盾構(gòu)施工穿越橋涵安全影響分析方法

（青海省交控建設(shè)工程集團有限公司，青海 西寧 810001）

盾構(gòu)法，是指通過使用盾構(gòu)來開挖隧道、襯砌等作業(yè)的一種施工方法。因盾構(gòu)法具有多種優(yōu)勢，在城市隧道建設(shè)過程中被廣泛運用。盾構(gòu)法的優(yōu)勢包括：1.盾構(gòu)法屬于地下施工，所以不會對地面交通造成任何影響；2.因為在開挖隧道、襯砌施工作業(yè)過程中，盾構(gòu)起到較強的掩護作業(yè)，能夠有效保證施工的安全性；3.不會造成嚴(yán)重的聲環(huán)境污染；4.氣候條件并不會影響施工操作；5.不會對地下管線與地面建筑物造成較大影響。

在盾構(gòu)施工過程中，開挖面經(jīng)歷的時間、空間位置、所處地層隨著盾構(gòu)機的不斷推進而不斷發(fā)生變化，隨著開挖面的不斷變化，盾構(gòu)施工中出現(xiàn)的地層移動也會表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。根據(jù)時間的推移，地層移動大致可以劃分為3個不同變化階段，即施工階段沉降、后期固結(jié)、沉降穩(wěn)定。在以上3個階段中，沉降槽具有不同的特點。地層移動空間范圍隨著開挖面空間位置的不斷變化而變化，在盾構(gòu)施工穿越橋梁時，極易導(dǎo)致地表發(fā)生位移、圍巖發(fā)生變形，很可能影響橋梁的安全性。因此，開展盾構(gòu)施工對穿越橋梁安全影響分析方法研究是十分必要的。

筆者以高城山-晶圓220kV電纜線路工程（電纜段）盾構(gòu)區(qū)間在k1+700～k1+720處穿越橋涵為實例，研究盾構(gòu)施工對穿越橋梁的安全影響，及其分析方法。

一、工程實例

高城山-晶圓220kV電纜線路工程（電纜段）盾構(gòu)區(qū)間，該電纜為盾構(gòu)段（埋深7m～11m）。盾構(gòu)隧道段共設(shè)置3座盾構(gòu)井，盾構(gòu)始發(fā)井、盾構(gòu)過渡井及盾構(gòu)接收井各1座，區(qū)間總長約2300m。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為3.0m，襯砌管片外徑3500mm，管片內(nèi)徑3000mm，管片厚度250mm，環(huán)寬1000mm。盾構(gòu)管片頂部距路面距離8.154m。

二、有限元模型及計算參數(shù)

（一）有限元模型

在有限元分析中，常常選用位移法。從整體上看，大致包括3個不同的階段：第一，前處理階段，即對實體進行構(gòu)建，對網(wǎng)格進行合理劃分，對有限元幾何模型進行構(gòu)建；第二，計算分析階段，即對好的結(jié)構(gòu)進行分析，將具有使用價值的信息提供給使用者；同時根據(jù)分析結(jié)構(gòu)，對模型進行有效改進；第三，后處理階段，即根據(jù)建立的模型，對數(shù)據(jù)進行有效處理。

為有效模擬盾構(gòu)開挖的施工過程，在對有限元模型進行構(gòu)建之前，應(yīng)進行以下假設(shè)，第一，土體為彈塑性，相同巖層的土體都是各向同性材料；第二，地下水的影響很小，忽略不計；第三，選用剛性連接方式，有效連接不同管片；第四，管片寬度與盾構(gòu)每推進步長相同；第五，在僅對巖層土體自重應(yīng)力進行考慮的條件下，計算初始地應(yīng)力；第六，假設(shè)土體沉降受到地下水的影響，且對時間作用予以忽略；第七，盾構(gòu)機刀盤受到的土壓力與其計算結(jié)果一致；第八，盾構(gòu)機殼內(nèi)外0.2m為注漿土體的影響范圍。三維有限元模型如圖1所示。

圖1 三維有限元模型

（二）計算參數(shù)

橋涵結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)襯砌管片結(jié)構(gòu)均采用彈性本構(gòu)模型。構(gòu)筑物的自重是通過結(jié)構(gòu)重度與三維體積乘積所得，由于在MIDAS中無法對結(jié)構(gòu)細(xì)部進行建模，所以對特殊混凝土結(jié)構(gòu)比重進行修正。其中，工程范圍內(nèi)固化路面材料使用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，黏結(jié)度指標(biāo)、摩擦度指標(biāo)、彈性模量指標(biāo)。在有限元模型中模擬管片時選用線彈性的平面板單元，因為管片整體剛度深受管片之間連接情況的影響，所以應(yīng)折減管片的剛度，選取折減系數(shù)為0.6。針對模型的底部，主要在固定的豎直方向與水平方向分別移動，有限元模型的地表面是自由面。選取盾構(gòu)機的代層厚度為0.2m，掘進力為8000kN，等彈性模量為1.8GPa。

表1 模型主要部分材料參數(shù)設(shè)置表

三、安全影響模擬分析

此次計算工況分為兩個步驟：構(gòu)建初始自重應(yīng)力場。在工程中，因受到周邊建筑物荷載、土體自重作用，天然土層完成固結(jié)沉降，針對已經(jīng)完成固結(jié)沉降的原狀土，應(yīng)將其視為后續(xù)開挖步的初始狀態(tài)。所以，計算現(xiàn)有公路橋梁擾動時，土工已經(jīng)達(dá)至天然土層的初始狀態(tài)，在這種情況下，一定要平衡初始地應(yīng)力，保證在土體模型中不會發(fā)生初始位移，僅存在初始應(yīng)力場。在模型中，第一階段為施工之前，需要計算土體在自重影響作用下產(chǎn)生的應(yīng)力場、位移場，然后消除已經(jīng)完成的沉降位移，同時構(gòu)造初始應(yīng)力場。第二階段為盾構(gòu)施工階段，具體措施為凍結(jié)開挖土體單元，再將周圍管片襯砌部分單元置換為混凝土單元；模型中計算的所有變形數(shù)值都是地層的最終變形值，不考慮時效作用。

從位移計算結(jié)果可以看出，盾構(gòu)穿越橋涵公路后，盾構(gòu)襯砌管片周圍土體發(fā)生了一定范圍的變形，主要以Z向沉降為主。盾構(gòu)施工影響地面范圍投影距離盾構(gòu)軸線15m左右，橋涵道路結(jié)構(gòu)X向最大位移0.09mm，Y向最大位移0.4mm左右，Z向最大位移發(fā)生在盾構(gòu)軸線投影至道路處，最大值為2.9mm，橋涵處的最大沉降為2.55mm。

圖2 盾構(gòu)施工橋涵道路位移模擬分析圖

圖3 盾構(gòu)施工橋涵道路應(yīng)力模擬分析圖

從路面應(yīng)力計算結(jié)果可以看出，道路、橋涵的應(yīng)力皆小于其強度，且處于較低水平，故盾構(gòu)施工不會對橋涵路面產(chǎn)生破壞性影響。

四、結(jié)果分析

根據(jù)模擬分析結(jié)果，高城山-晶圓220kV電纜線路工程（電纜段）盾構(gòu)施工過程中，橋涵在水平方向、掘進方向均發(fā)生了一定程度的位移且伴隨有沉降發(fā)生；道路、橋涵所受應(yīng)力皆小于其強度，且處于較低水平，施工過程不會對橋涵路面產(chǎn)生破壞性影響。

通過實例驗證可以看出，利用MIDAS軟件開展有限元分析，可以有效地模擬盾構(gòu)施工過程中對穿越橋涵的安全影響，對論證施工方案、制定安全管控措施具有重要意義。