盾構(gòu)隧道下穿城市立交橋影響性分析

游 輝

（中國(guó)鐵建股份有限公司 北京 100855）

1 引言

隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)快速發(fā)展，地鐵隧道不可避免地臨近市政結(jié)構(gòu)，其中地鐵隧道穿越城市橋梁是較為典型的情況。按照地鐵隧道與城市橋梁的相對(duì)位置關(guān)系，可以將穿越劃分為下穿和側(cè)穿兩種類型，地鐵隧道下穿城市橋梁類型雖然較多，但目前尚未有系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和成熟標(biāo)準(zhǔn)，穿越風(fēng)險(xiǎn)仍然較大。

數(shù)值計(jì)算方法是分析盾構(gòu)隧道下穿橋梁的一個(gè)重要手段，基于數(shù)值計(jì)算的下穿研究主要有：楊貴永等［1］、徐慧宇等［2］對(duì)區(qū)間隧道下穿佛開高速橋進(jìn)行有限元分析；房師濤［3］分析了盾構(gòu)掘進(jìn)造成的地表沉降、周圍土體變形及鐵路橋墩的沉降變化，評(píng)價(jià)了上部鐵路橋的安全狀態(tài)，并提出了安全控制措施；王國(guó)富等對(duì)框架結(jié)構(gòu)、三軸攪拌樁結(jié)構(gòu)及隔離墻結(jié)構(gòu)3種主動(dòng)預(yù)支護(hù)技術(shù)［4］和直線形、折線形、曲線形3種隔離樁布局形式［5］進(jìn)行了數(shù)值分析；楊麗明［6］選擇簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行了下穿影響分析。在施工控制或監(jiān)測(cè)方面：沙原亭［7］結(jié)合某在建地鐵土壓平衡盾構(gòu)下穿橋梁樁基工程，總結(jié)一套下穿施工技術(shù)和監(jiān)測(cè)方法；李旺旺等［8］以監(jiān)測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)盾構(gòu)穿越橋梁不同施工階段變形沉降規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析；苗峰等［9］利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)盾構(gòu)施工引起地面沉降、高架橋的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析。此外，還有將數(shù)值計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)合在一起的研究［10-12］。

2 工程概況

北京地鐵16號(hào)線木樨地站～木達(dá)區(qū)間盾構(gòu)接收井（不含）隧道自木樨地站南端（右K8＋571.592）出發(fā)，下穿永定河引水渠，沿規(guī)劃三里河南延路向南敷設(shè)，下穿蓮花池東路、北京西站～北京站地下直徑線、京九鐵路，到達(dá)木達(dá)區(qū)間盾構(gòu)接收井北端（右K9＋942.200）。區(qū)間隧道左、右線線間距為12～17.2 m，軌面高程為19.645～15.103 m，覆土厚約為22.7～24.9 m，區(qū)間縱坡為一字坡，最大坡度為4.191‰，采用盾構(gòu)法施工。在右K9＋010.000和右K9＋520.000處設(shè)置二座聯(lián)絡(luò)通道，聯(lián)絡(luò)通道采用礦山法施工。隧道采用C50（過(guò)M1線明挖區(qū)間段為C55）鋼筋混凝土管片、內(nèi)徑5 800 mm、外徑6 400 mm、厚300 mm、環(huán)寬1 200 mm。區(qū)間隧道與木樨地橋相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 木達(dá)區(qū)間與木樨地橋相對(duì)位置關(guān)系

3 橋梁位移控制標(biāo)準(zhǔn)

目前對(duì)隧道穿越橋梁情況尚未有明確標(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)，由專家去論證在施工過(guò)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(guó)外也有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，如日本規(guī)定新干線高架橋的相對(duì)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(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范規(guī)定及穿越工程具體情況，鄰近橋梁樁基的沉降值控制標(biāo)準(zhǔn)：豎向位移按5 mm控制，相對(duì)位移按3 mm控制，水平位移按5 mm控制。

4 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

木達(dá)區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越木樨地橋時(shí)風(fēng)險(xiǎn)控制措施主要有以下幾點(diǎn)：

（1）盾構(gòu)穿越前應(yīng)調(diào)整并確保盾構(gòu)機(jī)性能良好，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，保證勻速通過(guò)。

（2）盾尾應(yīng)及時(shí)注漿，充填管片與土體間的空隙，嚴(yán)格控制注漿量和注漿壓力，必要時(shí)進(jìn)行二次注漿。

（3）工程影響范圍盾構(gòu)管片采用“三孔注漿管片”，盾構(gòu)推過(guò)后應(yīng)多次注漿加固穿越段周邊土體。

（4）盾構(gòu)施工前，預(yù)先對(duì)橋梁樁基周邊土體進(jìn)行復(fù)合錨桿樁注漿加固（隔離）。

（5）盾構(gòu)施工過(guò)程中，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和巡視，及時(shí)反饋信息，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，確保橋梁安全。

5 數(shù)值計(jì)算分析

5.1 數(shù)值模型的建立

圖2 三維有限元分析模型

采用MIDAS GTS有限元分析軟件建立木達(dá)區(qū)間下穿木樨地橋三維有限元分析模型（見圖 2），模型尺寸：X、Y、Z方向上長(zhǎng)度分別約為151.86 m、59.24 m、100 m。邊界約束：底部約束X、Y、Z方向位移，四周約束X、Z方向位移，上表面為自由面。土體、隔離樁、橋墩、橋樁及承臺(tái)均采用實(shí)體單元模擬。考慮到盾構(gòu)隧道開挖影響范圍有限，本次建模只考慮盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對(duì)木樨地橋4～5軸樁基及上部結(jié)構(gòu)的影響。模型中盾構(gòu)隧道與木樨地橋、1號(hào)線區(qū)間隧道及隔離樁相對(duì)位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道與橋梁、1號(hào)線隧道及隔離樁相對(duì)位置關(guān)系

5.2 計(jì)算參數(shù)

模型共分9個(gè)土層，各土層物理力學(xué)參數(shù)列于表1中，橋梁及1號(hào)線區(qū)間隧道計(jì)算參數(shù)列于表2中。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 材料計(jì)算取值

5.3 模擬工序與分析施工步

計(jì)算模擬中，盾構(gòu)分段掘進(jìn)，左線盾構(gòu)先行掘進(jìn)，右線盾構(gòu)開挖面與左線盾構(gòu)開挖面錯(cuò)開20 m。

5.4 計(jì)算結(jié)果與分析

本文中橋樁編號(hào)如圖4所示：木樨地北橋每個(gè)承臺(tái)下2根橋樁，編號(hào)是依次由北向南；南橋每個(gè)承臺(tái)下4根橋樁，以東北角橋樁為起點(diǎn)，逆時(shí)針?lè)较蛞来尉幪?hào)。

圖4 橋樁編號(hào)示意

橋樁位移隨著盾構(gòu)的推進(jìn)是處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，選取其中5種典型的施工步進(jìn)行結(jié)果分析，分別是：施工步1（左線盾構(gòu)到達(dá)北橋）、施工步2（左線盾構(gòu)到達(dá)南北橋中心線，右線盾構(gòu)達(dá)到北橋）、施工步3（左線盾構(gòu)離開南橋）、施工步4（右線盾構(gòu)離開南橋），施工步5（左、右線盾構(gòu)施工完成）。

5.4.1 橋樁位移

各橋樁樁底豎向位移隨施工步變化如圖5所示。由圖5可知：（1）整體上，各組橋樁樁底豎向位移隨著盾構(gòu)推進(jìn)逐漸增大；（2）在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，北橋5軸2根橋樁樁底發(fā)生向上的豎向位移，其他各組橋樁樁底豎向位移均為沉降，盾構(gòu)施工完成后，最大向上位移1.54 mm（北橋5軸-2），最大沉降2.95 mm（南橋4軸 -1）；（3）在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，5軸橋樁豎向位移基本大于4軸橋樁豎向位移，其主要原因是后推進(jìn)的右線盾構(gòu)二次施工擾動(dòng)影響較大；（4）對(duì)于南橋橋樁，1、2號(hào)橋樁樁底豎向位移值均大于3、4號(hào)橋樁。

圖5 不同施工步下橋樁豎向位移隨施工步變化曲線

各橋樁樁底橫向和縱向水平位移隨施工步變化如圖6、圖7所示。

圖6 橋樁樁底橫向（X向）水平位移隨施工步變化曲線

圖7 橋樁樁底縱向（Z向）水平位移隨施工步變化曲線

由圖6可知，對(duì)于橋樁樁底橫向水平位移：（1）施工步1、2下，4軸各組橋樁樁底橫向水平位移基本是為負(fù)值，后續(xù)3個(gè)施工步，位移則變化為正值，且大小逐漸增大；（2）5軸各組橋樁樁底橫向水平位移基本是為負(fù)值，且位移值在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中逐漸增大；（3）盾構(gòu)施工完成后，最大橫向水平位移值為-2.78 mm，發(fā)生在南橋4軸-4位置。

由圖7可知，對(duì)于橋樁樁底縱向水平位移：（1）整體上，各組橋樁樁底豎向位移隨著盾構(gòu)推進(jìn)變化不大；（2）在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，北橋4軸-2、北橋5軸-2橋樁樁底縱向水平位移為正值，其他各組橋樁樁底縱向水平位移基本為負(fù)值，盾構(gòu)施工完成后，樁底最大縱向水平位移值為1.49 mm（北橋4軸-2）；（3）對(duì)于南橋橋樁，1、2號(hào)橋樁樁底縱向水平位移值均大于3、4號(hào)橋樁。

5.4.2 橋梁沉降及差異沉降

以承臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)不同施工步下橋梁豎向位移及差異沉降進(jìn)行詳細(xì)分析，不同施工步下承臺(tái)豎向位移結(jié)果列于表3中，不同施工步下承臺(tái)差異沉降結(jié)果列于表4中。

由表3、4可知：（1）5個(gè)施工步下，承臺(tái)豎向位移和差異沉降最大值分別為-3.056 mm和1.617 mm，滿足橋梁變形控制標(biāo)準(zhǔn)；（2）南橋4軸承臺(tái)豎向位移差異沉降相對(duì)于其他北橋4軸、北橋5軸和南橋5軸承臺(tái)差異沉降要大，該結(jié)構(gòu)是橋梁位移控制的關(guān)鍵位置；（3）南橋4軸承臺(tái)差異沉降隨盾構(gòu)推進(jìn)逐漸增大，其他3軸承臺(tái)差異沉降基本呈“先增大，后減小”的特征。

表3_不同施工步下承臺(tái)豎向位移結(jié)果_mm

_表4_不同施工步下承臺(tái)差異_沉降結(jié)果_mm

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）北京地鐵16號(hào)線木樨地站～達(dá)官營(yíng)站區(qū)間下穿木樨地橋，環(huán)境因素復(fù)雜，穿越風(fēng)險(xiǎn)大，除盾構(gòu)施工控制上需要注意外，洞外隔離保護(hù)措施同樣重要。

（2）盾構(gòu)穿越過(guò)程中，橋梁結(jié)構(gòu)豎向位移、水平位移及差異沉降均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，且距離最大允許位移值尚有一定的余量，表明穿越工程處于安全狀態(tài)。

（3）橋樁樁底豎向位移和承臺(tái)差異沉降結(jié)果顯示，南橋4軸位置橋梁位移大于其他3軸，南橋4軸處結(jié)構(gòu)是穿越過(guò)程中橋梁位移控制的關(guān)鍵位置。

（4）盾構(gòu)施工過(guò)程中，需加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，確保橋梁安全。