地鐵盾構(gòu)施工對(duì)上部既有橋梁的影響分析

劉金榮

（中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的深入推進(jìn)，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的不斷加密以及盾構(gòu)法廣泛應(yīng)用于地鐵施工，地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁的現(xiàn)象越來(lái)越多。在地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程中，不可避免地會(huì)對(duì)上覆土體產(chǎn)生擾動(dòng)。由于土體損失、周?chē)紫端畨鹤兓耙r砌變形等，土體原始應(yīng)力將重新分布，原有的土體平衡狀態(tài)遭到破壞。導(dǎo)致地表發(fā)生下沉變形、傾斜變形、曲率變形、水平移動(dòng)變形及非連續(xù)變形等問(wèn)題。地表產(chǎn)生的移動(dòng)和變形較大時(shí)，往往又會(huì)引起地上既有橋梁結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂、沉降、傾斜等問(wèn)題，這將對(duì)橋梁的使用、甚至安全構(gòu)成威脅。因此，深入開(kāi)展地鐵盾構(gòu)施工對(duì)既有橋梁的影響研究，制定安全可靠經(jīng)濟(jì)的橋梁基礎(chǔ)加固措施，對(duì)推動(dòng)我國(guó)城市地下軌道交通的進(jìn)一步發(fā)展，具有重大意義。

目前關(guān)于隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物的影響的分析方法主要有兩大類(lèi)[1]，第一類(lèi)是整體分析法，即在模擬開(kāi)挖過(guò)程的同時(shí)，將周?chē)馏w、建筑物及其基礎(chǔ)作為一個(gè)整體分析，一般需用有限元等數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算分析。

第二類(lèi)為兩階段分析方法，即把隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物的影響分成兩個(gè)階段來(lái)分析: 第一階段分析隧道開(kāi)挖引起的土體變形；第二階段將土的變形施加到建筑物及其基礎(chǔ)上，分析建筑物及其基礎(chǔ)的變形和內(nèi)力變化。

本文采用第一種方法，即整體分析法，對(duì)地鐵盾構(gòu)施工對(duì)上部大橋的影響進(jìn)行計(jì)算，采用三維非線性有限元，分別對(duì)橋梁基礎(chǔ)加固前后，地鐵盾構(gòu)施工對(duì)既有舊橋所產(chǎn)生的位移及應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)加固前后的結(jié)果進(jìn)行分析比較。

1 工程概況[5]

錦江橋上部結(jié)構(gòu)為三跨紅磚砌變截面圓弧拱，凈跨徑為15 m，拱上填料為碎混凝土（或磚）；下部結(jié)構(gòu)：橋臺(tái)基礎(chǔ)為50 級(jí)砂漿砌條石基礎(chǔ)、臺(tái)身為15 級(jí)水泥石灰砂漿砌城磚；橋墩基礎(chǔ)為50 級(jí)砂漿砌條石基礎(chǔ)、墩身為15 級(jí)水泥石灰砂漿砌城磚。地鐵采用盾構(gòu)法施工，平行雙洞隧道形式，隧道半徑為3 m，兩平行隧道圓心之間距離11 m，隧道支護(hù)材料為C30 混凝土管片，壁厚30 cm。其下穿錦江大橋區(qū)間位置關(guān)系為：隧道拱頂距地面約7 m 左右，隧道左線近接橋梁基礎(chǔ)，距離約2 m。橋梁隧道平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1，橋梁隧道立面位置關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖1 橋梁隧道平面位置關(guān)系圖（單位：m）

圖2 橋梁隧道立面位置關(guān)系圖（單位：m）

2 大橋加固措施

2.1 圍堰注漿加固法

對(duì)橋梁基礎(chǔ)近接隧道一端進(jìn)行圍堰注漿加固。首先對(duì)橋墩臺(tái)基礎(chǔ)進(jìn)行草袋圍堰處理，然后采用袖閥管注漿，注漿材料為水泥－水玻璃漿液。加固后的滲透系數(shù)不大于1×10－5cm/s，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1 MPa。盾構(gòu)通過(guò)前，應(yīng)對(duì)注漿效果進(jìn)行確認(rèn)，合格后再進(jìn)行開(kāi)挖施工，盾構(gòu)掘進(jìn)至該處時(shí)應(yīng)調(diào)整盾構(gòu)相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)，如推力、掘進(jìn)速度等，盾構(gòu)通過(guò)后如檢測(cè)出現(xiàn)異常，則需要進(jìn)行二次注漿，以保證橋梁安全。

2.2 鋼管樁加注漿加固

對(duì)錦江橋基礎(chǔ)近接隧道一端下方土體采用鋼管樁加注漿形成鋼管樁墻隔斷加固措施。加固微型樁設(shè)置兩排，并注漿，樁頂設(shè)置冠形梁形成鋼管樁墻，鋼管樁插入破裂面以下不少于3.0 m，樁縱向間距300 mm，圖中陰影區(qū)域?yàn)樽{區(qū)域。加固范圍為北橋臺(tái)內(nèi)5m 至南橋臺(tái)5 m，共60 m 長(zhǎng)。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

本文采用大型通用有限元軟件ANSYS 對(duì)加固前后效果進(jìn)行模擬[3-4]。模型尺寸為：沿橋跨方向，即隧道開(kāi)挖方向?yàn)閄 軸，全長(zhǎng)105 m。垂直于橋跨方向?yàn)閆 軸，全長(zhǎng)110 m。垂直于地面方向?yàn)閅 軸，地面以下垂直高度為30 m，地面以上橋臺(tái)、墩高4 m。采用的單元類(lèi)型為：拱圈和隧道支護(hù)采用shell63 殼單元模擬，其余土體采用solid45 實(shí)體單元模擬。模型采用映射法劃分單元，共劃分48 700 個(gè)單元，50 577個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元材料以不同顏色顯示見(jiàn)圖3，橋梁隧道位置關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖3 整體有限元計(jì)算模型

圖4 橋梁隧道位置關(guān)系圖

3.2 地質(zhì)條件及計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，本區(qū)間所揭露巖土地層分布較為穩(wěn)定，均為第四系地層。地表多為第四系人工填土，其下為第四系全新統(tǒng)沖洪積黏質(zhì)粉土、砂（粉）類(lèi)土、圓礫土及上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、砂類(lèi)土等組成。具體計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)取值表

4 位移計(jì)算

4.1 加固前后整體豎向位移（Y 方向）結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，加固前左線隧道貫通后豎向位移最大值為34.4 mm，加固后為21.1 mm，加固后位移減小13.3 mm。雙線隧道貫通后加固前豎向最大位移為36.2 mm，加固后為23.5 mm，加固后位移減小12.7 mm。現(xiàn)取坐標(biāo)X=0，垂直于隧道軸線處的截面為參考面A，提取該參考面地面節(jié)點(diǎn)豎向位移，繪出加固前后節(jié)點(diǎn)位移曲線見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 左線隧道貫通后A 地面節(jié)點(diǎn)位移曲線圖

圖6 雙線隧道貫通后A 地面節(jié)點(diǎn)位移曲線圖

4.2 加固前后橋梁豎向位移（Y 方向）結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，加固前后橋梁基礎(chǔ)下沉最大值均出現(xiàn)在臨近隧道一端，最小值出現(xiàn)在遠(yuǎn)離隧道一段，橋梁整體產(chǎn)生不均勻沉降。加固前左線隧道貫通后橋基豎向位移最大值為11.3 mm，加固后為2.4 mm，加固后位移減小8.9 mm。加固前左線隧道貫通后橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降最大值12.6 mm，加固后為2.8 mm，加固后減小9.8 mm。雙線隧道貫通后橋基加固前豎向最大位移為12 mm，加固后為2.6 mm，加固后位移減小9.4 mm。雙線貫通后橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降加固前為13.5 mm，加固后為3.1 mm，加固后位移減小10.4 mm。

現(xiàn)取坐標(biāo)Z=0、平行于隧道軸線處的截面為參考截面B，提取該截面處地面節(jié)點(diǎn)豎向位移，繪出加固前后節(jié)點(diǎn)位移曲線見(jiàn)圖7、圖8。圖中加固前曲線的峰值處是橋梁基礎(chǔ)所在處，谷值處是地面土體所在處，由于橋梁基礎(chǔ)條石的剛度較周?chē)馏w大，所以下沉量較周?chē)馏w的小，出現(xiàn)了圖中的波浪形曲線。

圖7 左隧道貫通后參B 地面節(jié)點(diǎn)位移曲線圖

圖8 雙隧道貫通后參B 地面節(jié)點(diǎn)位移曲線圖

4.3 加固前后橋梁橫向位移（X、Z 方向）結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，橋梁整體在隧道開(kāi)挖過(guò)程中垂直于隧道方向（Z 方向）產(chǎn)生橫向側(cè)移，左線隧道貫通后橫位移加固前最大值為1.2 mm，加固后為0.8 mm，加固后位移減小0.4 mm。雙線貫通后加固前橫向位移為1.6 mm，加固后為1.1 mm，加固后位移減小0.4 mm。

由計(jì)算結(jié)果可知，橋梁整體在隧道開(kāi)挖過(guò)程中沿隧道方向（X 方向）產(chǎn)生橫向側(cè)移，左線隧道貫通后橫位移加固前最大值為1.7 mm，加固后為0.4 mm，加固后位移減小1.3 mm。雙線貫通后加固前橫向位移為1.9 mm，加固后為0.4 mm，加固后位移減小1.5 mm。

4.4 位移計(jì)算結(jié)果分析

將加固前后位移計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表2。可以看出，對(duì)錦江大橋進(jìn)行圍堰注漿及鋼管樁加固后，地表最大沉降及橋墩臺(tái)各項(xiàng)位移值都有了較大減小，加固效果明顯。地表沉降最大值為23.5 mm，在規(guī)定的范圍之內(nèi)（一般城市地表沉降基準(zhǔn)：+10～-30 mm）。橋梁最大基礎(chǔ)沉降值為2.8 mm，最大不均勻沉降為3.1 mm，均在要求范圍之內(nèi)[2]。

表2 位移加固效果匯總表單位：mm

5 應(yīng)力計(jì)算

5.1 基礎(chǔ)及墩臺(tái)應(yīng)力結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，基礎(chǔ)和墩臺(tái)應(yīng)力加固前后有一定變化，但應(yīng)力值都比較小，這里僅給出雙線隧道貫通后加固前后第一主應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)圖9 和圖10。基礎(chǔ)和橋墩臺(tái)加固前最大壓應(yīng)力為0.83 MPa，加固后為0.44 MPa，減小了0.39 MPa，最大拉應(yīng)力加固前為1.44 MPa，加固后為0.64 MPa，減小了0.8 MPa。

圖9 雙隧道貫通后基礎(chǔ)及墩臺(tái)應(yīng)力云圖（加固前）

圖10 雙隧道貫通后基礎(chǔ)及墩臺(tái)應(yīng)力云圖（加固后）

5.2 拱圈應(yīng)力結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，拱圈應(yīng)力加固前后變化不大，這里僅給出雙線隧道貫通后加固前后第一主應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)圖11 和圖12。加固前最大壓應(yīng)力為1.85 MPa，加固后為1.78 MPa，減小了0.07 MPa，加固前最大拉應(yīng)力為0.075 MPa，加固后為0.1 MPa，增加了0.025 MPa。

圖11 雙隧道貫通后拱圈應(yīng)力云圖（加固前）

圖12 雙隧道貫通后拱圈應(yīng)力云圖（加固后）

5.3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

將加固前后應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表3，從表中的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，基礎(chǔ)和拱圈在加固前后應(yīng)力雖然有一定的變化，但變化不大，而且應(yīng)力值均較小。計(jì)算效果不太理想，主要原因是建模時(shí)土體材料屬性的選取與簡(jiǎn)化和實(shí)際情況有一定差異，隧道開(kāi)挖模擬和實(shí)際情況有一定出入，這也是進(jìn)行土體模擬和隧道開(kāi)挖模擬的難點(diǎn)，需要以后進(jìn)一步研究。

表3 應(yīng)力加固效果匯總表單位：MP a

6 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)錦江大橋和下部地鐵三維非線性有限元模型，模擬計(jì)算了地鐵盾構(gòu)施工對(duì)上部既有橋梁的影響，對(duì)比分析了基礎(chǔ)加固前后土體整體位移變化情況以及橋梁基礎(chǔ)的位移和應(yīng)力變化情況。主要得到以下結(jié)論和建議。

（1）地鐵盾構(gòu)施工下穿既有舊橋時(shí)，將使既有舊橋基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相當(dāng)大的位移和應(yīng)力，嚴(yán)重影響橋梁的安全使用。

（2）地鐵盾構(gòu)施工，下穿既有舊橋前，應(yīng)根據(jù)橋梁上下部結(jié)構(gòu)形式，并考慮橋梁當(dāng)前的工作狀態(tài)（下沉量，承載力），制訂合理的基礎(chǔ)允許下沉指標(biāo)(既應(yīng)有絕對(duì)沉降指標(biāo)，也應(yīng)有差異沉降指標(biāo))。根據(jù)基礎(chǔ)的允許下沉量，選擇合理可行的橋梁基礎(chǔ)加強(qiáng)措施和隧道施工控制指標(biāo)與措施。

（3）為了保證地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程中上部既有橋梁的安全穩(wěn)定，需要對(duì)既有舊橋沉降及應(yīng)力進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，及時(shí)分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，確保橋梁安全穩(wěn)定。