盾構區間下穿鐵路框構橋有限元計算與應力分析

趙 瑾

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

地鐵建設對周邊環境的安全性影響與建(構)筑物保護之間的矛盾已日益突顯，有必要在施工前對既有建(構)筑物的受力情況進行模擬計算，提前發現問題。以沈陽地鐵9號線盾構區間下穿公鐵框構橋為例，進行相應的分析。

1 工程概況

沈陽地鐵9號線皇姑屯站至北一路站區間為雙線盾構隧道，區間全長右807.050延長米。區間線路線間距最大為15.09m，最小為14m，在區間隧道結構底最大埋深25.96m(覆土厚度19.96m)，最小埋深15.71m(覆土厚度9.71m)。隧道內經5.4m，外徑6.0m。管片材料為300mm厚的C50鋼筋混凝土預制管片。

興華街公鐵地道橋為2-15.5m鋼筋混凝土框架結構，其中1號橋橋長51.7m，寬20.8m，高9.1m，2號橋橋長83.4m，寬20.8m，高7.73m，結構尺寸均為頂板0.8m,側墻1.1m,底板1.1m。區間正線與興華街公鐵地道橋1、2號橋分別在DK3+325.54、DK3+224.36處相交，橋基底距隧道頂最小埋深6.9m。框構橋下穿秦沈上下行、沈山上下行，動車組4條停車線及皇姑車輛車廠線11條線路。框構橋與隧道的位置關系如圖1所示。

2 工程地質與水文地質概況

2.1 地形、地貌

地形變化平緩，地面標高介于42.78～44.42m之間。地貌類型為渾河高漫灘及古河道。

①填土：主要由黏性土、碎石及砂類土組成，局部含少量建筑垃圾、生活垃圾(個別地段為垃圾填埋場)，馬路地段表層為瀝青路面，瀝青路面下為碎石墊層，稍濕，松散。

③-5-2細砂：灰褐色，局部黃褐色，石英-長石質，次棱角形，均粒結構，顆粒級配差，含約15%黏性土，濕，稍密。

③-6-3中砂：黃褐色，石英-長石質，次棱角形，均粒結構，顆粒級配差，含約10%黏性土，局部為粗砂夾層，濕，稍密～中密。

③-8-3礫砂：黃褐色，石英-長石質，棱角形，混粒結構，顆粒級配較好，含約20%黏性土，局部為圓礫薄層，濕，水下飽和，稍密～中密，局部密實。

④-1-33粉質黏土：灰褐色，含鐵錳質結核，稍有光澤，干強度中等，韌性中等，搖震反應無，可塑～硬塑。

④-7-4粗砂：黃褐色，石英-長石質，次棱角形，均粒結構，顆粒級配差，含少量黏性土，濕，水下飽和，中密～密實。

④-9-4圓礫：主要由結晶巖組成，顆粒呈微風化狀，亞圓形，混粒結構，堅硬，顆粒級配較好，一般粒徑2～20mm，約占總質量的70%，最大粒徑100mm，充填約20%的混粒砂和黏性土，局部為卵石層，中密～密實。

⑤-9-4圓礫：主要由結晶巖組成，顆粒呈微風化狀，亞圓形，混粒結構，堅硬，顆粒級配較好，一般粒徑2～20mm，約占總質量的70%，最大粒徑100mm，充填約20%的混粒砂和黏性土，局部為卵石層，中密～密實。

2.2 水文地質

本區間位于沖洪積扇尾部，沉積的地層顆粒不均，局部沉積有黏性土層，分布不連續。因此區間沿線路僅存在一層地下水，賦存于圓礫、礫砂等強透水層中，按埋藏條件劃分，屬第四系孔隙潛水。局部地段存在由地下管道、工業及生活用水入滲形成的上層滯水。地下水類型為孔隙潛水，穩定水位埋深在11.8～13.0m。地下水水溫10～12℃。地下水主要補給來源為渾河側向補給及大氣降水垂直入滲補給。主要排泄方式為徑流排泄和地下水的人工開采。地下水總體上沿含水層向下游徑流運移，即地下水流向總的方向是由東向西。但由于受人工開采地下水的影響，局部地下水流向會有所變化。

3 計算模型

采用三維有限元對盾構施工進行了模擬,采用的軟件為大型有限元通用軟件Midas-GTS。數值計算模型范圍：模型長度為93.6m，寬度為68.4m，高度為50.8m；模型約束：前、后及左、右面邊界均采用水平約束，底邊界受豎向約束，頂面為自由面；計算模型共劃分40438個單元，40561個節點。土層、既有框構橋均采用實體單元，不同的土層采用不同的材料參數模型，土體采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型，既有框構橋結構采用彈性本構模型。計算恒荷載考慮自重、軌道荷載、公路路面鋪裝；計算活荷載考慮列車荷載(滿載)、汽車荷載。分析模型如圖2所示：

4 計算參數

由于地層變化的原因。相近土體進行合并，并取多個鉆孔土層參數資料進行加權平均。土層主要是細砂、中砂、礫砂、粉質黏土、圓礫及粗紗。具體計算參數如表1、表2、表3所示。

5 計算分析

在原始地層條件下，模擬盾構施工過程框構橋橋體受力分析。

(1)盾構機未臨近框構橋時，框構橋主應力分布情況如圖3、圖4。

(2)左線下穿橋體(盾構刀盤到達橋體端部)后，框構橋主應力分布情況如圖5、圖6。

表1 地基土變形參數、粘聚力及內摩擦角推薦值表

表2 基床系數、靜止側壓力系數及泊松比一覽表

表3 不同距離爆破所允許的最大同時起爆藥量

(3)左線盾構刀盤離開橋體18環(21.6m)后，框構橋主應力分布情況如圖7、圖8。

(4)右線下穿橋體(盾構刀盤到達橋體端部)后，框構橋主應力分布情況如圖9、圖10。

(5)右線盾構刀盤離開橋體18環(21.6m)后，框構橋主應力分布情況如圖11、圖12。

6 結語

在原始地層條件下，進行盾構施工。從盾構施工各階段框構橋主應力分布云圖可以看出，左線下穿橋體(盾構刀盤到達橋體端部)后，既有框構橋最大拉應力由1.43MPa減小至1.41MPa，最大壓應力由3.1MPa減小至3.09MPa；左線盾構刀盤離開橋體18環(21.6m)后，框構橋最大拉應力和最大壓應力分別變為1.42MPa和3.09MPa，表明橋體受力狀態變化均較小；右線下穿橋體(盾構刀盤到達橋體端部)后，框構橋最大拉應力由1.42MPa下降至1.16MPa，最大壓應力由3.09MPa下降至2.74MPa，右線盾構刀盤離開橋體18環(21.6m)后，框構橋最大拉應力和最大壓應力分別變為1.15MPa和2.64MPa，對既有橋內力影響反而減少。根據以上分析數據，盾構區間左右線分別下穿既有框構橋引起應力變化較小，從受力分析來看無需對框構橋下地層進行加固。