地鐵盾構(gòu)隧道穿越高架橋梁基的力學行為分析

楊 俊，邵生俊

(1.西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安710048;2.陜西省黃土力學與工程重點實驗室，陜西 西安710048)

21世紀，隨著地下空間的蓬勃發(fā)展，盾構(gòu)施工技術(shù)也得到了大力提升，同時遇到了一系列的工程項目難題。如何避免對土體的過大擾動，減少和預測土體、基礎(chǔ)、臨近建筑物的沉降顯得尤為重要。目前，沉降變形的分析方法主要分為三種:(1)經(jīng)驗公式法;(2)模型試驗法;(3)數(shù)值模擬法。經(jīng)驗公式法，具有一定的局限性，對于特殊土層，特殊地區(qū)的分析不具有普適性。模型試驗方法，也受到了現(xiàn)有條件的限制，從客觀上講不能夠完全反映實際工程土體變形的本質(zhì)。數(shù)值模擬方法不受模型與邊界的限制，資金投入也較小，并且隨著應(yīng)用程序的不斷開發(fā)，數(shù)值模擬方法能夠較為全面真實地模擬與反映工程實際[1]。但目前的數(shù)值模擬技術(shù)并不成熟，用三維模型模擬盾構(gòu)穿越橋梁的情況也并不多見。本文采用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)針對蘭州某工程盾構(gòu)隧道穿越橋基進行數(shù)值模擬，對工程中遇到的問題進行改善處理，具有一定的實際工程意義。

1 工程概況

解放門立交為白銀路至西津東路、白銀路至臨夏路的雙層立交橋，橋面寬9 m，均為雙向兩車道。高架橋梁上部結(jié)構(gòu)形式為20 m跨的箱型連續(xù)梁?；A(chǔ)為雙樁承臺，承臺尺寸為:7.9 m×3.80 m×2.0 m(長×寬 ×高)，樁徑1.5 m。隧道與橋樁最近為0.617 m，區(qū)間內(nèi)樁端覆土厚度約18.1 m。橋面承受偏心荷載:立交匝道橋面走向均為弧線，橋面需傾斜一定角度為車輛轉(zhuǎn)彎提供向心力。區(qū)間覆土情況及力學參數(shù)如表1所示。

表1 各土層及結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

2 數(shù)值模擬方法

2.1 模型建立

本文采用有限差分軟件FLAC3D建立三維數(shù)值模型，模擬雙線盾構(gòu)隧道穿越解放門立交橋過程中對橋基影響和地面的變形情況。模型水平方向120 m，盾構(gòu)機掘進方向75 m，豎直方向50 m，兩盾構(gòu)隧道中心水平間距50 m，隧道中心埋深20 m，洞徑6 m。開挖每次步長6環(huán)(7.5 m)，土體采用彈塑性模型，摩爾庫倫強度破壞準則;橋墩、橋樁、承臺、橋面均采用實體單元模擬，襯砌采用Shell單元。模型共90 704單元，95 644個節(jié)點，見圖1。

圖1 高架橋梁與盾構(gòu)隧道相互關(guān)系三維示意圖

2.2 盾構(gòu)施工方法模擬

通常盾構(gòu)開挖引起地表的位移主要包括四個方面[2]:(1)當開挖面上的水平推力大于或者小于原始側(cè)向應(yīng)力時造成了盾構(gòu)上方地面的隆沉。(2)盾構(gòu)機通過時，由于盾殼對于土體的摩擦力，對土體造成了一定程度的擾動，導致了地表位移。(3)盾尾脫離后，由于盾尾空隙的出現(xiàn)，注漿不及時(包括漿體硬化需要一定時間)或者注漿不足(過充)等造成地表隆沉。(4)盾構(gòu)施工后，由于改變了原始地層結(jié)構(gòu)而后產(chǎn)生的蠕變變形與固結(jié)變形。其中，(1)、(3)兩個方面，開挖面上的水平推力的大小以及盾尾空隙的存在而造成的地層應(yīng)力釋放是產(chǎn)生地表變形的主要原因，如何選擇合適的參數(shù)以及盡可能真實地模擬盾構(gòu)機掘進的真實狀況是至關(guān)重要的。根據(jù)相關(guān)資料[3－9]，確定如下的模擬工序:(1)土體開挖與開挖面支護階段;(2)盾構(gòu)推進與襯砌拼裝階段;(3)盾尾脫空與壁后注漿階段;(4)固結(jié)沉降階段[10]。

建立模型在生成橋梁并施加橋面荷載之后，對盾構(gòu)的施工過程進行模擬，主要模擬盾構(gòu)各個工序的施工特點。根據(jù)實際情況，設(shè)置每一步的掘進的距離，把隧道分成多步進行開挖:

(1)開挖階段，在開挖掌子面施加大小為1.2(pz+pw)(注:pz為土壓力，pw為水壓力)，變化梯度為K0(pz+pw)的壓力，來模擬盾構(gòu)機的土艙對掌子面的壓力作用(K0為土層側(cè)壓力系數(shù))。

(2)把當前開挖段需要開挖的土體“殺死”，同時施加盾構(gòu)環(huán)向及掌子面的支撐力。

(3)在當前開挖段環(huán)向施做Shell單元，模擬盾構(gòu)機架的承土效應(yīng)。

(4)盾尾施加注漿壓力(注漿過程中注漿壓力一般為0.1 MPa～0.3 MPa，這里取0.3 MPa)，模擬盾尾注漿。

(5)盾尾施做襯砌管片，同時開挖下一環(huán)土體。

(6)釋放盾尾注漿壓力，模擬漿液逐漸硬化。

3 圍巖沉降變形及襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

3.1 開挖完成時沉降分析

圖2給出了右線隧道掘進完成后隧道軸向Y=33 m剖面不同地層深度的豎向變形曲線。由圖2可見，地層沉降在橫斷面上的曲線分布呈正態(tài)分布。在洞軸線正上方出現(xiàn)最大位移12.7 mm，隨著深度的減小，最大位移減小。同時隨著距離洞軸線越來越遠，盾構(gòu)對于地層的擾動越來越小，造成的沉降也越來越小，在距離洞軸線30 m處趨近于0。

土層深度在隧道拱頂上方時，深度越大，產(chǎn)生的最大位移越大，并且“單峰”特征越來越明顯，呈現(xiàn)瘦長狀。深度較小時，曲線相對平緩。在整個橫斷面上，并不表現(xiàn)為深度越大，沉降越大。而是在距離洞軸線一定的范圍內(nèi)遵循以上的規(guī)律，在大于這樣的范圍，呈現(xiàn)相反的規(guī)律，即深度越大，沉降越小。而沉降槽寬度隨著深度的增加減小，越接近地表越大，在Z=0即地表時達到最大值。

土層深度在隧道拱頂下方(Z=17.5 m)時，橫斷面上各點均小于拱頂以上深度的沉降，此時曲線包絡(luò)于地表到拱頂以上深度的曲線，同時沉降槽寬度也較拱頂以上小。從拱頂?shù)窖龉吧疃?，隨著深度加大，“單峰”特征越來越不明顯，曲線趨于平緩，逐漸趨于零。

圖2 右線隧道掘進完成后隧道軸向Y=33 m剖面不同地層深度的豎向變形曲線

圖3 給出了雙線隧道掘進完成后隧道軸向Y=33 m的剖面不同地層深度的豎向變形曲線，土層深度在拱頂上方時，隨著深度的加大，曲線“雙峰”特征愈加明顯，并且右側(cè)峰值都較左側(cè)峰值大，這是由于先開挖右洞完成后開挖左洞，先掘進的右線隧道對原始地層的擾動劣化，導致先掘進的隧道沉降較大。雙線隧道掘進完成時的曲線類似于兩個單線隧道的疊加，同時也呈現(xiàn)與單線開挖完成時的沉降曲線相近的性質(zhì)特征。比較圖2、圖3發(fā)現(xiàn)雙洞開挖完成時，沉降值疊加并不明顯，一方面是泥巖的成層性帶來的疊加效果較不明顯。另一方面是隧道開挖時，隧道相隔距離較大(此時單線隧道的影響范圍大約在30 m左右，雙線隧道洞軸線相距50 m)，以至疊加效果細微。

圖3 雙線隧道掘進完成后隧道軸Y=33 m剖面不同地層深度的豎向變形曲線

3.2 開挖完成后橋基應(yīng)力及變形分析

盾構(gòu)掘進，勢必對土體產(chǎn)生擾動，土體的變形使樁的應(yīng)力位移發(fā)生變化，而臨洞面和背洞面的影響不一，使得樁產(chǎn)生不均勻影響，導致樁身傾斜和撓曲變形，威脅建筑結(jié)構(gòu)的安全。以下對盾構(gòu)掘進完成時，樁產(chǎn)生的應(yīng)力，位移變化以距離左線隧道0.8 m的9#墩前樁為例進行分析。

圖4給出雙線隧道掘進完成時9#墩前樁8個不同方位水平應(yīng)力增量與深度大小的關(guān)系，可以明顯看出隨著深度的增大水平應(yīng)力增量增大。在樁的上端部增量基本相同，這主要是距隧道距離較遠，主要由土體的微弱位移引起的應(yīng)力變化。樁身下半部影響較大，且在隧道拱頂以上時，應(yīng)力增量增長較為緩慢，在隧道以下到樁端的樁身應(yīng)力增量突然增大，在樁端達到最大值，此時樁端與水平洞軸線齊平。開挖完成，樁身的臨洞面的水平向應(yīng)力較背洞面大，這是因為開挖后樁側(cè)土體向隧道方向收斂變形，導致了樁身的兩側(cè)土體壓縮性不對稱，在橋載的作用下，臨洞方向樁身水平應(yīng)力及軸力增加較背洞面大，致使樁身產(chǎn)生不均勻沉降。

圖4 雙線隧道掘進完成后9#墩前樁不同方位水平應(yīng)力增量與深度大小的關(guān)系

圖5 給出了雙線隧道掘進完成后9#墩前樁不同方位豎向應(yīng)力增量與深度大小的關(guān)系。隧道開挖后，側(cè)摩阻力減小，樁身軸力增量逐漸增加，在近樁端處達到增量最大值。此時橋梁荷載大部分由樁端承擔，樁端位于隧道水平洞軸線側(cè)，附近土體表現(xiàn)為向洞內(nèi)的收斂變形，樁端持力層土體并不穩(wěn)定，對建筑危害性較大，減小樁端土體的擾動，維持持力層原始地應(yīng)力對橋梁結(jié)構(gòu)安全尤為關(guān)鍵。

圖5 雙線隧道掘進完成后9#墩前樁不同方位豎向應(yīng)力增量與深度大小的關(guān)系

并且如圖6所示，樁身下部向洞內(nèi)方向移動，樁上端由地表柱、承臺約束與其他樁合成一個整體，樁身上部呈現(xiàn)背離洞方向位移，致使樁身傾斜較大，樁不在單受軸向壓縮，而是剪壓扭等共同作用的復雜受力狀態(tài)，嚴重威脅上部結(jié)構(gòu)橋面及樁身安全。因此減小樁身傾斜對保證橋梁安全至關(guān)重要。

圖6 雙線隧道掘進完成后9#墩前樁樁身水平位移與深度相關(guān)關(guān)系

4 注漿加固措施分析

為減小對橋基擾動，減小基礎(chǔ)不均勻沉降，現(xiàn)對模型內(nèi)隧道左線0～75 m，隧道右線0～49 m進行噴漿加固。對隧道預先噴漿加固，對于減小掌子面上開挖引起的擾動范圍(即對控制等代層厚度)和增加圍巖自穩(wěn)能力都具有極好的作用，以下提取原始不加固與噴漿加固隧道雙線掘進完成時，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的最大沉降如表2、表3所示，對比不加固與加固后盾構(gòu)隧道開挖后對地層的擾動。噴漿加固對豎向位移的影響較為明顯，相較于不加固的盾構(gòu)開挖，豎向沉降減少了52% ～65%，最大水平向位移也減少了35% ～67%，沿盾構(gòu)機掘進方向減少44%～56%，由此可見，噴漿加固對于減小盾構(gòu)機對土層的擾動有明顯的效果，對于有效減小不均勻沉降，減小施工差異帶來的沉降均具有良好的工程效果。

表2 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位位移(未加固)

表3 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位位移(加固)

開挖后，橋面出現(xiàn)少許反拱現(xiàn)象，這是由于樁身不均勻沉降所致。本文模擬的橋墩與橋面之間的接觸實際工程中是個很小的墊片類似圓形或者三角形支座墩帽控制兩個方向位移不限制轉(zhuǎn)動，這個墩帽的作用，不僅可以減小橋面荷載、溫度變化給橋基帶來附加的變形，同時也可以減小橋基不均勻沉降給橋面帶來張拱作用。本文模擬時直接用實體單元約束了三個方向，這是本文不完善的地方。

5 結(jié)論

(1)單線開挖完成后，地層沉降在橫斷面上的沉降曲線呈正態(tài)分布，并隨著深度增加，沉降槽寬度逐漸減小。雙線沉降曲線，相當于兩個單線隧道的疊加，并且先開挖隧道對地層的劣化擾動，使得先開挖隧道較后開挖隧道沉降值大。

(2)雙線隧道開挖完成后，對樁身的水平應(yīng)力及軸向應(yīng)力影響由上而下逐漸增大，在近樁端達到最大值。樁身下部向洞內(nèi)方向收斂變形，樁頂基本保持不變位。

(3)對盾構(gòu)開挖進行超前噴漿加固，雙線隧道開挖完成后，對比橋梁關(guān)鍵部位加固與不加固水平及豎向位移，加固后，減小不均勻沉降、維持橋梁基礎(chǔ)持力層穩(wěn)固以及控制橋梁沉降均達到了設(shè)計安全要求，對指導施工有一定積極作用。

[1]肖 立，張慶賀.鐵路軌道下盾構(gòu)施工所致地面沉降的數(shù)值模擬[J].同濟大學學報:自然科學版，2011，39(9):1287-1291.

[2]秦建設(shè).盾構(gòu)施工開挖面變形與破壞機理研究[D].南京:河海大學，2005.

[3]劉建航，侯學淵.盾構(gòu)法隧道[M].北京:中國鐵道出版社，1991.

[4]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國工業(yè)出版社，2009.

[5]張慶賀，朱忠隆，楊俊龍，等.盾構(gòu)推進引起土體擾動理論分析及試驗研究[J].巖石力學與工程學報，1999，18(6):699-703.

[6]朱忠隆，張慶賀.盾構(gòu)法施工對土體影響理論與試驗研究[J].巖石力學與工程學報，1999，18(增刊):1087-1090.

[7]張 云，殷宗澤，徐永福.盾構(gòu)法隧道引起的地表變形分析[J].巖石力學與工程學報，2002，21(3):388-392.

[8]朱才輝，李 寧，柳厚祥，等.盾構(gòu)施工工藝誘發(fā)地表沉降規(guī)律淺析[J].巖土力學，2011，32(1):158-164.

[9]王 強，邵生俊，陸 斯，等.西安地鐵明挖黃土隧道濕陷變形工程特性分析[J].地下空間與工程學報，2014，10(增 1):1640-1645.

[10]王炳軍，李 寧，柳厚祥，等.地鐵隧道盾構(gòu)法施工對樁基變形與內(nèi)力的影響[J].鐵道科學與工程學報，2006，3(3):35-40.