盾構隧道側穿既有橋梁工程技術研究

周 炳 銳

(內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古 包頭 014000)

0 引言

隨著經濟技術的進一步發展，城市發展也進入了快速階段，人口流入增加，對城市交通基礎設施的要求也隨之提高。為實現交通基礎設施對城市建設的引導，有效解決城市交通擁堵，地鐵越來越多的出現在城市的建設規劃中。地鐵建設數量的增多使地鐵隧道側穿既有橋梁工程成為重要技術研究，因為一旦隧道側穿既有橋梁出現嚴重變形，就會影響橋梁的后續使用及地鐵的建設，因此在地鐵隧道側穿既有橋梁施工時，保證橋梁變形合理，保證橋梁的穩定及安全。本文以呼和浩特2號線某標段工程為例，對地鐵盾構隧道側穿既有橋梁工程技術展開研究。

1 工程實例

本工程盾構區間長度為799.785 m，區間平面以直線為主，左、右線局部有R=2 000曲線1處，R=700曲線1處，R=370曲線1處，區間線間距10 m～12 m。盾構區間穿越的地層主要為細砂、礫砂、圓礫層，覆土為10.4 m，在600 m處側穿某橋橋樁，該橋橋樁長18 m，隧道與橋樁水平最小凈距6.3 m。根據GB 50652—2011城市軌道交通地下工程建設風險管理規范將工程風險等級分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ四個級別，本工程風險級別為Ⅳ級。風險分級矩陣如表1所示。

表1 風險等級標準

工程會通過采取多種措施控制風險。在盾構機方面，會根據地區地質特點選擇合適的刀盤，并及時調整盾構掘進的速度、姿態等參數；在外部土體方面，會根據監測隧道周圍土體的情況，對隧道周圍土體進行及時加固，如注漿等方法。

建(構)筑物變形限制及控制標準參照如GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范、GB 50911—2013城市軌道交通工程監測技術規范、JGJ 94—2008建筑樁基技術規范等相關規范中關于建(構)筑物地基變形容許值的相關規定。對于框架結構，建筑物相鄰柱基沉降差允許值為0.002H；對于磚混等砌體結構房屋，傾斜率不得大于0.002(基礎傾斜方向兩點的沉降差與其距離的比值)；多層及高層建筑物整體傾斜不得超過0.002(Hg>100)。樁基間不均勻沉降不應大于0.002L(L為相鄰柱二測點間的距離)。

2 數值模擬分析

根據工程采用的控制風險措施，本文利用有限元軟件Midas-GTS NX對本工程進行數值模擬分析。

2.1 數值模型計算范圍

模型采用有限元計算軟件Midas-GTS NX建立二維有限元模型進行分析，為減小模型邊界對計算結果的影響，讓計算結果更接近實際工程，因此模型的范圍為：X方向(即垂直于隧道方向)結構外緣兩側各約3D，Y方向(豎直方向)結構覆土根據實際情況取值，結構底部以下建模范圍取3D，地應力場按自重應力場分析。

2.2 計算假定

在建模過程中，對部分條件進行了優化假設，考慮了以下基本假定：

1)盾構管片、樁采用梁單元模擬，地層、注漿層采用平面應變單元，土體的本構模型采用Mohr-Coulomb本構；2)各土層力學參數依據某勘察單位提供的地質勘察報告為準，具體見表2；3)通過采用施工步序來模擬隧道開挖的整個過程，考慮施工過程中空間位移的變化，未考慮時間對施工工程的影響。

表2 各層土的物理力學特性

2.3 模型建立

模型計算采用MIDAS-GTS NX有限元計算軟件，地應力場按自重應力場考慮。模型邊界條件采用位移邊界，其中土體模型的頂面為自由邊界，底面為固定約束，四周為法向約束。具體建立的數值模型如圖1,圖2所示。

2.4 模型單元

盾構管片、樁采用梁單元模擬，地層、注漿層采用平面應變單元，計算采用區間側穿橋樁最近的鉆孔資料。

2.5 施工過程模擬

1)初始地應力平衡。

在地下結構物或隧道開挖之前，土體都有一個原始應力狀態，因此首先要建立初始自重應力場。本文的初始自重應力場是指橋樁及周圍土體在自重作用下產生的應力狀態。模型中第一階段為土體開挖的初始階段，計算出土體在自重的作用下的位移場和應力場，通過Midas-GTS的位移清零功能消除已經完成的沉降位移，并構造初始應力場。

2)盾構開挖模擬。

模擬施工步序：第一步：開挖左線隧道土體；第二步：施加左線外圍管片；第三步：按上述步驟進行右線隧道開挖。

2.6 計算結果分析

周圍土體及建筑的位移變化能夠反映出隧道開挖工程控制措施是否有效，因此本文經分析，盾構側穿某橋橋樁位移云圖及地表位移云圖如圖3～圖5所示。

由圖3～圖5可知：在隧道開挖完成后，樁體頂部與底部豎向位移均為0.3 mm，樁體沒有產生不均勻沉降，位移處于合理的范圍內；樁體頂部水平位移為0.3 mm，底部水平位移為0.4 mm，底部位移比頂部稍大一些，這可能由于底部樁體距離盾構隧道更近一些，對底層土體擾動更大一些。另外，隧道開挖完成后，隧道上方土體沉降位移為8.5 mm，符合控制標準，說明采取的控制風險措施是可行的。

2.7 結論

隧道開挖完成，場地地表最大沉降為8.5 mm。以上各項指標均小于相應的控制標準。因此，可以得出以下結論：

1)采用盾構法開挖合理有效。

2)地鐵區間與橋樁凈距合理，地鐵區間開挖對其影響在控制范圍以內。

3)采用數值方法難以完全展示出盾構隧道施工的全過程，在施工工序、盾構掘進的速度、注漿的時間及位置等細節還無法在模擬中反映，因此在實際工程中應該把握好施工工程，減少工序上的誤差，增強控制風險措施，加強監測點的觀測，減少盾構隧道開挖對橋樁的影響。