新建橋梁對下方既有隧道變形影響分析

尹 亮

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,天津 300000)

隨著城市道路建設的不斷完善,加之軌道交通線網分布越來越密集,不可避免地會出現新建道路橋梁與既有軌道交通區間隧道相交或者臨近的情況。樁基作為橋梁一種常見的基礎型式,其施工會對鄰近隧道結構產生位移,樁基對下方區間隧道的影響主要有如下兩點[1-2]:①樁基成孔過程會擾動附近的土層,改變土的應力狀態,使樁周一定范圍內的地下隧道產生位移和變形。②樁基礎施工結束后,上部結構荷載施加后,通過樁基礎向下傳遞,引起下部地下結構附加變形和不均勻沉降。總的來說,樁基工程會對下部隧道結構造成擾動,這個過程可能對既有區間隧道產生不利影響,例如拉伸、擠壓以及剪切破壞等。目前針對樁基施工對鄰近區間隧道影響國內已有相關研究成果[3-6],但主要聚焦于區間隧道相鄰工程,針對區間隧道正上方項目工程研究相對較少,本文結合實例對此進行研究。

1 工程概況

梧桐路橋梁總長33 m,總寬45 m,橋梁橫斷面對稱分為2幅橋,單幅橋寬21 m,兩中幅橋中間設置3 m鏤空帶。上部結構形式均采用(10+13+10)m三跨連續現澆鋼筋砼箱梁,梁高0.7 m,橋梁樁基位于區間隧道正上方,如圖1所示。

橋臺采用重力式橋臺,橋墩采用柱式墩,基礎采用承臺樁基礎,承臺尺寸為1.5 m×4.0 m(高×寬),承臺下設置雙排直徑0.8 m的鉆孔灌注樁基礎,樁長為10 ～12 m,樁底進入中風化砂巖,如圖2所示。

圖2 橋梁與區間隧道位置關系(縱斷面)

其中,橋臺樁基與區間隧道的最小豎向距離為11.99 m,如圖3所示;橋墩樁基與區間隧道的最小豎向距離為11.06 m。

圖3 橋臺樁基與區間隧道位置關系(縱斷面)

根據地質勘察資料顯示,橋梁自地表以下地層主要為:1-2b2-3素填土、4-2b2粉質粘土、4-3b1-2粉質粘土、4-4e1含卵礫石混合土、J1-2xn3-2強風化砂巖、J1-2xn3-3中風化泥質砂巖(破碎)、T2H-3S中風化砂巖。其中既有區間隧道主要處于T2H-3S中風化砂巖中,隧道縱坡3‰,隧道埋深約18.9 m;橋樁樁底位于J1-2xn3-3中風化砂巖(破碎)和T2H-3S中風化砂巖。各土層具體物理力學參數如表1所示。

表1 土體物理力學參數

2 區間隧道狀態

根據初始狀態普查掃描成果和變形監測數據,工程影響區段內(DK37+440)區間隧道累計最大沉降值為6.8 mm,沉降速率為4.09×10-3mm/d,如圖4所示;區間隧道累計收斂最大值為2.08 mm,收斂變形速率為1.25×10-3mm/d。區間隧道的沉降、上浮、收斂及對應的速率均在結構標準永久變形范圍內,該區段上、下行線隧道結構處于安全狀態,整體區間結構變形穩定。

經現場踏勘,盾構隧道現狀運營良好,無裂縫、無明顯滲漏水狀況,如圖5所示。

3 MADIS數值影響分析

3.1 計算模型

本文利用MIDAS-GTS軟件建立數值模型,模型尺寸為250 m(長)×240 m(寬)×60 m(深),共劃分65 967個網格單元,40 170個節點,其中橋梁、區間隧道周邊土體進行重點細分,采用摩爾-庫倫計算準則,如圖6～圖7所示。管片采用殼單元,彈性本構模型;模型單元中土體采用平面單元,柱、樁、梁、支撐采用線彈性模型。模型邊界條件采用x向、y向約束,底部采用豎向約束,上表面為自由截面,結構材料參數如表2所示。

圖4 隧道初始沉降變形曲線

為真實反映橋梁樁基施工過程對下部區間隧道的影響,模擬步驟與實際開挖步驟一致,具體如表3所示。

3.2 結果分析

3.2.1 隧道影響分析

(1)圖8～圖9為橋梁施工前后下部區間隧道彎矩變化影響云圖。在橋梁施工前地鐵區間隧道襯砌存在的彎矩最大值為+119.12 kN·m,最小值為-126.11 kN·m。橋梁施工完成之后,襯砌受到的彎矩最大值為+156.99 kN·m,最小值為-169.10 kN·m。相當于橋梁施工期間彎矩最大值增加了37.87 kN·m,最小值增加了42.99 kN·m。經復核,區間隧道配筋強度滿足要求,說明橋梁施工對下部區間隧道受力存在一定影響,需驗算其配筋強度。

圖5 區間隧道現場工況

圖6 橋梁上跨隧道整體幾何模型 圖7 箱涵與區間隧道關系

表2 材料特性

表3 數值模擬步驟

(2)圖10為橋梁施工不同階段下部區間隧道變形圖。由圖10可知,對區間隧道豎向變形而言,承臺基坑開挖、樁基成孔階段均對下部區間隧道呈整體上浮影響趨勢,主要由于開挖、成孔卸載后,引起下部土體向上變形趨勢,繼而引起下部區間隧道變形。考慮承臺基底與區間隧道頂凈距相對較大,承臺基坑開挖階段引起下部區間隧道上浮量相對較小,僅為0.718 mm;但橋梁樁基成孔階段,下部區間隧道上浮量明顯增加,達到1.838 mm,說明樁基成孔對下部區間影響不容忽視。主要原因有:①樁底與區間隧道頂凈距約為2D(D為區間隧道洞徑),豎向凈距相對較小,樁基成孔引起荷載卸載,周邊土體應力釋放重新分布,對下部區間隧道易產生影響;②橋梁承臺下樁基數量多,樁基成孔疊加影響效果引起影響范圍和影響量均會較大。和前兩個階段不同,施加上部結構荷載屬于加載過程,產生向下變形,繼而降低前期下部區間隧道上浮量(變為1.132 mm),但減小量較為有限,區間隧道仍呈以上浮趨勢。

圖8 隧道初始彎矩云圖 圖9 橋梁施工完成后隧道彎矩云圖

圖10 橋梁施工不同階段下區間隧道變形

橋梁施工階段對下部區間隧道水平變形影響較為有限,從承臺開挖、樁基成孔、施加上部結構荷載三個階段來看,區間隧道水平變形變化量較小。

橋梁施工階段對下部區間隧道收斂變形影響與豎向位移趨勢較為類似,但數值上僅為豎向位移的0.5倍。

可以看出,橋梁整個實施過程,樁基成孔階段對下部區間隧道影響較大。

3.2.2 凈距影響分析

樁基成孔對下部區間隧道主要變形影響為豎向位移。圖11為下部區間隧道豎向變形隨樁基成孔樁底與下部區間隧道豎向凈距變化曲線。由圖可知,隨著兩者豎向凈距增加,橋梁樁基施工對下部區間豎向變形影響不斷減弱。當兩者豎向凈距為0.5D時,橋梁樁基成孔階段引起下部區間隧道豎向變形達到9.19 mm,施加上部結構荷載階段下部區間隧道變形為5.66 mm,根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T 202-2013)區間豎向上浮量控制標準(≤5 mm),已超出規范允許值。當兩者豎向凈距為1D時,橋梁樁基成孔階段引起下部區間隧道豎向變形為3.676 mm,上部荷載施加后變為2.264 mm,相比0.5D凈距下,樁基成孔和施加上部結構荷載階段對下部區間隧道豎向影響變形減小約60%。當兩者豎向凈距為2D時,橋梁樁基成孔階段引起下部區間隧道豎向變形為1.838 mm,上部荷載施加后變為1.132 mm,相比1D凈距下,樁基成孔和施加上部結構荷載階段對下部區間隧道豎向影響變形減小約50%。當兩者豎向凈距為3D時,橋梁樁基成孔階段引起下部區間隧道豎向變形為1.470 4 mm,上部荷載施加后變為0.905 6 mm,相比2D凈距下,樁基成孔和施加上部結構荷載階段對下部區間隧道豎向影響變形減小約20%。

圖11 不同豎向凈距下區間隧道豎向變形

可以看出,下部區間隧道豎向變形隨樁基成孔樁底與下部區間隧道豎向凈距增大而減小, 0.5D～1D減小幅度60%、1D～2D減小幅度為50%、2D～3D減小幅度20%,繼續增大豎向凈距作用已不明顯,綜合結構安全和經濟效益,兩者最優豎向凈距宜控制在1D～2D。

4 監測變形

4.1 變形監測內容

結合橋梁與區間隧道位置關系、區間隧道初始狀態以及地質條件情況,根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》相關規定,綜合確定橋梁施工影響等級為一級。橋梁施工期間,采用自動化監測的手段進行數據采集,對區間隧道垂直位移、水平位移、相對收斂值進行實時監測,監測控制標準如表4所示。

4.2 監測結果

橋梁施工期間區間隧道變形監測數據(見表5)顯示,樁基成孔階段對區間結構影響最大,下部區間水平位移最大值為0.50 mm,豎向位移最大值2.00 mm,最大收斂變形0.88 mm。監測數據結果與MADIS數值模擬情況較為接近,也證明數值模擬能較好的反映施工過程對區間隧道的影響。

表4 監測控制標準值 mm

表5 區間隧道累計變形值 mm

5 結論與建議

(1)橋梁施工期間對下方區間隧道影響以變形為主,對其結構彎矩受力也存在一定影響,需驗算其配筋強度。

(2)橋梁施工期間,下部區間隧道變形呈上浮趨勢,其中樁基成孔階段對下部區間隧道變形影響最大。

(3)下部區間隧道豎向變形隨兩者豎向凈距增大而減小, 0.5D～2D降幅效果顯著,>2D后降幅效果不明顯。

(4)綜合結構安全和經濟效益,橋梁樁基底與下部區間隧道最優豎向凈距宜控制在1D～2D。