盾構(gòu)近距穿越施工影響下地鐵橋梁變形控制

武潤(rùn)利

（北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京100068）

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展和城市空間的利用，相繼出現(xiàn)了新建隧道近距離下穿既有橋梁的情況[1]。城市存在包括市政、公路橋梁與鐵路、地鐵橋梁在內(nèi)的大量橋梁。隧道施工下穿橋梁，會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生一定影響，如果不加以預(yù)防控制，則可能影響列車(chē)正常行駛和旅客乘坐舒適性，軌道沉降過(guò)大，則甚至?xí)＜暗叫熊?chē)安全[2]。

一些學(xué)者開(kāi)展了一定的盾構(gòu)隧道鄰近高鐵樁基施工的研究工作：文獻(xiàn)[3]通過(guò)數(shù)值模擬與離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證并分析了數(shù)值模擬研究盾構(gòu)鄰近隧道施工對(duì)橋梁臨近樁基的影響是可靠的；文獻(xiàn)[4]以采用兩階段分析法為基礎(chǔ)，對(duì)分析了盾構(gòu)隧道施工中橋梁樁基力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[5]采用正交試驗(yàn)的方法，研究了盾構(gòu)鄰近掘進(jìn)施工對(duì)橋梁臨近樁基沉降的影響因素，并按照樁基鄰近度方法對(duì)樁基分類(lèi)；文獻(xiàn)[6]通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),，研究對(duì)了隧道側(cè)穿橋梁樁基過(guò)程中隧道與樁相互作用進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]在蘇州某地鐵盾構(gòu)下穿滬寧城際鐵路施工時(shí)，結(jié)合原加固措施，采用析樁組合結(jié)構(gòu)的形式對(duì)地基進(jìn)行加固，并分析了不同應(yīng)力釋放率下盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律。

目前，針對(duì)北京地層環(huán)境條件下盾構(gòu)穿越既有地鐵高架區(qū)間橋梁的工程經(jīng)驗(yàn)較少，開(kāi)展此類(lèi)工程的盾構(gòu)施工影響規(guī)律的研究對(duì)保證既有地鐵正常運(yùn)營(yíng)具有較大的工程意義。

為此，本文以北京市南水北調(diào)東干渠盾構(gòu)隧道穿越地鐵5號(hào)線高架橋工程為背景，使用ANSYS 有限元分析軟件，模擬盾構(gòu)施工穿越既有橋梁的過(guò)程，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析施工影響下橋梁的變形規(guī)律，分析有隔離措施等不同工況下橋梁變形規(guī)律，以期為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

新建東干渠工程隧洞為外徑6m、內(nèi)徑4.6m 的圓形暗涵，一次襯砌為C50 預(yù)制管片(幅寬1.2m，厚0.3m)，二次襯砌為C35模筑鋼筋混凝土(厚0.4m)。施工采用小松Φ6340 加泥式土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，主機(jī)全長(zhǎng)11.4m，盾殼厚70mm，盾尾間隙30mm，刀盤(pán)開(kāi)口率40%，刀盤(pán)直徑6.37m。盾構(gòu)由東向西沿著北五環(huán)南從兩樁之間側(cè)穿越地鐵橋梁，下穿工程平面圖和剖面圖如圖1、圖2 所示。

圖1 東干渠穿越5 號(hào)線平面圖

圖2 東干渠穿越5 號(hào)線剖面圖

既有地鐵5 號(hào)線北苑路北站～大屯路東站區(qū)間線路為18.25m 跨簡(jiǎn)支梁高架橋結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為4 樁承臺(tái)基礎(chǔ)，樁徑1m，樁間距3.2m。隧道埋深18.1m，距既有橋樁最近距離3.8m。穿越工程處于清河沖洪積平原，地形較為平坦，地基土自上而下依次為粉土③1，粉質(zhì)黏土③，細(xì)中砂④，細(xì)中砂⑥。

2 數(shù)值分析模型的建立

采用ANSYS 建立土體范圍為縱向90m、豎向40m、橫向72m 的模型，選取三跨簡(jiǎn)支梁，將橋墩和梁進(jìn)行編號(hào)。橋梁與隧道位置關(guān)系如圖3 所示。

圖3 盾構(gòu)橋梁位置關(guān)系示意圖

材料結(jié)構(gòu)及土體參數(shù)如表1 及表2 所示。

表1 材料結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 土體參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過(guò)模擬盾構(gòu)在相同地質(zhì)條件下進(jìn)行穿越，比對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)在有無(wú)隔離樁條件下的的變化規(guī)律。

3.1 盾構(gòu)施工對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響

3.1.1 不同工況盾構(gòu)施工時(shí)下部結(jié)構(gòu)沉降如圖4 所示。可得到以下結(jié)論：①在盾構(gòu)施工時(shí)，會(huì)對(duì)周?chē)馏w造成土體擾動(dòng)，土體是結(jié)構(gòu)物的媒介，因此隧道周?chē)馏w開(kāi)始向隧道方向移動(dòng)時(shí)，樁基受土體傳導(dǎo)也會(huì)向隧道方向產(chǎn)生變形，施工完成后下部結(jié)構(gòu)最大沉降約為2.22mm。②通過(guò)對(duì)比有隔離樁和無(wú)隔離樁工況，發(fā)現(xiàn)有隔離樁工況的下部結(jié)構(gòu)最大沉降要明顯小于無(wú)隔離樁工況，并且最大變形值較無(wú)隔離樁工況小1.27mm 說(shuō)明隔離樁能有效減小盾構(gòu)施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)物造成的影響。③通過(guò)對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中下部結(jié)構(gòu)變形增量和變形速率的分析，得出盾構(gòu)施工對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)影響最大的時(shí)刻是盾構(gòu)正下穿橋梁的時(shí)刻，當(dāng)完成穿越后沉降速率開(kāi)始降低，距離橋梁中線30m 左右時(shí)施工對(duì)下部結(jié)構(gòu)的影響已經(jīng)很小。

3.1.2 不同工況盾構(gòu)施工時(shí)下部結(jié)構(gòu)豎向沉降如圖5 所示。可得到以下結(jié)論：①盾構(gòu)施工對(duì)結(jié)構(gòu)橫向變形的影響沒(méi)有豎向沉降大，預(yù)計(jì)為0.547mm，但橫向變形對(duì)線路的安全運(yùn)營(yíng)同樣有重大意義，不能忽視。②盾構(gòu)施工使橋墩產(chǎn)生橫向變形，主要變形發(fā)生在靠近盾構(gòu)隧道的橋墩。③沉降速率呈先增加后降低，當(dāng)盾構(gòu)穿越既有橋梁時(shí)變形值和變形速率都明顯增加，穿越結(jié)束后降低，最后趨近于0。有隔離樁工況各階段變形值要比無(wú)隔離樁工況小0.455mm，說(shuō)明隔離樁能有效地限制土體和樁基的橫向變形。

圖4 下部結(jié)構(gòu)施工豎向沉降圖

圖5 下部結(jié)構(gòu)施工橫向變形圖

3.2 盾構(gòu)施工對(duì)軌道結(jié)構(gòu)沉降的影響

既有左右線軌道結(jié)在施工完成后的最大沉降值如圖 6 所示。

圖6 軌道沉降最大值對(duì)比

軌道測(cè)點(diǎn)沉降值如圖7、圖8 所示。

圖7 有隔離樁軌道各階段沉降

從圖7 中發(fā)現(xiàn)，各階段的變形趨勢(shì)大致形同，大變形發(fā)生在盾構(gòu)距離36m 和48m 處，在橋梁正下方穿越時(shí)，變形速率也顯示在距離橋梁中線越近速率越大，中心線處速率達(dá)到最大，通過(guò)后速率開(kāi)始降低，最后逐漸趨向于0，這時(shí)沉降也趨于穩(wěn)定，左右線沉降值也趨于接近。

無(wú)隔離樁各階段對(duì)比如圖8 所示。

圖8 無(wú)隔離樁軌道各階段沉降

從不同工況的左右線軌道的沉降數(shù)據(jù)和對(duì)比圖中可以得出以下結(jié)論：盾構(gòu)初始開(kāi)挖面靠近左線，因此，在施工過(guò)程中，左線軌道沉降先大于右線沉降，在施工結(jié)束時(shí)趨于接近。左右線軌道在施工過(guò)程中，最大沉降值隨開(kāi)挖推進(jìn)逐漸增大，沉降速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最終趨近于0。盾構(gòu)施工位于2、3號(hào)墩之間，主要對(duì)2、3 號(hào)墩產(chǎn)生影響，各階段的軌道最大沉降也發(fā)生在2、3 號(hào)墩的對(duì)應(yīng)位置，2 號(hào)梁產(chǎn)生了比較均勻的沉降，軌道最大沉降發(fā)生在對(duì)應(yīng)的3 號(hào)墩位置。從有隔離樁沉降與無(wú)隔離樁沉降數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有無(wú)隔離樁對(duì)軌道豎向沉降值有顯著影響，有隔離樁條件下軌道最大沉降要比無(wú)隔離樁沉降少1.2mm。

4 現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)及效果分析

4.1 監(jiān)測(cè)概況

在盾構(gòu)近距離下穿既有地鐵高架區(qū)間施工時(shí)，為了評(píng)價(jià)下穿過(guò)程中的掘進(jìn)參數(shù)和控制措施的合理性，同時(shí)準(zhǔn)確反應(yīng)盾構(gòu)施工對(duì)既有地鐵橋梁影響的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)信息化施工，保證地鐵運(yùn)行安全[6]。在既有橋梁梁體上布設(shè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖9 所示。

圖9 梁體沉降監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)接近高架區(qū)間時(shí)，軌道已經(jīng)發(fā)生隆起變形，最大變形為0.26mm，發(fā)生在2 號(hào)梁上，由于盾構(gòu)起始開(kāi)挖面距離左線較近，因此變形左線大于右線。之后，隨著盾構(gòu)不斷地接近橋梁，沉降和沉降速率逐步增大，最大沉降發(fā)生在軌道對(duì)應(yīng)3 號(hào)墩對(duì)應(yīng)位置。在盾構(gòu)施工至橋梁中線時(shí)，軌道沉降和沉降速率明顯增大，最大沉降發(fā)生在2 號(hào)梁上，由于盾構(gòu)隧道距離3 號(hào)墩略近，因此軌道沉降值在3 號(hào)墩位置處略大于2 號(hào)墩，最大沉降0.94mm。盾構(gòu)穿越橋梁中線后，左右線軌道繼續(xù)沉降，但沉降差開(kāi)始縮小，最大沉降1.09mm，發(fā)生在對(duì)應(yīng)的3 號(hào)墩處。在盾構(gòu)穿越過(guò)橋梁后，軌道沉降趨于穩(wěn)定，左右線沉降接近，最大沉降1.76mm，發(fā)生在對(duì)應(yīng)的2 號(hào)梁處。

圖10 為軌道最終沉降的沉降槽對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

圖10 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)沉降對(duì)比圖

5 結(jié)論

結(jié)合盾構(gòu)穿越既有地鐵橋?qū)嵗捎脭?shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，分析了受盾構(gòu)影響既有高架區(qū)間結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律，總結(jié)了若干沉降控制的經(jīng)驗(yàn)措施。得出如下結(jié)論：

5.1 盾構(gòu)開(kāi)挖離橋梁越近，變形值增長(zhǎng)速度加快，穿越后減慢，結(jié)束施工后趨于0；各軌在開(kāi)挖過(guò)程中最大沉降值隨開(kāi)挖推進(jìn)逐漸增大，沉降速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最終趨近于0。

5.2 有離樁模型與無(wú)隔離樁的變形趨勢(shì)基本相同，但沉降量不同，有隔離樁沉降量和變形量要小于無(wú)隔離樁模型，隔離樁能有效地減小由于盾構(gòu)穿越既有橋梁造成的沉降和變形。

5.3 在穿越施工時(shí)要嚴(yán)格控制技術(shù)參數(shù)，控制掘進(jìn)速度，盾構(gòu)的正面平衡土壓力，盾尾同步注漿和二次注漿，必須嚴(yán)格控制盾構(gòu)的掘進(jìn)姿態(tài)。采取隔離措施，橋梁加固等措施來(lái)進(jìn)行沉降控制。

5.4 數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相印證，證明數(shù)值模擬可以有效地反映盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵橋梁區(qū)間結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)及影響程度。