天津市軟土地層地鐵盾構區(qū)間下穿施工對京滬高鐵南倉特大橋影響的數值分析

畢景佩, 易領兵, 杜明芳, 劉勝歡, 李帥兵, 朱亮亮

(1.鄭州地鐵集團有限公司，鄭州 450000；2.中交鐵道設計研究總院有限公司，北京 100120； 3.河南工業(yè)大學土木建筑學院，鄭州 450001；4.蘇交科集團股份有限公司，南京 210017)

地鐵區(qū)間建設在城市核心區(qū)域不可避免地要下穿橋樁、房屋、河流、鐵路等，周邊環(huán)境愈來愈復雜化。文獻[1]通過收集盾構與橋樁不同間距工況下橋樁的變形數據研究了盾構隧道與橋樁距離對橋梁的影響。文獻[2-3]研究西安市黃土地區(qū)這種復雜特殊地區(qū)淺埋盾構施工和交叉中隔墻法(CRD)法和臺階法施工對臨近樁基的影響。文獻[4-5]研究了在不降水工況下盾構隧道下穿河流施工對橋樁的影響。文獻[6]以天津某位于基坑中部的地鐵工程為例，研究了基坑施工對地鐵車站主體結構的影響。文獻[7-8]研究了佛山地區(qū)地鐵區(qū)間盾構施工對地表和鄰近高速橋的影響。文獻[9]研究了鄭州地區(qū)地鐵盾構區(qū)間在黃河沖積平原地層中施工對臨近鄭西高鐵特大橋的影響。文獻[10]對盾構地鐵區(qū)間穿越城市大型立交橋進行了設計優(yōu)化研究。文獻[11-13]對地鐵盾構隧道近距離穿越城市橋梁和支環(huán)路進行了研究。文獻[14]研究了淺埋地鐵區(qū)間施工對臨近橋樁的影響。文獻[15]研究了地鐵暗挖隧道下穿高鐵對高鐵橋的影響。文獻[16]研究了地鐵暗挖穿越群樁施工過程中對橋樁的影響。

對下穿京滬高鐵南倉特大橋段區(qū)間盾構隧道進行設計，并用邁達斯巖土和隧道分析系統(tǒng)(Midas/geotechnical and tunnel analysis system，Midas/GTS)有限元軟件對大斷面盾構區(qū)間下穿施工進行有限元分析。研究了大斷面盾構區(qū)間下穿京滬高鐵南倉特大橋施工過程中橋面、橋墩、承臺及橋樁位移變化規(guī)律特征；總結了大斷面盾構區(qū)間側穿橋樁施工過程中橋樁附加應力變化規(guī)律。

1 工程概況

天津地鐵7號線外院附中站—榆關道站區(qū)間(右DK34+812.118—右DK35+884.255;左DK34+812.118—左DK35+884.255)，右線區(qū)間全長1 072.137 m，左線區(qū)間全長1 082.238 m。線路整體呈南北走向。區(qū)間最小半徑R=400 m，最大縱坡為25‰。

區(qū)間隧道左線自京滬高鐵南倉特大橋58～59號橋墩間下穿，右線自56～57號橋墩間下穿, 隧道與橋樁水平最小凈距為7.850 m，隧道覆土厚度為10 m。

56號橋墩為32 m簡支箱梁引橋橋墩，下部為承臺+樁基礎，承臺尺寸7.5 m×10.4 m×2 m(厚)，承臺埋深約1 m，,承臺下部為12根φ1 000 mm樁基礎，樁長46 m。

57號橋墩為80 m連續(xù)梁主橋的邊墩，下部為承臺+樁基礎，承臺尺寸為9.1 m×12.5 m×3 m(厚)，承臺埋深約2.5 m，承臺下部為12根φ1 200 mm樁基礎，樁長53 m。

58、59號橋墩為80 m連續(xù)梁主橋的主墩，橋墩采用圓端形實體墩，下部為承臺+樁基礎，承臺尺寸為14.6 m×14.6 m×3.5 m(厚),承臺下部為16根φ1 500 mm樁基礎，樁長71 m，其中58號橋墩承臺埋深7.5 m, 59號橋墩承臺埋深3 m。

本場地地下水位埋深24.5 m，盾構區(qū)間主體結構底板埋深19.767 m，盾構區(qū)間主體結構未進入地下水。

京滬線鐵路與盾構區(qū)間的平剖面位置關系如圖1和圖2所示。

2 盾構隧道施工數值分析

針對天津地鐵7號線盾構區(qū)間側穿京滬高鐵南倉特大橋施工，根據設計及地質資料，采用Midas/GTS有限元分析軟件，建立三維數值模型進行不同工況下盾構施工對京滬高鐵南倉特大橋的影響分析。在考慮到本工程盾構施工步序較復雜且在節(jié)約篇幅的基礎上選取盾構施工步序中有代表性的以下8個工況：

(1)初始地應力分析。

(2)橋梁施工完成后的地應力分析。

(3)右線隧道接近南京滬高鐵特大橋。

(4)右線隧道穿過南京滬高鐵特大橋。

(5)右線全部開挖完成。

(6)左線隧道接近南京滬高鐵特大橋。

(7)左線隧道穿過南京滬高鐵特大橋。

(8)左線隧道全部開挖完成。

土體、橋樁及盾構材料參數如表1所示，模型如圖3所示。

3 盾構施工數值計算結果分析

3.1 土層位移分析

土層位移計算結果如圖4和圖5所示。

當右線盾構隧道貫通時，地層最大豎向沉降約為15.296 6 mm，發(fā)生位置位于盾構隧道正上方；最大豎向隆起約為10.708 7 mm，發(fā)生位置位于盾構隧道底部。當雙線盾構隧道貫通時，地層最大豎向沉降約為15.257 6 mm，發(fā)生位置位于右線盾構隧道正上方，最大豎向隆起約為10.815 3 mm，發(fā)生位置位于左線盾構隧道底部。

圖1 京滬高鐵天津南倉特大橋與盾構隧道平面位置關系圖Fig.1 Plane position relation map of Tianjin Nancang Bridge and shield tunnel on Beijing-Shanghai high-speed railway

圖2 京滬高鐵天津南倉特大橋與盾構隧道剖面位置關系圖Fig.2 Profile location relation map of Tianjin Nancang super-large bridge and shield tunnel on Beijing-Shanghai high-speed railway

表1 材料參數

圖3 三維整體模型Fig.3 3D integral model

圖4 右線貫通后土層豎向位移云圖Fig.4 Vertical displacement map of soil layer after right line penetration

圖5 雙線隧道開挖完成后土層豎向位移云圖Fig.5 Vertical displacement map of soil layer after completion of double track tunnel excavation

3.2 橋面變形分析

為節(jié)約篇幅，僅列出階段3、階段4、階段6及階段7工況位移圖，如圖6～圖9所示。

圖6 階段3橋面豎向位移Fig.6 Stage 3 vertical displacement of bridge surface

圖7 階段4橋面豎向位移Fig.7 Stage 4 vertical displacement of bridge surface

圖8 階段6橋面豎向位移Fig.8 Stage 6 vertical displacement of bridge surface

圖9 階段7橋面豎向位移Fig.9 Stage 7 vertical displacement of bridge surface

右線靠近時，橋面的沉降為0.773 3 mm，在右線隧道通過京滬高鐵天津南倉特大橋時，橋面的最大沉降達到0.129 5 mm。繼續(xù)施工左線隧道，在左線盾構靠近京滬高鐵天津南倉特大橋時，橋面的沉降為0.218 9 mm，左線通過時，橋面的最大沉降達到0.240 2 mm。

右線盾構靠近大橋橋面沉降達到0.773 3 mm，而后3個階段值降低，分析原因可能是盾構剛開始施工擾動周邊土體，土體原有穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，而后隨著施工繼續(xù)，土體達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，造成以上結果。左線盾構通過后橋面沉降較右線通過后減小0.240 2 mm，左線盾構隧道的施工引起橋面沉降減小比例為46.09%。分析原因可能是隧道底部土體的隆起引起管片的變形，導致周圍部分區(qū)域土體及橋臺稍微向上隆起，從而橋面沉降減小。

3.3 橋墩沉降分析

最不利工況位移如圖10～圖13所示。

圖10 階段3橋墩豎向位移Fig.10 Stage 3 vertical displacement of bridge pier

圖11 階段4橋墩豎向位移Fig.11 Stage 4 vertical displacement of bridge pier

圖12 階段6橋墩豎向位移Fig.12 Stage 6 vertical displacement of bridge pier

圖13 階段7橋墩豎向位移Fig.13 Stage 7 vertical displacement of bridge pier

地鐵區(qū)間隧道施工過程中，在右線盾構靠近京滬高鐵天津南倉特大橋時，橋墩的沉降為0.953 7 mm，右線通過時，橋墩的最大沉降達到0.837 4 mm。繼續(xù)施工左線隧道，在左線盾構靠近京滬高鐵天津南倉特大橋時，橋墩的沉降為0.458 0 mm，在左線隧道通過京滬高鐵天津南倉特大橋時，橋墩的最大沉降達到0.462 6 mm。施工右線時橋墩沉降較左線大，且最大沉降發(fā)生位置均在右線最近橋墩處，分析原因右線距橋墩最近距離為7.8 m，而左線距橋墩最近距離為17.5 m。右線較左線距橋墩距離減少9.7 m。

3.4 承臺沉降變形分析

為節(jié)約篇幅，僅列出階段3、階段4、階段6及階段7工況位移，如圖14～圖17所示。

圖14 階段3橋承臺豎向位移Fig.14 Stage 3 vertical displacement of bridge abutment

圖15 階段4橋承臺豎向位移Fig.15 Stage 4 vertical displacement of bridge abutment

圖16 階段6橋承臺豎向位移Fig.16 Stage 6 vertical displacement of bridge abutment

圖17 階段7橋承臺豎向位移Fig.17 Stage 7 the vertical displacement of bridge abutment

地鐵區(qū)間隧道施工過程中，京滬高鐵天津南倉特大橋承臺的沉降逐漸增加，在右線盾構靠近京滬高鐵天津南倉特大橋時，承臺的沉降為1.064 8 mm，在右線隧道通過京滬高鐵天津南倉特大橋時，承臺的最大沉降達到1.840 7 mm。繼續(xù)施工左線隧道，左線靠近時，承臺的沉降為1.637 4 mm，左線通過時，承臺的最大沉降達到1.642 7 mm。分析以上數據可以看出，距離右線最近承臺沉降數值最大，分析原因右線距橋墩最近距離7.8 m，而左線距橋墩最近距離為17.5 m。右線較左線距橋墩距離減少9.7 m。

3.5 橋樁沉降分析

為節(jié)約篇幅，僅列出階段3、階段4、階段6及階段7工況位移，如圖18～圖21所示。

圖18 階段3橋樁豎向位移Fig.18 Stage 3 vertical displacement of bridge pile

圖19 階段4橋樁豎向位移Fig.19 Stage 4 vertical displacement of bridge pile

圖20 階段6橋樁豎向位移Fig.20 Stage 6 vertical displacement of bridge pile

圖21 階段7橋樁豎向位移Fig.21 Stage 7 vertical displacement of bridge pile

右線靠近時，橋樁的沉降為1.091 6 mm，右線通過時，橋樁的最大沉降達到1.584 3 mm。繼續(xù)施工左線隧道，在左線盾構靠近京滬高鐵天津南倉特大橋時，橋樁的沉降為1.297 3 mm，左線通過時，橋樁的最大沉降達到1.303 8 mm。分析以上數據可以看出，距離右線最近橋樁沉降數值最大，分析原因右線距橋墩最近距離7.8 m，而左線距橋墩最近距離為17.5 m。右線較左線距橋墩距離減少9.7 m。

3.6 橋樁水平位移分析

為節(jié)約篇幅，僅列出階段3、階段4、階段6及階段7工況位移，如圖22～圖25所示。

圖22 階段3橋樁水平位移Fig.22 Stage 3 pile horizontal displacement

圖23 階段4橋樁水平位移Fig.23 Stage 4 horizontal displacement of bridge pile

圖24 階段6橋樁水平位移Fig.24 Stage 6 horizontal displacement of bridge pile

圖25 階段7橋樁水平位移Fig.25 Stage 7 horizontal displacement of bridge pile

右線靠近時，橋樁的水平位移為0.091 5 mm，在右線隧道通過京滬高鐵天津南倉特大橋時，橋樁的水平位移達到0.467 1 mm。繼續(xù)施工左線隧道，在左線盾構靠近京滬高鐵天津南倉特大橋時，橋樁的水平位移為0.403 0 mm，在左線隧道通過京滬高鐵天津南倉特大橋時，橋樁的水平位移達到0.367 1 mm。分析以上數據可以看出，距離右線最近橋樁水平位移數值最大，分析原因右線距橋墩最近距離為7.8 m，而左線距橋墩最近距離為17.5 m。右線較左線距橋墩距離減少9.7 m。

3.7 橋樁應力分析

為節(jié)約篇幅，僅列出階段3、階段4、階段6及階段7工況彎矩，如圖26～圖29所示。

圖26 階段3橋樁附加彎矩Fig.26 Stage 3 horizontal displacement of bridge pile

圖27 階段4橋樁附加彎矩Fig.27 Stage 4 horizontal displacement of bridge pile

圖28 階段6橋樁附加彎矩Fig.28 Stage 6 horizontal displacement of bridge pile

圖29 階段7橋樁附加彎矩Fig.29 Stage 7 horizontal displacement of bridge pile

由以上橋樁的彎矩圖可以看出，地鐵盾構區(qū)間隧道施工過程中，京滬高鐵天津南倉特大橋橋樁的附加彎矩逐漸增加，在右線盾構靠近京滬高鐵天津南倉特大橋時，橋樁的彎矩為32.987 8 kN·m，在右線隧道通過京滬高鐵天津南倉特大橋時，橋樁的最大彎矩達到38.709 5 kN·m。繼續(xù)施工左線隧道，在左線盾構靠近京滬高鐵天津南倉特大橋時，橋樁的彎矩為39.061 0 kN·m，在左線隧道通過京滬高鐵天津南倉特大橋時，橋樁的最大彎矩達到38.908 7 kN·m。分析以上數據可以看出，距離右線最近橋樁水平位移數值最大，分析原因右線距橋墩最近距離為7.8 m，而左線距橋墩最近距離為17.5 m。右線較左線距橋墩距離減少9.7 m。

附加彎矩最大值為39.061 0 kN·m，經計算附加彎矩計算配筋面積為201.43 mm2遠小于按最小配筋率計算配筋面積3 769.91 mm2，即橋樁附加彎矩對樁身影響不大，不會對其產生破壞影響。

4 結論

研究盾構隧道施工后京滬高鐵天津南倉特大橋橋面、橋墩、承臺及橋樁的位移和橋樁受力情況，得出以下結論：

(1)盾構隧道施工過程中京滬高鐵天津南倉特大橋橋樁附加彎矩較小，不會對橋樁造成破壞。

(2)橋面沉降最大值為0.773 3 mm，承臺沉降最大值為1.840 7 mm，橋墩沉降最大值為0.953 7 mm，橋樁沉降最大值為1.584 3 mm，橋樁水平位移最大值為0.467 1 mm，參考《高速鐵路設計規(guī)范》[17](TB 10621—2014)上述數值均滿足控制標準，不會對大橋產生破壞影響。

存在問題：盾構隧道施工過程中注漿加固無法真實模擬，造成模擬結果誤差。

進一步研究建議：結合施工過程中監(jiān)測數據，提取參數進一步分析，與理論分析數據擬合，找出誤差，根據理論判斷大橋變形趨勢。