盾構隧道近距離下穿城市立交橋施工安全性分析

吳穎寧

(中鐵十八局集團有限公司 天津 300222)

1 前言

隨著我國城市軌道交通建設事業快速發展，軌道交通建設速度明顯加快。地鐵隧道不可避免地靠近市政結構，地鐵隧道穿越城市橋梁就是其中的典型案例。

數值分析計算在分析盾構隧道下穿橋梁中發揮了關鍵作用。楊貴永等[1]、徐慧宇等[2]對隧道近距離下穿佛開高速橋施工進行了有限元分析；房師濤[3]通過數值計算方法分析了由于盾構掘進造成的地表沉降、周圍土體的變形及鐵路橋墩等的沉降變化規律，通過與相關規范對比對上部鐵路橋梁的安全性進行評價，并提出了安全預防手段；王國富等[4－5]通過對隔離墻結構、帶框架結構與攪拌樁結構進行數值模擬，對比了三種主動預支護技術與直、曲、彎三種線條下隔離樁布局形式之間的異同點；楊麗明[6]將橋梁簡化為一根簡支梁，分析了隧道下穿橋梁時產生的影響。

在施工安全控制或位移、應力監測方面國內學者做出了諸多貢獻。沙原亭[7]通過某在建地鐵的工程實例，結合土壓平衡式盾構開挖下穿橋梁樁基工程，總結出針對盾構隧道下穿橋梁的監測方法與施工技術；李旺旺等[8]根據現場監測結果，對盾構下穿橋梁引起的沉降變形進行細致分析；苗峰等[9]根據監測結果對由盾構施工引起的地面沉降及盾構施工對高架橋造成的影響進行研究；舒暢[10]、郭波等[11]對盾構隧道近距離下穿高鐵或高速橋梁時產生的影響進行分析并對其安全性進行評估。此外，還有一些學者結合數值分析與勘測數據同步研究[12]。

綜上所述，目前有關盾構隧道下穿橋梁承載和變形問題國內外學者均做了大量研究，然而盾構隧道近距離下穿城市立交橋，施工過程中難免會對橋梁樁基造成一定的影響，進而影響到橋梁上部結構的變形。本文根據廣州市軌道交通22號線番禺廣場站－祈福站區間下穿機電山莊立交橋區段工程地質情況，考慮隧道開挖對其周圍平衡力系的作用與影響，對機電山莊立交橋靜力影響進行分析，同時應用動力學數值模擬方法對典型物理量進行分析總結，據此分析爆破對該區段的影響。

2 工程概況

廣州市軌道交通22號線起始于番禺區番禺廣場，終止于荔灣區白鵝潭，線路全長30.6 km，均為地下線。設站8座，其中換乘站4座，平均站間距4.2 km，最大站間距7.2 km，為祈福至廣州南站區間；最小站間距2.1 km，為西三至東沙工業園區間。在番禺廣場站預留遠景南延條件，初期萬頃沙至番禺廣場段與18號線共線。全線設置停車場一座，為陳頭崗停車場，位于石壁村北側。本次以22號線工程番禺廣場站－祈福站區間下穿機電山莊立交橋為研究背景，進行盾構隧道近距離下穿城市立交橋影響性分析。22號線左右凈距為7.6 m，下穿機電山莊立交橋橋樁，隧道頂板與樁基的豎向最小凈距約為8 m，橫向最小凈距約為3.4 m。

3 模型構建與結果分析

根據廣州市軌道交通22號線番禺廣場站－祈福站區間下穿機電山莊立交橋區段工程地質情況，考慮隧道開挖對其周圍平衡力系的作用與影響，將模型尺寸定為(200×70×55)m。22號線番禺廣場站－祈福站區間下穿機電山莊立交橋區段主要地層從上至下分別為砂質黏性土層、全風化混合花崗巖層、強風化混合花崗巖層、中風化混合花崗巖層、微風化混合花崗巖層，層厚分別為15 m、8 m、6 m、10 m、16 m。綜合考慮以上因素，運用MIDAS GTSNX建立有限元模型，見圖1。其相對位置關系依據實際空間位置關系建立，隧道與立交橋呈73°斜向下穿，同時建立橋下方人行通道以及天然基礎模型，使得總體模型與實際工況更趨于一致。

該區段施工為暗挖盾構空推，開挖采用全斷面形式，管片寬度1.6 m。本模型模擬的荷載主要有自重、注漿壓力、爆破荷載、車輛荷載、人群荷載。其中，注漿壓力作用于盾構隧道管片上；爆破荷載作用于開挖面上；車輛荷載作用于立交橋上；人群荷載作用于人行通道上。模型邊界條件:模型底部采用固定約束，模型四周采用法向約束。模型網格劃分從隧道部分向外部土體進行，橋梁及隧道部分構件網格尺寸采用2 m，地層網格尺寸采用3 m。

3.1 靜力影響模擬分析

3.1.1 本構關系

根據工程實際情況，考慮材料的具體屬性以及參數選取合適的本構關系非常重要，只有本構關系選取得當，計算結果才能更接近實際。本工程實例中，橋梁及隧道結構采用彈性本構，地層采用摩爾－庫倫本構。

(1)彈性本構

彈性本構是對土做最簡單的簡化，假定土為完全彈性，也是塑性本構的基礎。彈性本構關系中最基本的為線彈性關系，即在荷載作用下，應力與應變呈線性變換，取消荷載作用后，無應變殘余。線彈性本構關系可表示為廣義胡克定律:

(2)M-C本構

M-C模型適合計算單調增大載荷下的土體的力學性能。M-C準則也是土力學中常用到的破壞準則。假定作用在某一點的剪應力等于該點的抗剪強度時發生破壞，剪切強度與作用在該面的正應力呈線性關系，土體破壞的極限是破壞線與應力圓相切，可表示為:

式中，τ為剪切強度；σ為正應力；c為土的黏聚力；φ為土的內摩擦角。

M-C準則計算簡便，而且使用簡單，只需確定黏聚力與內摩擦角即可，而這兩個參數可通過試驗獲得。因此無論是在理論研究還是在工程實踐中都獲得廣泛應用。

3.1.2 機電山莊立交橋安全性影響分析

機電山莊立交橋在施工完成后橋面沉降見圖2。由圖2可知，施工結束后，立交橋橋面沉降值較小，由此推斷隧道施工對橋面影響不大；隨施工進行，橋面變形略微增大，最大沉降值達4.11 mm。根據規范，城市橋梁指標控制值為15 mm，人行天橋控制值為30 mm，滿足安全性需求。

圖2 施工完成后立交橋橋面沉降云圖

主要工序施工完成后機電山莊立交橋承臺及橋墩沉降云圖見圖3。

圖3 施工完成后立交橋橋墩及承臺沉降云圖

從結果可以看出，立交橋的橋墩、承臺沉降均較小，最大2.28 mm，遠低于橋梁墩臺允許沉降值15 mm。縱向相鄰橋梁墩臺差異沉降控制值為2 mm，最大差異沉降值為1.549 mm。

3.2 爆破荷載模擬結果分析

為進一步明確22號線隧道暗挖施工過程中，其對機電山莊立交橋的影響程度，本文在前述分析基礎上，應用動力學數值模擬方法對典型物理量進行分析總結，據此分析爆破對該區段的影響。

在數值模擬分析中，需確定合理的爆破荷載參數，如加載波形、峰值應力、作用位置及方向、荷載加卸載時問、振動總時間及加載邊界等，對計算結果具有重要影響，是有限元爆破振動分析的一項關鍵工作。一般地，將爆破荷載簡化為一條具有加載和卸載過程的平滑曲線或三角形波，以壓力形式將爆破荷載垂直作用于炮眼或隧道周壁上。

(1)爆破模擬加載位置

爆破模擬采用最不利位置原則，爆破荷載加載于立交橋正下方位置并且模擬左右線的爆破各一次。荷載時程曲線見圖4。

圖4 爆破荷載時程曲線

(2)機電山莊立交橋動力響應分析

繪制橋面振速最大節點振速時程，見圖5。節點的振速時程在約0.05 s時達到峰值，峰值振速為0.146 m/s，0.3 s之后振速逐漸降為0；z方向的振速遠高于其他方向的振速。總體來看，在本工程專項施工方案指導下，隧道爆破對機電山莊立交橋的影響非常有限，橋身的動力響應均處于安全范圍內。

圖5 橋面振速最大節點振速時程曲線

4 結論

本文對新建22號線左右線隧道開挖對機電山莊立交橋的影響進行數值分析，基于研究內容得出以下結論:

(1)數值模擬結果表明，22號線左右線隧道的開挖對機電山莊立交橋影響較小，橋梁各結構位移均未達到控制值。其中橋面沉降位移最大值為4.1 mm，水平位移更小；橋墩和承臺沉降則小于沉降控制值15 mm，同時滿足相鄰墩臺的差異沉降控制值2 mm；樁基在隧道施工過程中最大沉降值為2.43 mm，均滿足安全性要求。

(2)通過Midas GTS建立新建22線隧道爆破施工數值模型，分析其對機電山莊立交橋的影響。結果表明，在采用專項方案施工前提下，22號線左右線隧道爆破施工對機電山莊立交橋的橋板、橋墩、樁基的安全性影響相對較小，處于安全可控范圍。