破碎泥巖地層盾構超近距側穿橋梁影響分析

楊小兵

蘭州鐵道設計院有限公司

1 引言

盾構穿越橋梁樁基時，不可避免地會擾動周圍土體[1]。地層應力及變形傳遞到既有樁基，引起樁基承載力的損失，導致上部結構發生不均勻沉降，影響既有橋梁的安全使用，嚴重時可導致結構出現失穩破壞。同時，上部橋梁結構自重和荷載，會加大樁基的變位，并影響著樁身的變位模式及內力變化規律。隧道開挖引起洞周收斂，造成土體水平位移，使得樁基表現為偏向隧道的傾斜或彎曲，影響樁身截面強度。

2 工程概況

解放門立交橋為雙層立交橋，跨越雷壇河斷層。橋上部結構為20m跨的箱型連續梁，基礎為雙樁承臺，樁徑1.5m。雷壇河斷層北起雷壇河黃河入河口，向南經解放門、伏龍坪，過八里窯北后開始順雷壇河發育，構成蘭州七里河凹陷盆地的東邊界。根據資料顯示，該斷裂為早中更新世活動。雖然其構造活動不會對地鐵工程造成直接的斷錯，不需要進行抗斷設防，但根據鉆孔揭示，下部淡土黃色略具膠結的沙礫石層，巖芯較疏松，均已破碎。

蘭州地鐵1號線文～西盾構區間側穿該立交橋，隧道與橋樁最近距離僅為0.583m，多處凈距小于1d（d為樁基直徑）。平面關系如圖1所示。區間采用內徑5.5m，外徑6.2m管片，管片環寬1.2m。該掘進斷面地層跨越卵石、泥巖、砂巖三種地層，卵石最大粒徑30cm，抗壓強度≥100MPa；砂巖抗壓強度2MPa左右，遇水或擾動極易軟化呈散沙狀。地質條件的多樣性，周邊環境的復雜性，均給盾構掘進、周邊建筑物保護、監控量測等帶來了很大的難度。

圖1 盾構隧洞與解放門立交橋平面關系圖

3 盾構側穿立交橋風險分析

盾構側穿樁基將引起的樁基周圍土體位移和附加應力會引起樁基變形和內力變化，樁基周圍土體的沉降對樁基產生拖曳作用引起樁基沉降，降低其承載力[2]。為保證施工期間既有建筑物的安全，根據城市橋梁重要性等級、城市橋梁控制指標參考數值以及各地經驗，綜合確定有以下幾個因素。

（1）橋梁基礎產生的最大沉降量不超過15mm。

（2）縱向相鄰橋梁墩臺間差異沉降控制值為2mm，橫向相鄰橋梁墩臺間差異沉降控制值為3mm，承臺水平位移控制值為3mm。

4 計算分析

利用Midas GTS對立交橋建立模型進行計算。地層模型尺寸取120m×120m×40m。橋梁參數取自設計圖，盾構穿過地層為非線性材料，其變形隨荷載的大小而變化，且與加載路徑有關，應力-應變呈明顯的非線性關系，采用鄧肯E-B模型，橋梁為鋼筋混凝土結構，采用彈性模型，建立實體單元模型進行控制網格劃分。

分別選取立交橋整體、直行橋以及左轉橋進行計算提取，得出了立交橋整體與個體結構的沉降值和應力值，對數值大小及變化規律進行分析研究，并判斷盾構掘進對立交橋結構安全性的影響程度[3-4]。

4.1 位移分析

結合圖2、圖3，結果分析如下。

圖2 直行橋整體DZ方向沉降圖

圖3 左轉橋整體DZ方向沉降圖

（1）南北向直行橋結構沉降量約為-1.44mm～-2.34mm，相鄰支座最大沉降差為0.37mm，最大沉降量并不在隧道拱頂位置，而出現在左右線隧道影響疊加區中間位置，呈中間大兩端小現象。

（2）西南向右轉橋結構沉降量約為-0.52mm～-2.80mm，沉降值自西向南依次增大到右線隧道拱頂位置開始減小，且受左線隧道的影響，西邊沉降量大于南邊沉降量，相比之下，盾構掘進對順向橋比垂直橫跨橋整體位移影響略大。

（3）通過對計算值和實際施工監測值對比分析，監測值整體比計算值偏小，但兩者的變化規律基本吻合，并符合沉降變化基本規律，從而驗證了計算值的準確性。

4.2 應力分析

結合圖4、圖5，結果分析如下。

圖4 直行橋整體SXX方向應力圖

圖5 左轉橋整體SXX方向應力圖

（1）南北向直行橋沿橋梁橫截面方向支座處應力大小約-0.2Pa～+0.66MPa，緊鄰隧道處2、5號墩支座下沉導致出現了正值，其余均為負值，跨中處應力大小約為1.42Pa～2.80MPa，呈中間大兩端小現象，與沉降規律完全相符。相比之下，盾構掘進對南北向直行橋結構橫截面方向影響遠遠大于軸線方向。

（2）西南向左轉橋沿橋梁橫截面方向支座處應力大小約-0.03Pa～-1.63MPa，跨中處應力大小約為-0.15Pa～-1.14MPa；沿橋梁軸線方向支座處應力大小約-0.03Pa～-3.39MPa，跨中處應力大小約為-0.58Pa～-2.59MPa。

（3）整體應力大于直行橋應力，由于左線隧道相對位置較遠，支座處未出現正值，隧道穿過局部位置影響小于直行橋，與沉降規律相吻合，符合應力變化基本規律。

5 結束語

文中對盾構隧道在破碎泥巖地層條件下，近距離側穿立交橋樁基的施工引起的沉降變形進行了深入探討，分析了盾構施工過程中樁基承載力、橋樁結構沉降、結構應力的變化情況，并與實際監測值進行了對比分析，研究表明：

（1）在樁基作用下，立交橋整體位移小于地層位移，僅僅考慮地層整體沉降量對立交橋采取加固措施偏于安全，不經濟。

（2）由于立交橋應力變化規律與沉降變化規律完全相吻合，可見應力是由沉降所致，加固可從基礎著手，可不考慮上部結構位移或受力情況。

（3）盾構掘進對順向橋整體影響較大，只存在整體沉降的可能，不存在上部結構受力破壞，而對垂直橫跨橋局部相鄰支座處影響較大，整體影響小，局部沉降很有可能引起上部結構支座處應力過大導致破壞。

（4）無論從沉降還是應力分析，上部結構自身的位移應力值都比較小且變化不大，而地層的沉降量比較大，因此，盾構掘進對立交橋上部整體結構影響較小，主要影響在地基基礎方面。建議加固從基礎尺寸方面控制沉降，可不考慮上部結構自身的位移或受力情況。