盾構(gòu)隧道下穿城市立交橋影響性分析

游 輝

（中國鐵建股份有限公司 北京 100855）

1 引言

隨著我國城市軌道交通建設(shè)快速發(fā)展，地鐵隧道不可避免地臨近市政結(jié)構(gòu)，其中地鐵隧道穿越城市橋梁是較為典型的情況。按照地鐵隧道與城市橋梁的相對位置關(guān)系，可以將穿越劃分為下穿和側(cè)穿兩種類型，地鐵隧道下穿城市橋梁類型雖然較多，但目前尚未有系統(tǒng)的經(jīng)驗和成熟標(biāo)準(zhǔn)，穿越風(fēng)險仍然較大。

數(shù)值計算方法是分析盾構(gòu)隧道下穿橋梁的一個重要手段，基于數(shù)值計算的下穿研究主要有：楊貴永等［1］、徐慧宇等［2］對區(qū)間隧道下穿佛開高速橋進行有限元分析；房師濤［3］分析了盾構(gòu)掘進造成的地表沉降、周圍土體變形及鐵路橋墩的沉降變化，評價了上部鐵路橋的安全狀態(tài)，并提出了安全控制措施；王國富等對框架結(jié)構(gòu)、三軸攪拌樁結(jié)構(gòu)及隔離墻結(jié)構(gòu)3種主動預(yù)支護技術(shù)［4］和直線形、折線形、曲線形3種隔離樁布局形式［5］進行了數(shù)值分析；楊麗明［6］選擇簡支梁橋進行了下穿影響分析。在施工控制或監(jiān)測方面：沙原亭［7］結(jié)合某在建地鐵土壓平衡盾構(gòu)下穿橋梁樁基工程，總結(jié)一套下穿施工技術(shù)和監(jiān)測方法；李旺旺等［8］以監(jiān)測結(jié)果為基礎(chǔ)，對盾構(gòu)穿越橋梁不同施工階段變形沉降規(guī)律進行了詳細(xì)分析；苗峰等［9］利用實測數(shù)據(jù)對盾構(gòu)施工引起地面沉降、高架橋的影響進行了詳細(xì)分析。此外，還有將數(shù)值計算與監(jiān)測結(jié)合在一起的研究［10-12］。

2 工程概況

北京地鐵16號線木樨地站～木達(dá)區(qū)間盾構(gòu)接收井（不含）隧道自木樨地站南端（右K8＋571.592）出發(fā)，下穿永定河引水渠，沿規(guī)劃三里河南延路向南敷設(shè)，下穿蓮花池東路、北京西站～北京站地下直徑線、京九鐵路，到達(dá)木達(dá)區(qū)間盾構(gòu)接收井北端（右K9＋942.200）。區(qū)間隧道左、右線線間距為12～17.2 m，軌面高程為19.645～15.103 m，覆土厚約為22.7～24.9 m，區(qū)間縱坡為一字坡，最大坡度為4.191‰，采用盾構(gòu)法施工。在右K9＋010.000和右K9＋520.000處設(shè)置二座聯(lián)絡(luò)通道，聯(lián)絡(luò)通道采用礦山法施工。隧道采用C50（過M1線明挖區(qū)間段為C55）鋼筋混凝土管片、內(nèi)徑5 800 mm、外徑6 400 mm、厚300 mm、環(huán)寬1 200 mm。區(qū)間隧道與木樨地橋相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 木達(dá)區(qū)間與木樨地橋相對位置關(guān)系

3 橋梁位移控制標(biāo)準(zhǔn)

目前對隧道穿越橋梁情況尚未有明確標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，只能在已有道路橋梁規(guī)范情況下，結(jié)合具體工程實踐經(jīng)驗和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，由專家去論證在施工過程中需采取的控制措施和橋梁沉降值是否合理，以保證隧道安全施工。制定鄰近樁基的沉降值控制標(biāo)準(zhǔn)，通常用允許位移值進行控制，但其涉及的因素很多，既需要滿足承載力要求，又需要滿足樁基上部結(jié)構(gòu)的允許沉降值。國外也有相關(guān)經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，如日本規(guī)定新干線高架橋的相對豎向位移允許值為5 mm，水平位移為3 mm，道路立交橋允許的水平位移為10 mm，豎向位移為10 mm。結(jié)合國內(nèi)相關(guān)規(guī)范規(guī)定及穿越工程具體情況，鄰近橋梁樁基的沉降值控制標(biāo)準(zhǔn)：豎向位移按5 mm控制，相對位移按3 mm控制，水平位移按5 mm控制。

4 風(fēng)險控制措施

木達(dá)區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越木樨地橋時風(fēng)險控制措施主要有以下幾點：

（1）盾構(gòu)穿越前應(yīng)調(diào)整并確保盾構(gòu)機性能良好，嚴(yán)格控制掘進參數(shù)，保證勻速通過。

（2）盾尾應(yīng)及時注漿，充填管片與土體間的空隙，嚴(yán)格控制注漿量和注漿壓力，必要時進行二次注漿。

（3）工程影響范圍盾構(gòu)管片采用“三孔注漿管片”，盾構(gòu)推過后應(yīng)多次注漿加固穿越段周邊土體。

（4）盾構(gòu)施工前，預(yù)先對橋梁樁基周邊土體進行復(fù)合錨桿樁注漿加固（隔離）。

（5）盾構(gòu)施工過程中，加強監(jiān)測和巡視，及時反饋信息，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工參數(shù)，確保橋梁安全。

5 數(shù)值計算分析

5.1 數(shù)值模型的建立

圖2 三維有限元分析模型

采用MIDAS GTS有限元分析軟件建立木達(dá)區(qū)間下穿木樨地橋三維有限元分析模型（見圖 2），模型尺寸：X、Y、Z方向上長度分別約為151.86 m、59.24 m、100 m。邊界約束：底部約束X、Y、Z方向位移，四周約束X、Z方向位移，上表面為自由面。土體、隔離樁、橋墩、橋樁及承臺均采用實體單元模擬?？紤]到盾構(gòu)隧道開挖影響范圍有限，本次建模只考慮盾構(gòu)隧道掘進對木樨地橋4～5軸樁基及上部結(jié)構(gòu)的影響。模型中盾構(gòu)隧道與木樨地橋、1號線區(qū)間隧道及隔離樁相對位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道與橋梁、1號線隧道及隔離樁相對位置關(guān)系

5.2 計算參數(shù)

模型共分9個土層，各土層物理力學(xué)參數(shù)列于表1中，橋梁及1號線區(qū)間隧道計算參數(shù)列于表2中。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 材料計算取值

5.3 模擬工序與分析施工步

計算模擬中，盾構(gòu)分段掘進，左線盾構(gòu)先行掘進，右線盾構(gòu)開挖面與左線盾構(gòu)開挖面錯開20 m。

5.4 計算結(jié)果與分析

本文中橋樁編號如圖4所示：木樨地北橋每個承臺下2根橋樁，編號是依次由北向南；南橋每個承臺下4根橋樁，以東北角橋樁為起點，逆時針方向依次編號。

圖4 橋樁編號示意

橋樁位移隨著盾構(gòu)的推進是處于動態(tài)變化過程，選取其中5種典型的施工步進行結(jié)果分析，分別是：施工步1（左線盾構(gòu)到達(dá)北橋）、施工步2（左線盾構(gòu)到達(dá)南北橋中心線，右線盾構(gòu)達(dá)到北橋）、施工步3（左線盾構(gòu)離開南橋）、施工步4（右線盾構(gòu)離開南橋），施工步5（左、右線盾構(gòu)施工完成）。

5.4.1 橋樁位移

各橋樁樁底豎向位移隨施工步變化如圖5所示。由圖5可知：（1）整體上，各組橋樁樁底豎向位移隨著盾構(gòu)推進逐漸增大；（2）在盾構(gòu)推進過程中，北橋5軸2根橋樁樁底發(fā)生向上的豎向位移，其他各組橋樁樁底豎向位移均為沉降，盾構(gòu)施工完成后，最大向上位移1.54 mm（北橋5軸-2），最大沉降2.95 mm（南橋4軸 -1）；（3）在盾構(gòu)推進過程中，5軸橋樁豎向位移基本大于4軸橋樁豎向位移，其主要原因是后推進的右線盾構(gòu)二次施工擾動影響較大；（4）對于南橋橋樁，1、2號橋樁樁底豎向位移值均大于3、4號橋樁。

圖5 不同施工步下橋樁豎向位移隨施工步變化曲線

各橋樁樁底橫向和縱向水平位移隨施工步變化如圖6、圖7所示。

圖6 橋樁樁底橫向（X向）水平位移隨施工步變化曲線

圖7 橋樁樁底縱向（Z向）水平位移隨施工步變化曲線

由圖6可知，對于橋樁樁底橫向水平位移：（1）施工步1、2下，4軸各組橋樁樁底橫向水平位移基本是為負(fù)值，后續(xù)3個施工步，位移則變化為正值，且大小逐漸增大；（2）5軸各組橋樁樁底橫向水平位移基本是為負(fù)值，且位移值在盾構(gòu)推進過程中逐漸增大；（3）盾構(gòu)施工完成后，最大橫向水平位移值為-2.78 mm，發(fā)生在南橋4軸-4位置。

由圖7可知，對于橋樁樁底縱向水平位移：（1）整體上，各組橋樁樁底豎向位移隨著盾構(gòu)推進變化不大；（2）在盾構(gòu)推進過程中，北橋4軸-2、北橋5軸-2橋樁樁底縱向水平位移為正值，其他各組橋樁樁底縱向水平位移基本為負(fù)值，盾構(gòu)施工完成后，樁底最大縱向水平位移值為1.49 mm（北橋4軸-2）；（3）對于南橋橋樁，1、2號橋樁樁底縱向水平位移值均大于3、4號橋樁。

5.4.2 橋梁沉降及差異沉降

以承臺為研究對象，對不同施工步下橋梁豎向位移及差異沉降進行詳細(xì)分析，不同施工步下承臺豎向位移結(jié)果列于表3中，不同施工步下承臺差異沉降結(jié)果列于表4中。

由表3、4可知：（1）5個施工步下，承臺豎向位移和差異沉降最大值分別為-3.056 mm和1.617 mm，滿足橋梁變形控制標(biāo)準(zhǔn)；（2）南橋4軸承臺豎向位移差異沉降相對于其他北橋4軸、北橋5軸和南橋5軸承臺差異沉降要大，該結(jié)構(gòu)是橋梁位移控制的關(guān)鍵位置；（3）南橋4軸承臺差異沉降隨盾構(gòu)推進逐漸增大，其他3軸承臺差異沉降基本呈“先增大，后減小”的特征。

表3_不同施工步下承臺豎向位移結(jié)果_mm

_表4_不同施工步下承臺差異_沉降結(jié)果_mm

6 結(jié)束語

（1）北京地鐵16號線木樨地站～達(dá)官營站區(qū)間下穿木樨地橋，環(huán)境因素復(fù)雜，穿越風(fēng)險大，除盾構(gòu)施工控制上需要注意外，洞外隔離保護措施同樣重要。

（2）盾構(gòu)穿越過程中，橋梁結(jié)構(gòu)豎向位移、水平位移及差異沉降均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，且距離最大允許位移值尚有一定的余量，表明穿越工程處于安全狀態(tài)。

（3）橋樁樁底豎向位移和承臺差異沉降結(jié)果顯示，南橋4軸位置橋梁位移大于其他3軸，南橋4軸處結(jié)構(gòu)是穿越過程中橋梁位移控制的關(guān)鍵位置。

（4）盾構(gòu)施工過程中，需加強現(xiàn)場監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工參數(shù)，確保橋梁安全。