地鐵隧道下穿城市既有橋梁的數值模擬分析

黃峻峰

(廣州建筑股份有限公司)

隨著社會經濟的發展，我國各大城市也駛入了快速發展的時期，但隨著城市人口不斷增長，城市交通擁堵問題也越來越突出。在此背景下，城市地鐵由于其快捷、便利，不受地面交通、天氣等因素影響的諸多優點，無疑成為各大城市解決該問題的“靈丹妙藥”。

然而地鐵隧道的修建難免會對既有建筑物基礎產生一定的影響，既有建筑物如城市高層建筑物、城市立交橋、高架橋等等都是采用樁基礎型式，它在空間上難免與地鐵隧道相互沖突。在此背景下，樁基托換成為了解決該問題的一項新技術。樁基托換工程是將新建基礎代替既有樁的過程[1]。

目前國內學者對樁基托換技術進行了較多的研究。王博[2]以西安地鐵二號線樁基托換工程為背景，介紹了主動托換技術的設計方法和施工工藝。張國君[3]在分析樁基托換類型的基礎上詳細研究了樁基托換的施工工藝。周志偉[4]簡要總結了深圳地鐵百貨廣場樁基托換工程的主動托換技術。唐貴和[5]介紹了廣州地鐵6號線鉆孔灌注樁和托換梁施工技術以及施工過程中的監測技術。熊小剛[6]應用ANSYS 數值模擬軟件研究了主動托換的沉降和頂升的位移控制值；唐新權[7]通過對樁基托換方案以及荷載轉換機理的研究，分析得出托換過程中關鍵節點的施工方案和檢測要求；李琳[8]通過對西安地鐵2 號線主動托換工程的研究，設計了1:6 模型試驗進行模擬加載過程，分析得出其在實際工程中的可靠性以及受力性能。

由于地鐵隧道盾構下穿既有橋梁施工風險仍較大，因此施工前進行數值模擬分析顯得十分有必要。本文依托廣州地鐵某盾構隧道下穿既有橋梁，通過建立三維有限元模型對土體位移、隧道變形及橋梁變形進行了分析，并分析評判了盾構隧道掘進施工對既有橋梁的安全性。

1 項目概況

廣州地鐵某盾構隧道下穿既有橋梁，區間隧道與既有橋梁樁基平面位置關系見圖1。該既有橋梁全橋共三幅，上部結構為預應力砼簡支T 梁，下部結構為雙柱式橋墩，左、右幅為樁基礎，中幅為擴大基礎，左、右幅橋臺為三柱式橋臺，中幅橋橋臺為重力式橋臺。橋跨長度79.76m，整幅橋寬40m，其中中幅橋橋寬13.5m，南、北幅橋橋寬均為13.25m。

圖1 區間隧道與既有橋梁樁基平面位置關系圖

盾構隧道斷面為圓形斷面，采用裝配式鋼筋混凝土單層襯砌，管片襯砌環內徑為5400mm，外徑為6000mm，管片厚度為300mm，管片襯砌環寬度為1500mm；管片襯砌環采用錯縫拼裝，每環管片由3個標準塊、2個鄰接塊和1 個封頂塊組成；管片之間的環向接縫和縱向接縫均采用彎螺栓連接。區間隧道斷面見圖2。

圖2 區間隧道斷面設計圖

從圖1可看出盾構隧道與橋梁樁基有沖突的共有6根，均位于南幅橋，分別是1 號橋臺、4 號橋臺各2 根，2號橋墩、3號橋墩各1根。

為此，對沖突的6根樁基采用主動托換，其中1號橋臺2 根樁基采用懸挑梁托換，托換梁埋設于地面下，通過托換支墩承托住原橋帽梁，挑梁截面尺寸為200cm×200cm，托換支墩截面尺寸為140cm×140cm。2 號橋墩和3 號橋墩的2 根樁基均采用淺基礎托換，托換淺基礎尺寸為1400cm×900cm，淺基礎底采用直徑600mm@450mm 雙管旋噴樁加固至碎屑巖類中風化層。4 號橋臺兩根樁基采用門式托換，托換梁通過側面的牛腿承托住原橋帽梁。托換樁基樁徑均為1.2m，托換梁、托換樁及托換淺基礎混凝土強度等級均為C35。橋梁樁基托換方案平面圖見圖3。

圖3 橋梁樁基托換方案平面圖

該橋南幅橋有6根D1.2m鉆孔樁樁基侵入石芳區間右線隧道。為此對該橋沖突的6 根樁基進行主動托換，下文主要分析托換后隧道盾構施工對既有橋梁的影響。

2 計算模型的建立

2.1 計算參數

根據工程地質勘查報告，考慮到建模的難度和在用數值模擬計算過程中，土層分界過多會影響計算結果的分析。因此，在模擬的過程中，地層分界線曲線處地層進行直線化簡化。簡化后的土層能合理地反映整個模型中地層的分布情況。橋位處地層參數見表1，結構材料參數見表2。

表1 土層物理力學參數

2.2 計算模型的確定

為模擬盾構隧道對橋梁樁基、承臺、托換樁基、托換承臺的影響，根據隧道與橋梁托換結構的相對位置關系，建立長寬高120m×80m×50m 三維模型。模型共有總單元數223196 個單元，98301 個節點。托換梁、托換淺基礎、托換樁基均采用3D 實體單元，盾構隧道采用殼單元進行模擬，地層采用修正摩爾一庫倫彈塑性本構模型。

模型的邊界條件選取：土體上表面為透水自由表面，允許自由沉降，且孔壓為零；左右兩側邊界則約束水平向位移；土體底部則約束豎向土體位移。模型見圖4。

圖4 計算模型有限元網格

2.3 計算模擬工序步驟

根據施工方案，并結合軟件施工階段助手功能，近似模擬盾構隧道下穿既有橋梁的施工過程：

⑴首先激活地層、填土路基、既有橋梁基礎及托換梁、托換樁基。

⑵初應力分析，位移清零。

⑶盾構施工區間隧道。

⑷施工區間盾構管片。

3 數值模擬結果分析

3.1 地層及隧道水平位移分析

根據數值計算結果可知，在盾構隧道施工后，地層X 向位移在兩側橋臺處河岸處較大，分別為1.34mm 和0.91mm，見圖5。Y 向水平位移在隧道兩側的土體附近最大，分別為1.04mm（左線隧道）和1.18mm（右線隧道），位移方向均向外，見圖6。

圖5 地層X向水平位移云圖

圖6 地層Y向水平位移云圖

在盾構隧道施工后，隧道結構X 向位移在兩側橋臺處河岸處較大，分別為0.17mm 和0.15mm，見圖7。Y 向水平位移同樣在橋臺處的隧道兩側最大，分別為1.04mm（左線隧道）和1.18mm（右線隧道），位移方向均向外，見圖8。

圖7 隧道X向水平位移云圖

3.2 地層及隧道豎向位移分析

在盾構隧道施工后，地層最大豎向位移位于1 號橋臺處，最大值為2.68mm，見圖9。

圖9 地層豎向位移云圖

隧道結構豎向位移總體上表現為拱頂下沉、拱底向上隆起，且在兩端位置較大。拱頂最大沉降量為2.68mm，拱底最大隆起量為1.58mm，見圖10。

圖10 隧道豎向位移云圖

3.3 橋梁位移分析

根據數值計算結果可知，隧道開挖后，托換結構X向變形較小，最大值為0.37mm，位于1 號橋臺托換樁樁頂，見圖11。Y 向變形最大值為1.17mm，位于2 號橋墩墩頂，見圖12。橋梁沉降最大值為1.56mm，位于1 號臺最外側托換樁處。1～4 墩臺沉降量分別為1.56mm、0.93mm、0.85mm、0.74mm，單個墩臺看，沉降位于橋梁內側，外側則出現輕微上翹，見圖13。

圖11 橋梁X向水平位移云圖

圖12 橋梁Y向水平位移云圖

圖13 橋梁豎向位移云圖

綜合分析可以看出，托換結構變形特征整體表現為內側位移較大，外側位移較小，即向內側微傾，分析主要原因在于被截斷的樁基均位于橋梁內側，由于樁基被截斷，使得內側樁長變短，從而使得結構受盾構下穿施工引起的位移效應較大。

4 變形控制標準

由于公路相關規范中，沒有專門針對地鐵下穿橋粱時橋梁容許變形的條文規定，需要參考各規范[9-10]中相關的內容，并結合工程經驗進行確定，本工程的變形控制標準見表3。

表3 結構變形控制標準

5 結論

通過有限元數值模擬分析得出：

⑴盾構隧道下穿既有橋梁結構過程中，地表（路基）最大沉降量為2.68mm，小于變形控制標準20mm；地表（路基）最大隆起量為1.58mm，小于變形控制標準10mm，因此盾構施工過程中路基是安全的。

⑵橋梁沉降量最大值為1.56mm，小于變形控制標準15mm。相鄰墩臺的最大沉降差出現在1 號臺與2 號墩之間，最大沉降差為0.63mm，小于變形控制標準，因此橋梁結構在隧道下穿過程中是安全的。

因此，從理論分析結果可知本橋在區間隧道盾構掘進施工過程中是安全的，盾構掘進不會危害橋梁結構的正常運營。