉降值至少降低了58%、79%。計算中注漿加固對象為盾構(gòu)隧道與橋樁間土體，加固厚度所設(shè)定的3 m對橋樁位移控制效果明顯，但缺乏對不同加固厚度的對比，需在下一步研究中予以重點(diǎn)補(bǔ)充。在實(shí)際注漿過程中，務(wù)必要注意注漿壓力的控制，避免對橋樁產(chǎn)生不利影響甚至是破壞。

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