新建TBM隧道對既有立交橋和暗渠的影響分析

劉 嘉

（青島市地鐵一號線有限公司，山東 青島 266021）

數值計算方法是分析TBM隧道下穿橋梁和暗渠力學機理一個重要手段。周群立等[1]以合肥地鐵盾構區間下穿五里墩立交橋為工程背景，提出了適合該工程盾構施工時的地層損失率控制指標、橋梁基礎差異沉降控制指標；奚正平[2]運用實際下穿工程案例，證明了可以采取一定的加固措施來控制下穿構筑物而造成的沉降；徐占軍[3]、薛暉等[4]對區間隧道下穿高速橋進行了有限元分析。

1 工程概況

1.1 線路設計概況

青島地鐵1號線海小區間左線TBM施工段長度828.751m（里程：ZSK39+574.474～ZSK39+751.474、ZSK39+870.607～ZSK40+522.358），右線658m（里程：YSK39+864.358～YSK40+522.358），從海泊橋沿人民路向北至穿過南寧路、撫順路，下穿人民路立交橋，進入小村莊車站。區間平面線路為直線段，線間距為14～16m，覆土厚度為20～29m，線路最大坡度為25‰；區間在K40+140.000處設置1座聯絡通道兼泵房。

1.2 地質概況

TBM主要穿越微風化花崗巖，隧道埋深為26～29m，微風化花崗巖覆蓋厚度為8～16m，首段掘進177m，其中第70～136m為Ⅲ2級圍巖，其余為Ⅳ1級圍巖。

2 數值計算模擬

2.1 模型的建立

根據相關工程經驗和理論，考慮模型尺寸效應。模型中開挖隧道邊緣到整個模型左、右邊界距離應取3D～5D（D為開挖隧道直徑），這樣其邊界處認為不受隧道開挖影響。否則，模型尺寸過小會使計算結果不準確[5]。模型中盾構隧道直徑取6m，管片厚度取0.3m，盾構管片長1.5m，模型的幾何尺寸為90m×50m×50m。相應的計算模型如圖1所示。

2.2 模型參數的選擇

對于模型土層，機構采用各向同性摩爾-庫倫彈塑性模型，本構模型采用的是彈性模型。模型中管片、土層、橋梁、管片注漿為實體單元。在建立盾殼、暗渠管道模塊時，為使模型結構耦合便于計算，采用板單元進行模擬[6-10]。根據現場地質勘查和數值模擬經驗，選取的模型參數如表1所示。

圖1 模型及地層劃分

表1 模型巖土介質力學參數表

2.3 模擬方法

在數值模擬中，TBM采用分段掘進開挖，并且左線先行開挖，左線開挖結束后進行右線開挖。模擬施工過程以2個管片3m為一個施工步驟，先進行左線開挖后進行右線開挖。左右線一共是36個施工步驟，每個施工步驟是一個循環開挖的過程；并且施加不同的掘進壓 力（120kN/m2、240kN/m2、360kN/m2、480kN/m2和600kN/m2）以進行敏感性分析[11]。

3 可靠性分析

將工程實際監控數據和數值模擬數據進行對比分析，如圖2所示。由圖2可知，實際監控數據和數值模擬計算數據變化趨勢一致，沉降值差別不大，沉降曲線均是一個沉降槽。但因為在實際工程中會有各種偶然因素對沉降數值造成影響，所以現場實際沉降均比模擬數值沉降要大，不過均在安全允許值范圍內，誤差值最大為10.7%。由此說明，用數值模擬的方法進行TBM下穿構筑物的分析計算是合理的。

圖2 模擬和實際地表沉降數據對比圖

4 橋臺豎向位移分析

橋臺和橋墩的三維豎向位移云圖如圖3所示；橋板豎向位移隨著橋臺位置的變化曲線如圖4所示。

圖3 橋梁三維豎向位移云圖

從圖3可以看出，橋梁的橋臺豎向位移曲線大致呈W形，并且位移數值都比較小，方向都是向下。橋臺出現的最大位移值出現在中間橋墩偏右位置處，為3.49mm；最小值豎向則出現在橋梁最左側附件，為1.03mm，最大值比最小值大238.8%。從位移云圖可以看出，橋臺后端的豎向位移大于前段位移，分析可能是因為TBM隧道開挖方向是從橋梁后端指向前端的方向，后端先行開挖后，隧道周圍圍巖會發生擾動并發生應力重分布，繼續往前進行開挖會持續對后端圍巖造成擾動，并且后端圍巖因為沉降不徹底還會發生隨時間的持續性沉降，進而造成橋臺后端豎向位移大于前端。因此，在實際施工中應格外注意橋臺緊挨隧道施工一側的位移監測，防止安全隱患的發生。

圖4 橋板豎向位移曲線圖

從圖4可以看出，不同掘進壓力下橋板累計豎向位移是不同的，但變化曲線的趨勢相同，大致于30m位置處呈對稱軸分部，呈W形。隨著距離橋板最邊緣距離的增加，豎向位移先增大后減小，最后到對稱軸處一直增加。基于不同的掘進壓力可以明顯看出，隨著掘進壓力的增大，橋板累計豎向位移減小。掘進壓力為120kN/m2、240kN/m2、360kN/m2、480kN/m2和600kN/m2時的最大沉降量分別為3.53mm、3.49mm、3.39mm、3.32mm、3.25mm，減少速率依次為1.14%、2.95%、2.11%、2.15%，減少速率先增大后減小。綜合考慮240kN/m2作為掘進壓力開挖隧道，是性價比最高的選擇方案。

5 暗渠沉降分析

暗渠的三維豎向位移云圖如圖5所示；暗渠豎向位移隨著暗渠位置的變化曲線如圖6所示。

圖5 暗渠三維豎向位移云圖

從圖5可以看出，暗渠靠近隧道的一端的豎向位移值比較大，并且位移云圖大致呈階梯狀分布，在靠近暗渠最邊緣距離25m附近豎向位移值最大，為3.35mm，符合規范要求。

從圖6可以看出，暗渠累計豎向位移都是隨著距離暗渠最邊緣距離的增加先減小后增大，在不同掘進壓力下的曲線圖的趨勢也都一樣，并且在25m處附近豎向位移值最大。因為暗渠左端處是靠近隧道開挖段，所以左端相對于右端豎向位移變化明顯，影響也更嚴重。隨著掘進壓力的增大，暗渠豎向位移都是逐漸減小：掘進壓 力 為120kN/m2、240kN/m2、360kN/m2、480kN/m2、600kN/m2時的最大沉降量分別為3.42mm、3.25mm、3.09mm、2.93mm、2.76mm，減少速率依次為5.23%、5.18%、5.46%、6.16%，速率先減小后增大。在實際工程中遇到TBM地鐵隧道下穿暗渠的工程，應該根據經濟效益盡可能地增大掘進壓力來減少TBM隧道開挖對暗渠的影響。

6 結論

文章以青島地鐵1號線海小區間為背景，運用數值模擬方法進行隧道開挖并分析既有立交橋和暗渠的力學機理，得出以下結論：

（1）TBM地鐵隧道開挖對既有立交橋的影響主要體現在TBM隧道開挖會對先行開挖的部分持續造成擾動，并且先開挖部分圍巖因為沉降不徹底還會發生隨時間的持續性沉降，進而造成橋臺先開挖部分豎向位移大于后開挖部分。對于不同的掘進壓力，隨著掘進壓力的增大，立交橋橋板累計豎向位移減小，但是不同掘進壓力的豎向位移變化曲線趨勢是一致的。

（2）暗渠靠近隧道的一端的豎向位移值比較大，并且位移云圖大致是呈階梯狀分布，在靠近暗渠最邊緣距離25m附近豎向位移值最大。對于不同的掘進壓力，掘進壓力越大，豎向位移越小，變化趨勢也一致。