盾構隧道下穿既有高架橋工程措施及施工影響分析

趙 偉

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

城市地鐵區間下穿既有橋梁可能對既有橋梁產生不利影響，國內一些學者對此進行了一些相應研究：趙青[1]、胡眾[2]等對盾構隧道施工過程有限元模擬進行了研究，趙巖[3]、豐土根等[4]對盾構隧道下穿橋梁對橋梁基礎的影響進行了研究。采用有限元計算的方法，對沈陽地鐵四號線南五馬路站-砂陽路站盾構隧道下穿南八馬路高架橋的影響進行分析，為項目建設提出了合理建議，確保既有橋梁的安全。

1 工程概況及主要保護措施

1.1 區間下穿高架橋工程概況

沈陽地鐵四號線南五馬路站-砂陽路站區間采用盾構法施工，盾構掘進地層主要為中粗砂、礫砂，盾構隧道下穿既有南八馬路高架橋，側穿橋樁。盾構隧道外徑6m，內徑5.4m，隧道襯砌厚300mm。襯砌管片分為6塊，每環的寬度為1200mm，管片采用錯縫拼裝。區間右線下穿高架橋位置橋跨為14.5m，區間左線下穿高架橋位置橋跨為17.5m。隧道結構與橋樁最小水平凈距3.4m，豎向凈距約13.21m。隧道與高架橋位置關系見圖1、圖2。

圖1 盾構隧道與高架橋位置關系平面圖

圖2 盾構隧道與高架橋位置關系剖面圖(單位：mm)

南八馬路高架橋為雙向兩車道高架橋，區間下穿位置上部結構為鋼筋混凝土現澆單箱單室連續梁，箱梁頂面寬9m，底面寬4m，懸臂板長2.5m。橋墩采用混凝土現澆獨柱Y型墩，區間下穿位置橋墩高度約5.0～5.1m。橋樁采用人工挖孔樁，樁徑為1.5m，樁長9m，采用兩樁抬一柱的形式，兩樁采用承臺連接，承臺平面尺寸為2.5m×6.5m，厚度1.5m。

1.2 區間下穿高架橋保護措施

(1)盾構區間下穿高架橋主要通過控制盾構施工參數減小施工對高架橋的影響，具體措施如下：

①穿越前根據前期得到的各項參數制定出最優掘進參數，并完成刀具檢查，避免在穿越段進行開倉換刀，確保盾構以最佳姿態穿越建筑物地段。

②加強下穿段的同步注漿及二次注漿，施工中同步注漿應及時跟進并根據監測情況調控注漿量，保證填充密實，縮短襯砌脫出盾尾的暴露時間，并改良漿液配比，縮短漿液凝固時間。根據監測情況及時進行二次補強注漿，合理控制注漿壓力，嚴格控制盾尾沉降和盾尾空隙沉降。

③穿越期間，采用“適當推進力，均速通過”的方式組織盾構施工，設定合理的土倉壓力、出土量等掘進參數，盡量減少盾構施工造成的地層變形，根據地表監測數據及時調整盾構掘進參數?？刂平Y構變形及保證高架橋的安全。

④加強監測，根據監測數據加強掘進參數的調整和盾構姿態的控制，及時調整盾構掘進參數，減小地層變形。

⑤當地表、高架橋變形值即將超過預警值，危及其安全時，可采取地面跟蹤注漿加固、洞內補充注漿等行之有效的措施控制結構變形，保證既有市政高架橋的安全。制定并執行其它相關應急預案。

(2)根據相關規范及高架橋現狀，對高架橋采用嚴格的變形控制指標，控制指標見表1。

表1 南八馬路高架橋評估變形控制指標

2 有限元計算分析

2.1 三維有限元計算模型

模型分析南五馬路站～砂陽路站區間施工對南八馬路高架橋的影響。建立考慮南五馬路站-砂陽路站區間，既有南八馬路高架橋的三維地層—結構有限元模型。模型長120m，寬48m，高55m。地層結構模型中土層單元采用實體單元模擬，摩爾庫倫材料模型；既有南八馬路高架橋橋墩、承臺、混凝土箱梁采用實體單元模擬，彈性材料模型，橋樁采用梁單元模擬，彈性材料模型；新建南五馬路站-砂陽路站區間盾構隧道襯砌及盾構盾殼采用板單元模擬，彈性材料模型；盾構壁后注漿采用實體單元模擬，彈性材料模型。在模型底部施加豎向約束，模型四個側面分別施加垂直于側面方向的水平位移約束。模型施加重力荷載，高架橋路面施加均布荷載。模型見圖3、圖4。

圖3 計算整體模型

圖4 結構模型詳圖

2.2 計算模型主要參數

(1)巖土參數

區間下穿高架橋位置土層自上而下依次為：①雜填土、④-1粉質黏土、④-3中粗砂、④-4礫砂、⑤-3中粗砂、⑤-4礫砂。土體參數見表2。

表2 地層參數表

(2)結構參數

模型中的結構主要有盾構區間及高架橋。結構構件力學參數見表3。

表3 結構構件力學參數表

2.3 施工過程模擬

南五馬路站-砂陽路站區間施工模擬之前進行地應力平衡，激活南八馬路高架橋結構，模型位移清零。盾構從南五馬路站盾構井始發，在砂陽路站盾構井接收，區間采用兩臺盾構機施工，左線盾構先始發，右線盾構后始發。盾構隧道推進過程模擬分為土體開挖、盾構機的頂進、襯砌環的拼裝、推進面壓力模擬及壁后注漿模擬等[5]。

2.4 計算結果分析

(1)盾構正常施工工況既有高架橋結構變形分析

承臺最大沉降量發生在③號承臺，施工完成最大沉降量為5.60mm，見圖5。②號及④號承臺沉降量較大，②號承臺最大沉降量為3.00mm，④號承臺最大沉降量為3.73m，①號及⑤號承臺沉降量較小。相鄰承臺最大差異沉降為3.51mm，為④號承臺與⑤號承臺沉降差。承臺沉降隨施工步變化見圖6。

圖5 施工完成高架橋基礎沉降云圖(單位：mm)

圖6 基礎沉降隨施工步變化曲線

區間施工完成時承臺最大水平變形發生在④號承臺，最大水平變形為1.12mm，②號承臺水平變形也較大，最大水平變形約0.90mm，見圖7。承臺水平變形隨施工步變化見圖8。

圖7 施工完成高架橋基礎水平變形云圖(單位：mm)

圖8 基礎水平變形隨施工步變化曲線

區間全部施工完成時，橋墩頂部及底部水平變形見圖9，④號橋墩傾斜最大，最大傾斜為0.202‰，②橋墩傾斜也相對較大，最大傾斜為0.192‰，①號橋墩及⑤號橋橋墩傾斜約為0.1‰。橋墩傾斜隨施工步變化情況見圖10。

圖9 施工完成橋墩水平變形云圖(單位：mm)

圖10 橋墩傾斜隨施工步變化曲線

(2)盾構施工引起地面沉降與高架橋沉降變形關系分析

地下工程施工存在較大的不確定性，盾構區間下穿風險源施工參數通過試驗段確定。通過調整盾構背后注漿體彈性模量施工參數，計算不同施工參數下模型地面沉降量、承臺沉降及承臺差異沉降，繪制承臺沉降量及承臺差異沉降量與地面沉降量關系曲線，見圖11。結果顯示承臺沉降量及承臺差異沉降量與地面沉降量近似呈線性關系，可以通過盾構區間試驗段地面沉降監測結果，預測盾構區間下穿高架橋時承臺沉降結果。根據計算結果，地表沉降為9mm時，承臺最大沉降量達到10mm，地表沉降為7.5mm時，承臺最大差異沉降達到5mm。因此盾構區間試驗段，應確保地表沉降量小于7.5mm。

圖11 高架橋承臺沉降與地表沉降關系曲線

3 結論與建議

采用有限元計算方法分析南五馬路站-砂陽路站區間施工對既有南八馬路高架橋的影響，分析了高架橋承臺及橋墩變形隨施工步的變化情況，獲得了高架橋承臺變形與地表沉降的關系，得出如下結論：

(1)本工程盾構正常施工高架橋承臺最大沉降量為5.60mm，最大差異沉降量為3.51mm，最大水平變形量為1.12mm，橋墩最大傾斜為0.202‰，滿足規范要求，可以保證高架橋安全。

(2)本工程承臺沉降量及承臺差異沉降量與地面沉降量近似呈線性關系，因此可以通過盾構區間試驗段地表沉降預測承臺沉降量及承臺差異沉降量，從而對承臺沉降及差異沉降提前進行預判和管控。本工程試驗段地表沉降量不得大于7.5mm，否則承臺最大差異將超標，需提前對高架橋橋樁及其下方土體進行注漿加固。

(3)盾構區間下穿高架橋工程，應在管片上部預留注漿孔，當變形達到報警值時，應對高架橋進行封閉，并進行洞內注漿，對土體進行加固。