地鐵區(qū)間近距離穿越施工對(duì)既有市政橋梁結(jié)構(gòu)變形風(fēng)險(xiǎn)分析

王 根， 夏 陽

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵區(qū)間隧道不可避免地會(huì)穿越既有市政橋梁結(jié)構(gòu)等。在盾構(gòu)隧道穿越橋梁樁基施工過程中，若引起樁基或承臺(tái)變形較大，將可能導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形，使得橋梁結(jié)構(gòu)開裂、傾斜，為既有橋梁的安全和正常使用埋下隱患。本文結(jié)合合肥地鐵4號(hào)線呈坎路站-大強(qiáng)路站區(qū)間隧道穿越南北一號(hào)高架橋(龍川路段)及龍川路右轉(zhuǎn)匝道橋工程，通過三維計(jì)算模擬盾構(gòu)隧道雙線施工過程中對(duì)穿越段橋梁結(jié)構(gòu)的影響，分析預(yù)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的趨勢(shì)及變形值。為工程施工中針對(duì)重點(diǎn)影響區(qū)采取必要加固措施提供依據(jù)，也給類似區(qū)間隧道穿越市政橋梁工程提供參考。

1 工程概況

1.1 區(qū)間概況

呈坎路站-大強(qiáng)路站區(qū)間隧道位于合肥市包河區(qū)高鐵片區(qū)，是合肥地鐵4號(hào)線工程的重要組成部分。隧道采用盾構(gòu)法施工，由大強(qiáng)路站向呈坎路站掘進(jìn)，盾構(gòu)管片外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，襯砌0.3 m，彎螺栓連接成環(huán)。隧道穿越南北一號(hào)高架橋和龍川路右轉(zhuǎn)匝道橋，穿越段區(qū)間隧道埋深約為20 m，位于⑥2黏土層。

1.2 橋梁概況

南北一號(hào)高架橋工程于2011年12月竣工，橋梁主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土變截面箱梁，基礎(chǔ)為C30鉆孔灌注樁，樁徑1.8 m，樁長(zhǎng)46 m，樁端入⑧13中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層。龍川路右轉(zhuǎn)匝道橋連接包河大道和龍川路,于2014年竣工，匝道橋第一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)為普通鋼筋混凝土箱梁，第二聯(lián)上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。橋墩采用直徑1.6 m獨(dú)柱墩，重力式橋臺(tái)，基礎(chǔ)為C30鉆孔灌注樁，樁徑1.4 m，樁長(zhǎng)38 m，樁端入⑧13中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層。

區(qū)間隧道側(cè)穿南北一號(hào)高架橋上跨龍川路一聯(lián)，跨徑為35 m+50 m+35 m，橋梁寬25.5 m，該聯(lián)包括197號(hào)、198號(hào)、199號(hào)、200號(hào)橋墩。隧道外皮距離200號(hào)橋墩樁基邊緣最近距離1.0 m；區(qū)間隧道側(cè)穿龍川路右轉(zhuǎn)匝道橋1～8號(hào)橋墩，距離龍川路右轉(zhuǎn)匝道橋1號(hào)橋墩樁基邊緣最近距離1.1 m，相對(duì)關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 區(qū)間隧道與橋梁平面關(guān)系

圖2 區(qū)間隧道與主橋及匝道橋剖面關(guān)系

2 有限元模型

盾構(gòu)隧道在穿越橋梁的施工過程中，掌子面頂推力、盾構(gòu)掘進(jìn)速度、注漿效果等施工控制因素都會(huì)對(duì)地層、上部橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，不同的施工控制因素產(chǎn)生的影響是不同的，在數(shù)值計(jì)算中通過等代層法分析施工控制因素的影響。采用MIDAS GTS NX軟件建立區(qū)間隧道穿越段的三維有限元模型，如圖3所示，通過對(duì)地層的簡(jiǎn)化和假設(shè)，取計(jì)算模型長(zhǎng)150 m，寬80 m，高60 m。模型底部邊界條件為x、y、z方向約束，兩側(cè)邊界條件為x或y方向的水平約束。

圖3 有限元模型

2.1 基本假定

數(shù)值模擬過程中，為了盡可能達(dá)到與實(shí)際相符的計(jì)算環(huán)境，需要對(duì)地層及結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分簡(jiǎn)化和處理，以適應(yīng)計(jì)算理論和軟件，本次計(jì)算基本假定包括：

(1)初始應(yīng)力只考慮圍巖的自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響；

(2)所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性，土體水平成層分布；

(3)圍巖按修正摩爾-庫侖理想彈性材料考慮；

(4)機(jī)械荷載不考慮機(jī)械在運(yùn)作過程中產(chǎn)生的震動(dòng)荷載。

2.2 計(jì)算參數(shù)取值

依據(jù)區(qū)間隧道設(shè)計(jì)文件，橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)及地層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 穿越段地層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2.3 計(jì)算過程

根據(jù)工籌設(shè)計(jì)，本區(qū)間采用兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，均由大強(qiáng)路站下井始發(fā)，掘進(jìn)至呈坎路站接收吊出。區(qū)間左線盾構(gòu)機(jī)先行始發(fā)掘進(jìn)，掘進(jìn)長(zhǎng)度≥100 m且間隔≥1個(gè)月后，右線盾構(gòu)機(jī)再始發(fā)掘進(jìn)，平均每天掘進(jìn)速度為6～8 m。建模完成后，按照工籌設(shè)計(jì)隧道施工主要計(jì)算步驟為：

(1) 計(jì)算土體初始地應(yīng)力場(chǎng)；

(2) 位移清零；

(3) 橋梁基礎(chǔ)施工；

(4) 隧道分步開挖計(jì)算，每6 m為一個(gè)施工步，每個(gè)階段包括開挖和支護(hù)兩個(gè)施工步序；

(5) 計(jì)算結(jié)果提取，數(shù)據(jù)整理，結(jié)果分析。

3 計(jì)算結(jié)果分析

本簡(jiǎn)化模型計(jì)算中通過等代層法分析施工控制因素的影響，不考慮隧道掘進(jìn)施工對(duì)橋樁的多次擾動(dòng)，計(jì)算數(shù)值與實(shí)際沉降存在一定的偏差，但計(jì)算結(jié)果不影響分析預(yù)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的趨勢(shì)。因此針對(duì)開挖過程中地表沉降、橋墩沉降及橋墩間差異沉降和承臺(tái)水平變形分別進(jìn)行了研究分析。

3.1 地表沉降

隧道開挖造成地層損失，地表產(chǎn)生明顯的沉降槽：左線開挖后地表沉降累計(jì)計(jì)算值最大為3.6 mm，雙線開挖后地表沉降累計(jì)計(jì)算值最大為4.9 mm。開挖后地表沉降云圖如圖4、圖5所示。

圖4 左線開挖后地表沉降云圖

圖5 雙線開挖后地表沉降云圖

3.2 橋墩沉降

3.2.1 南北一號(hào)高架橋

隧道穿越橋梁過程中，影響區(qū)橋墩發(fā)生較明顯的沉降變形：左線穿越過后，橋墩沉降值逐漸趨于穩(wěn)定，200號(hào)橋墩穩(wěn)定在-1.4 mm；雙線穿越過后，橋墩沉降值再次趨于穩(wěn)定，200號(hào)橋墩穩(wěn)定在-1.7 mm，199號(hào)橋墩穩(wěn)定在-0.8 mm，如圖6所示。

圖6 200號(hào)、199號(hào)橋墩沉降隨隧道施工階段的變化曲線

3.2.2 龍川路右轉(zhuǎn)匝道橋

區(qū)間隧道穿越匝道橋1～8號(hào)橋墩，隧道穿越橋梁計(jì)算過程中，影響區(qū)橋墩沉降變形與南北一號(hào)高架橋橋墩類似。左線穿越過后，0～4號(hào)承臺(tái)沉降值逐漸趨于穩(wěn)定，1號(hào)穩(wěn)定在-3.0 mm，0號(hào)穩(wěn)定在-1.1 mm，5～8號(hào)承臺(tái)橋墩無沉降；雙線穿越過后，1號(hào)穩(wěn)定在-4.9 mm，0號(hào)穩(wěn)定在-1.1 mm，4號(hào)穩(wěn)定在-2.7 mm，3號(hào)穩(wěn)定在-2.5 mm，2號(hào)穩(wěn)定在-1.9 mm，8號(hào)穩(wěn)定在-2.7 mm，7號(hào)穩(wěn)定在-2.7 mm，6號(hào)穩(wěn)定在-2.8 mm，5號(hào)穩(wěn)定在-2.9 mm，如圖7、圖8所示。

圖7 施工中0～4號(hào)承臺(tái)沉降變化曲線

圖8 施工中5～8號(hào)承臺(tái)沉降變化曲線

3.2.3 橋墩差異沉降

根據(jù)各橋墩最終沉降匯總，計(jì)算相鄰橋墩差異沉降，結(jié)果見表2、表3。隧道施工完成后，南北一號(hào)高架橋200號(hào)、201號(hào)橋墩差異沉降大小為1.7 mm，最大差異沉降率為0.057‰；龍川路右轉(zhuǎn)匝道0號(hào)、1號(hào)橋墩差異沉降大小為3.7 mm，最大差異沉降率為0.211‰。

表2 區(qū)間隧道施工各承臺(tái)差異沉降計(jì)算(1)

表3 區(qū)間隧道施工各承臺(tái)差異沉降計(jì)算(2)

3.3 承臺(tái)水平變形

3.3.1 南北一號(hào)高架橋

隧道穿越橋梁樁基計(jì)算過程中，影響區(qū)樁頂發(fā)生較明顯水平位移，即表現(xiàn)為承臺(tái)水平變形：雙線隧道穿越過后，水平變形200號(hào)承臺(tái)穩(wěn)定在-0.9 mm，199號(hào)承臺(tái)穩(wěn)定在0.4 mm,如圖9所示。

圖9 承臺(tái)水平變形隨隧道施工階段的變化曲線

3.3.2 龍川路右轉(zhuǎn)匝道橋

區(qū)間隧道穿越匝道橋1～8號(hào)橋梁樁基，影響區(qū)承臺(tái)水平變形與南北一號(hào)高架橋承臺(tái)類似：當(dāng)左線隧道側(cè)穿橋梁樁基時(shí)，影響區(qū)承臺(tái)發(fā)生水平變形，雙線隧道穿越施工后，其中由于左右線隧道均側(cè)穿1號(hào)橋梁樁基，故1號(hào)橋墩水平變形先增大后減小。各承臺(tái)水平變形穩(wěn)定后最大值分別為：0號(hào)承臺(tái)為-1.2 mm，1號(hào)承臺(tái)為3.8 mm，2號(hào)承臺(tái)為2.9 mm，3號(hào)承臺(tái)為2.3 mm，4號(hào)承臺(tái)為3.4 mm，5號(hào)承臺(tái)為3.5 mm，6號(hào)承臺(tái)為3.4 mm，7號(hào)承臺(tái)為3.3 mm，8號(hào)承臺(tái)為3.3 mm,如圖10、圖11所示。

圖10 施工中0～4號(hào)承臺(tái)水平變化曲線

圖11 施工中5～8號(hào)承臺(tái)水平變化曲線

4 結(jié)束語

根據(jù)工程實(shí)例建立有限元模型，計(jì)算區(qū)間隧道施工過程中每個(gè)階段控制步各橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)的變形，分別分析了影響區(qū)的地表沉降、橋墩差異沉降及承臺(tái)水平變形。隧道穿越南北一號(hào)高架橋橋墩最大差異沉降為1.7 mm，承臺(tái)最大水平變形為0.9 mm；穿越龍川路右轉(zhuǎn)匝道橋橋墩最大差異沉降為3.7 mm，承臺(tái)最大水平變形為3.8 mm。即區(qū)間隧道在黏土層中穿越橋梁樁基施工，橋梁橋墩差異沉降及承臺(tái)水平變形值相對(duì)可控。

隧道穿越南北一號(hào)高架橋距離200號(hào)橋墩樁基最小凈距1.0 m，對(duì)應(yīng)橋墩沉降為1.7 mm，距離龍川路右轉(zhuǎn)匝道橋1號(hào)橋墩樁基最小凈距1.1 m，對(duì)應(yīng)橋墩沉降為3.7 mm。即區(qū)間隧道距離橋樁凈距越小風(fēng)險(xiǎn)越大，穿越施工時(shí)需考慮采取相應(yīng)工程措施降低施工風(fēng)險(xiǎn)。