地鐵盾構隧道側穿橋梁施工穩定性分析

楊利波

摘 ?要：盾構隧道施工過程中對原狀土體擾動較大，導致地表產生位移和變形，影響既有橋梁受力狀態。以青島地鐵2號線二期工程側穿金水橋為工程背景研究對既有橋梁變形的影響，通過建立三維有限元模型，模擬分析盾構施工過程對地表、隧道、既有橋梁沉降的影響，研究既有橋梁的受力變化規律。結果表明，地表位移基本符合Peck修正公式的變化規律，隧道水平收斂位移峰值點出現在拱頂處；橋墩主應力隨著橋墩深度增加而增大，橋墩豎向應力呈現為上部受拉、下部受壓狀態，橋墩軸力沿柱深均勻變化，且隨深度增加而增大；基礎剪應力沿著基礎橫向在橋墩范圍內較小，向四周擴散時線性增大。

關鍵詞：盾構隧道；既有橋梁；長距離側穿；數值模擬；穩定性分析

中圖分類號：U455.43 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0067-04

Abstract： In the process of shield tunnel construction， the undisturbed soil is disturbed greatly， which leads to the displacement and deformation of the surface， which affects the stress state of the existing bridge. Taking the side crossing Jinshui Bridge of Qingdao Metro Line 2 as the engineering background， the influence on the deformation of the existing bridge is studied by establishing a three-dimensional finite element model to simulate and analyze the influence of the shield construction process on the settlement of the surface， tunnel and existing bridges. The results show that the surface displacement basically accords with the variation law of the Peck modified formula， and the peak point of the horizontal convergence displacement of the tunnel appears at the arch top， the principal stress of the pier increases with the increase of the pier depth， the vertical stress of the pier presents a state of tension at the upper part and compression at the lower part， and the axial force of the pier varies uniformly along the column depth， and increases with the increase of the depth. The shear stress of the foundation is small in the range of the pier along the transverse direction of the foundation， and increases linearly when it spreads around.

Keywords： shield tunnel; existing bridge; long distance side penetration; numerical simulation; stability analysis

新建雙線盾構隧道在施工過程中會造成隧道周圍土體擾動、地層原始地應力的重新分布等情況，進而會引起鄰近橋梁基礎周圍的土體與既有橋梁基礎之間發生一定程度的相對位移，橋梁上部結構會由于基礎產生的位移變形而出現傾斜、開裂等情況[1]。

王騰[2]采用三維數值仿真分析的方法對某地鐵區間下穿高架橋梁樁基進行了分析研究，徐前衛等[3]根據對盾構側穿橋梁基礎施工過程的動態模擬分析，得出了盾構穿越施工導致地層和橋梁結構變形過大的結論，周鑫等[4]通過研究盾構掘進過程對地層沉降及鄰近橋梁樁基影響規律得出雙線盾構隧道開挖對地層臨近中間樁基沉降影響較大的結論，張秀山等[5]采用三維計算模型對比分析有無注漿2種工況下橋墩變形特征得出注漿加固對控制橋梁變形起到很好的效果，龔興旺等[6]針對雙線盾構隧道側穿高鐵橋梁樁基的影響研究提出了盾構掘進過程中對于橋梁樁基需要采取的防護措施。

不同地質條件下盾構隧道施工對原狀土體擾動具有一定的差異，因此，需要根據具體工況具體分析。以青島地鐵2號線二期工程佛合區間盾構隧道側穿金水橋為背景，通過建立三維數值模型，研究盾構隧道施工過程中對既有橋梁的影響性分析。

1 ?工程概況

青島地鐵2號線二期工程佛合區間全長960 m，左、右隧道間距13 m；區間自佛耳崖站引出，雙線沿金水路直行，以700 m曲線半徑折向東北方向，而后以800 m曲線半徑下穿侯家莊河側穿金水橋。金水橋全長約165 m，寬約40.5 m，橋梁上部為普通混凝土連續橋板，下部為直徑1.1 m的混凝土橋墩和擴大基礎，區間與基礎最小水平凈距為1.85 m。侯家莊河為城市景觀河道，水深約2.5 m，距離河底設計高程最小凈距7.7 m，橋隧位置關系圖如圖1所示。

區間隧道主要穿行于強風化花崗巖上亞帶、強風化花崗巖下亞帶、中風化花崗巖和微風化花崗巖，各地層主要物理力學參數見表1。

2 ?數值模擬方法與過程

2.1 ?數值模擬方法

通過考慮盾構隧道施工區間內既有橋梁位置及盾構施工的影響區域，將盾構施工的三維模型的尺寸選取為200 m×160 m×60 m（長×寬×高），模擬右線隧道開挖141環、左線隧道開挖137環，右線隧道開挖50環后開挖左線隧道。模型邊界以外區域的位移和應力變化與盾構施工幾乎不會相互影響，盾構模型整體示意圖如圖2所示。

模型中盾構區間所穿越地層簡化為水平勻質分布地層，采用摩爾-庫倫本構建立3D單元模型，根據建筑物的實際尺寸及隧道與既有橋梁的位置關系，采用各相同性本構建立橋梁的3D單元模型，通過建立實體模型得到了隧道的注漿區域和開挖區域，分別對其外表面進行單元析取的操作，采用各相同性本構得到盾構外殼和管片的2D板單元模型。模型建立所需構件材料見表2。

對模型整體施加自動邊界條件，默認約束模型底部X、Y方向位移，左右約束X方向位移，前后約束Y方向位移。同時，對注漿層土體設置改變屬性條件，使其原有的土層屬性改變為注漿屬性。除重力外與等效水壓力外，荷載分為隧道掘進壓力0.12 MPa、管片千斤頂力0.1 MPa、管片注漿壓力0.15 MPa。荷載布置示意圖如圖3所示。

2.2數值模擬過程

數值分析軟件施工階段的模擬是通過激活/鈍化相關網格組、荷載組及邊界條件等，模擬盾構施工中的隧道開挖、管片拼接、同步注漿等施工過程。具體施工步驟如下。

計算初始應力場，激活橋梁、所有土層與隧道開挖區域，激活自重、等效水壓力與邊界條件，清零位移；激活右線第1環盾殼與掘進壓力，鈍化第1環開挖區域；激活右線第2環盾殼、掘進壓力、第1環管片與千斤頂力，鈍化第2環開挖區域與第1環盾殼；激活右線第3環盾殼與掘進壓力、第2環管片與千斤頂力、第1環管片注漿與注漿壓力和第1環管片注漿屬性，鈍化第3環開挖區域、第2環盾殼與第1環管片千斤頂力。以此循環掘進，當右線隧道掘進至第51環時，開始掘進左線隧道第1環。

3數值計算結果分析

3.1盾構施工對地層的影響分析

盾構隧道開挖后引起土體應力釋放，土體應力發生重分布現象，近隧道周圍土體應力變化較大，遠隧道土體應力變化較小，由于應力變化而引起土體變形。地表位移如圖4所示，由圖4可知，盾構雙線隧道貫通后，右線隧道正上方地表沉降量最大，最大值為3.8 mm。

3.2 ?盾構施工對隧道圍巖的影響分析

3.2.1隧道豎向位移分析

隧道豎向位移等值線圖如圖5所示，由圖5可以看出左右線隧道貫通后，距離開挖面越近的土體所受擾動越大，豎向位移最大值出現在右線隧道拱頂處約6.2 mm，隨著遠離開挖面豎向位移逐漸減小。

3.2.2隧道水平收斂位移分析

選取模型開挖完成后的中點處隧道斷面，繪制隧道水平收斂位移曲線，如圖6所示。從圖6中可以看出，在左右線隧道中心線上方各有一個峰值點，最大位移值為6.15 mm，雙線隧道中心線中間土體沉降小于該值。

3.3 ?盾構施工對橋梁的受力特性影響分析

3.3.1 ?橋墩受力特性分析

橋墩主應力的分布規律為隨著橋墩深度增加而逐漸增大，最大主應力出現在橋墩與擴大基礎交界處約為5.34 MPa；橋墩的豎向應力呈現為上部受拉、下部受壓狀態，最大拉應力出現在橋墩頂端約4.43 MPa，最大壓應力出現位置與最大主應力相同位置約5.06 MPa。由圖7橋墩軸力變化曲線示意圖可知，橋墩軸力沿柱深均勻變化，且隨深度增加而逐漸增大。

3.3.2 ?橋梁擴大基礎受力特性分析

基底反力分布規律[7]表現為柱墩垂直部位基底反力較大，向四周逐漸減小，到邊緣處又有所增大。圖8為橫向基底反力變化曲線圖，從圖8可以看出，基礎墩柱處和邊緣處反力具有明顯的突變現象，符合基底反力分布規律。模型中采用的橋梁墩柱為四墩結構，由圖9可知，沿著基礎橫向的剪應力在柱墩范圍內較小，向四周擴散時呈現線性增大，直到到達最大值處，向邊緣處或基礎中心部位移動則剪應力減小，趨勢明顯。

3.4 ?盾構施工對橋梁的變形特性影響分析

3.4.1 ?橋板豎向變形分析

左、右線隧道掘進完成后橋板最大豎向沉降值約為0.49 mm，出現在右線盾構隧道的橋板中后部；最小豎向位移沉降值約為0.35 mm，橋板最大差異沉降為0.14 mm。由于右線隧道距離橋板較近，故開挖對其影響更大；左線盾構距離橋板較遠，開挖時其變形不明顯。

3.4.2 ?橋墩豎向變形分析

隧道貫通后橋墩豎向位移最大值為0.60 mm，沿著隧道掘進方向出現在第4個橋墩處，橋墩距隧道越遠沉降值越??；掘進方向首個橋墩距離隧道最近，其豎向位移值為0.57 mm。

3.4.3 ?橋梁擴大基礎豎向變形分析

隧道掘進完成后擴大基礎最大值約為0.64 mm，出現在橋梁中部位置，最小值約為0.18 mm，擴大基礎距離隧道越遠其沉降值越小。

4 ?結論

通過建立數值分析模型，模擬地鐵盾構隧道側穿既有橋梁施工，針對性地分析盾構施工過程對地表、地層、既有橋梁沉降的影響，研究既有橋梁的受力變化規律，得出以下結論。

1）隧道豎向位移最大值出現在右線拱頂處約6.2 mm，隧道水平收斂位移在左、右線中心上方各出現峰值點，橋墩與橋梁擴大基礎最大變形位置出現在橋梁中部。

2）橋墩主應力隨著橋墩深度增加而逐漸增大，最大主應力出現在橋墩與擴大基礎交界處；橋墩豎向應力呈現為上部受拉、下部受壓狀態。

3）基礎墩柱處和邊緣處具有明顯的應力集中現象，且基礎角點處基底反力更為集中；基礎剪應力沿著基礎橫向在橋墩范圍內較小，向四周擴散時呈現線性增大趨勢明顯。

參考文獻：

[1] 饒靖鵬.地鐵雙線盾構隧道斜穿既有橋梁及鐵路路基的影響分析與研究[D].合肥：合肥工業大學，2022.

[2] 王騰.盾構隧道側穿既有橋梁樁基的相互影響研究[J].中國安全生產科學技術，2023，19（S1）：144-149.

[3] 徐前衛，崔越榜，王尉行，等.盾構側穿橋梁基礎的施工影響分析及其控制研究[J].城市軌道交通研究，2021，24（5）：26-30，36.

[4] 周鑫，楊建輝，劉濤.盾構法施工對近距離側穿橋梁樁基的影響分析[J].地下空間與工程學報，2022，18（2）：586-595.

[5] 張秀山，吳鎮，王磊，等.富水卵石層樁底小凈距盾構下穿京臺高速公路橋梁變形控制措施[J].科學技術與工程，2021，21（29）：12710-12717.

[6] 龔興旺，龔倫，鐘健，等.雙線盾構隧道側穿對高鐵橋梁樁基的影響研究[J].鐵道建筑技術，2021（12）：105-110.

[7] 李東軒.巖石地基公路橋梁與擴大基礎及下穿盾構隧道整體受力數值分析[D].重慶：重慶大學，2018.