地鐵盾構(gòu)隧道下穿城市高架橋的影響分析

郭旭東

(廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510000)

1 概述

隨著城市的發(fā)展，人們的生活空間逐漸擁擠，各大城市持續(xù)大力推進(jìn)道路立體交通建設(shè)[1]。發(fā)展地下軌道交通已成為社會可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一，一大批隧道工程逐漸涌現(xiàn)，隨之出現(xiàn)的問題是，新建隧道工程將不可避免地穿越現(xiàn)有的城市既有工程。為保證工程的安全運行，盾構(gòu)施工以其獨特的優(yōu)勢在城市隧道施工中得到廣泛應(yīng)用。高架橋是城市中常見的構(gòu)筑物之一，迅速增多的城市高架橋使盾構(gòu)施工預(yù)留的施工范圍和允許擾動量日益減少，因盾構(gòu)施工引發(fā)的地面高架坍塌事故屢見不鮮。工程建設(shè)迫切需要在確保新隧道盾構(gòu)順利實施的同時，減小隧道穿越對已有高架橋的影響。因此，研究盾構(gòu)隧道下穿高架橋時構(gòu)筑物間的相互影響，對保證工程安全施工和高架橋安全運營具有重要的意義[2]。

近年來，針對盾構(gòu)隧道與高架橋的相互作用、影響這一工程問題，國內(nèi)外許多學(xué)者采用不同的方法進(jìn)行了大量研究。隨著計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已成為隧道開挖計算的主要研究方法之一。劉濤[3]以南水北調(diào)輸水隧道穿越北京地鐵13號線清河高架橋為研究背景，利用ANSYS有限元軟件對穿越工程的盾構(gòu)施工過程進(jìn)行模擬，對盾構(gòu)隧道穿越既有高架橋變形及控制進(jìn)行研究，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證了數(shù)值模型的合理性。熊志輝[4]以廈門地鐵1號線園杏區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越某高架橋工程為依托，采用理論分析和數(shù)值模擬方法，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究盾構(gòu)隧道穿越高架橋引起的地表沉降問題，并提出了加固技術(shù)措施，有效保證高架橋的安全運營。劉萬杰[5]以福州地鐵5號線城福區(qū)間為工程背景，采用數(shù)值模擬方法，研究了盾構(gòu)隧道施工對既有高架橋結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，并提出選用隔離樁作為防護(hù)措施，有效減小了橋墩的位移量。姚西平等[6]對盾構(gòu)穿越高速鐵路橋梁的兩個案例進(jìn)行了研究。通過數(shù)值模擬計算和分析，評價了隧道施工對橋墩變形、軌道不平順以及行車安全和旅客舒適度的影響。通過現(xiàn)場試驗對計算結(jié)果進(jìn)行了驗證。Pan等[7]以福州繞城高速鐵路隧道在既有公路隧道上方運行為背景，利用Midas GTS建立的三維有限元模型進(jìn)行數(shù)值計算，并將模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。研究了既有隧道拱頂?shù)呢Q向變形、拱腳的相對豎向位移和相對水平位移。

本文以廣州地鐵18號線番禺廣場站—南村萬博站盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋為工程背景，采用三維有限元軟件Midas，建立了三維有限元模型，分析下穿隧道盾構(gòu)施工對既有高架橋樁基和橋墩的影響；同時利用橋梁工程專用軟件Midas civil，分析橋梁結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)施工影響作用下是否滿足規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求，可為盾構(gòu)下穿橋梁工程的建設(shè)和運營提供參考。

2 工程概況及地質(zhì)條件

廣州地鐵18號線番禺廣場站—南村萬博站區(qū)間部分區(qū)段下穿已建迎賓路接?xùn)|環(huán)路高架橋。該區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，埋深約32.2 m，盾構(gòu)外徑8.5 m，內(nèi)徑7.7 m，管片寬度1.6 m，管片厚度0.4 m，管片中線間距為17.0 m，管片強度為C50。

圖1為盾構(gòu)隧道下穿高架橋示意圖。高架主線標(biāo)準(zhǔn)段橋?qū)?7.0 m，梁高1.3 m，為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)板梁結(jié)構(gòu)，縱向力筋采用高強度低松弛鋼絞線，橫橋向采用整體式斷面，全橋?qū)捁灿扇龎K寬8.9 m的肋板組成，肋寬1.6 m，橫橋向采用無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線作力筋。荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽車-超20級，掛車-120級，橫截面斷面共設(shè)置了6個車道。穿越區(qū)間內(nèi)的橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，灌注樁直徑1 500 mm，左線樁底標(biāo)高-11.48 m，樁長29 m，右線樁底標(biāo)高-12.48 m，樁長30 m，左線樁端距離隧道頂部約4.68 m，右線樁端距離隧道頂部約3.68 m，地鐵盾構(gòu)隧道穿越的主要地層為強風(fēng)化花崗巖。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查報告，盾構(gòu)隧道在此區(qū)間穿越地層自上而下分別為：①素填土、②砂質(zhì)黏性土、③全風(fēng)化花崗巖、④強風(fēng)化花崗巖、⑤中風(fēng)化花崗巖、⑥微風(fēng)化花崗巖。區(qū)間內(nèi)地下水類型為第四系松散層孔隙潛水，孔隙潛水主要賦存于填土之下，黏性土之間，潛水層滲透性差，富水性好，水量較豐富。

3 盾構(gòu)穿越橋梁數(shù)值模擬

本文采用Midas GTS有限元數(shù)值模擬軟件模擬盾構(gòu)隧道施工，建立了地層、盾構(gòu)隧道與高架橋的計算模型，采用了Mohr-Coulomb及Elastic本構(gòu)模型，研究了盾構(gòu)施工對既有高架橋的影響。

3.1 計算模型及參數(shù)確定

1)模型尺寸、網(wǎng)格劃分及邊界條件。

總體模型尺寸選取，充分考慮了盾構(gòu)開挖引起的邊界效應(yīng)，結(jié)合實際經(jīng)驗，根據(jù)圣維南原理，取一聯(lián)橋梁進(jìn)行計算，模型范圍取3倍～5倍洞徑[8]。

a.高度：由地表向下取至隧道底以下3D以上(D為盾構(gòu)隧道的直徑)，即33.11+8.5+3×8.5=67.11 m，取為75 m；b.寬度，取至盾構(gòu)兩外側(cè)6D，即25.5+6×8.5=76.5 m，取為88 m；c.長度取為10D，即10×8.5=85 m，取為150 m。根據(jù)上述條件，建立了基于Midas GTS程序的三維計算模型進(jìn)行數(shù)值模型，如圖2所示。數(shù)值模型采用六面體與四面體混合單元進(jìn)行劃分，共劃分602 125個單元和263 724個節(jié)點。模型邊界采用默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)約束，即模型底部豎向位移為0，四個側(cè)面法向位移為0，頂部為自由面，不加約束。

2)土體模型及其物理力學(xué)參數(shù)。

本文數(shù)值模擬模型中巖土體采用修正摩爾庫侖本構(gòu)模型，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查報告及已有工程經(jīng)驗，研究區(qū)段隧道上覆巖土體計算參數(shù)見表1。

3)盾構(gòu)施工及高架橋結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本工程研究區(qū)間內(nèi)隧道管片寬度1.6 m，管片厚度0.4 m，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)均采用彈性本構(gòu)模型，計算參數(shù)見表2。

表1 巖土體主要物理力學(xué)參數(shù)

表2 盾構(gòu)施工及橋梁結(jié)構(gòu)模擬參數(shù)

計算過程中的盾構(gòu)隧道施工千斤頂?shù)耐屏θ?4 000 kN，掘進(jìn)面土壓力取220 kPa。將所有千斤頂?shù)目偼屏Τ运淼酪r砌的橫截面積來確定千斤頂推力的大小，再通過設(shè)置在隧道橫斷面上的面荷載模擬千斤頂推力[9]。

3.2 計算工況及施工過程模擬

針對盾構(gòu)下穿高架橋施工過程，本次分析主要分為114個工況，即114個施工步，在施工過程中，首先開挖地鐵盾構(gòu)隧道右線，當(dāng)右線掘進(jìn)距離不少于100 m時，左線盾構(gòu)隧道開始掘進(jìn)，模擬過程主要考慮開挖卸載、泥水支護(hù)、同步注漿、管片襯砌等工序[10]，模擬過程如下：

1)初始應(yīng)力場平衡，得到未開挖下的初始重力場。

2)橋梁施工，由于此次模擬分析是對隧道下穿上部已建高架橋的影響，故不考慮橋梁施工產(chǎn)生的位移，將位移作清零處理。

3)開挖右線1步～55步土體，在開挖面施加盾構(gòu)機掘進(jìn)頂力，并進(jìn)行激活1步～55步盾殼。鈍化第N節(jié)土體，鈍化第N-1節(jié)盾殼，激活第N節(jié)盾殼，激活第N-1節(jié)盾構(gòu)管片，激活第N-1節(jié)注漿層，激活相關(guān)頂推力、千斤頂力，注漿壓力。

4)開挖左線1步～55步土體，開挖面施加盾構(gòu)機掘進(jìn)頂力，并進(jìn)行激活1步～55步盾殼。鈍化第N節(jié)土體，鈍化第N-1節(jié)盾殼，激活第N節(jié)盾殼，激活第N-1節(jié)盾構(gòu)管片，激活第N-1節(jié)注漿層，激活相關(guān)頂推力、千斤頂力，注漿壓力。

3.3 模型假定

由于地基土是一種非線性的復(fù)雜材料且在盾構(gòu)開挖的過程中，土體與管片的相互作用極其復(fù)雜，模擬其真實狀況也是極其困難的[11]。本次模擬為了簡化模型，提高數(shù)值運算效率，對計算模型做如下的假定：1)在盾構(gòu)開挖的過程中忽略土體變形的時間效應(yīng)；2)考慮土體的分層，且土體為各向同性的連續(xù)線彈性體；3)盾構(gòu)隧道在開挖過程中受力狀態(tài)十分復(fù)雜，掌子面上推力在開挖過程中比較穩(wěn)定，故在開挖面上作用均勻分布的壓力來模擬土體的移動；4)在土體和盾構(gòu)隧道管節(jié)之間施加一定厚度的實體單元來模擬注漿作用，反映在自重作用下隧道襯砌管片與土體空隙間的閉合過程；5)在模擬時，在進(jìn)行盾構(gòu)開挖的同時，在后方進(jìn)行注漿改變材料參數(shù)等操作，模擬管片注漿。

4 計算分析

通過Midas模擬盾構(gòu)隧道下穿已建迎賓路接?xùn)|環(huán)路高架橋的施工過程，通過研究高架橋樁基彎矩和橋梁沉降，分析隧道盾構(gòu)施工對既有高架橋樁基和橋墩的影響。以下為盾構(gòu)施工對高架橋影響性計算結(jié)果。因篇幅有限，僅展示盾構(gòu)隧道右線貫通及完成時的計算云圖(見圖3～圖5)，其他計算步所得結(jié)果用表格展示(見表3，表4)。

4.1 樁基彎矩分析

已有高架橋樁基為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)所受彎矩值將極大程度上決定高架橋的結(jié)構(gòu)安全，圖3，圖4為模擬所得盾構(gòu)施工后高架橋樁基礎(chǔ)彎矩值云圖。

表3 樁基礎(chǔ)彎矩極值匯總表 kN·m

由圖3，圖4及表3可知，盾構(gòu)隧道下穿已建迎賓路接?xùn)|環(huán)路高架橋的整個施工過程引起的樁基礎(chǔ)彎矩在兩個正交方向上的極值均集中于樁端；在整個過程當(dāng)中，樁基X方向的最大彎矩差值絕對值為2.372 kN·m，樁基Y方向的最大彎矩差值絕對值為1.119 kN·m，遠(yuǎn)小于樁基彎矩承載力，彎矩增值趨于穩(wěn)定，即盾構(gòu)隧道施工對既有橋梁樁基礎(chǔ)的彎矩有一定影響，但風(fēng)險可控。

4.2 樁基位移分析

表4 橋梁結(jié)構(gòu)位移極值匯總表 mm

由圖5,表4可知：1)盾構(gòu)隧道下穿已建迎賓路接?xùn)|環(huán)路高架橋的整個施工過程引起的橋梁水平位移和豎直位移的極值很??；2)在整個過程當(dāng)中，X方向最大水平絕對位移為0.346 3 mm(偏向東向)，Y方向最大絕對水平位移為0.306 1 mm(偏向南向)，Z方向最大絕對水平位移為1.401 1 mm(下沉)，相鄰墩臺間的最大沉降差為1.297 9 mm，均小于JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范的40 mm限值，因此盾構(gòu)隧道施工對既有橋梁結(jié)構(gòu)的位移有一定影響，但風(fēng)險可控。

5 橋梁上部結(jié)構(gòu)安全驗算

由于東環(huán)路高架橋為7跨連續(xù)梁，為多次超靜定結(jié)構(gòu)，故采用有限元分析對橋梁進(jìn)行計算較為方便。本次驗算采用JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范進(jìn)行[12]。

5.1 計算模型

該高架橋的梁高為1.3 m，為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)板梁結(jié)構(gòu)，縱向力筋采用高強度低松弛鋼絞線，橫橋向采用整體式斷面，全橋?qū)捁灿扇龎K寬8.9 m的肋板組成，肋寬1.6 m，大懸臂挑出，橫橋向采用無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線作力筋。荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽車-超20級，掛車-120級。計算采用Midas civil有限元軟件建模，結(jié)構(gòu)計算模型如圖6所示。隨后施加荷載，其中荷載分為橋梁自重、二期恒載和汽車荷載等。

將全橋劃分為71個節(jié)點、70個單元，施工分為3個階段，分別是主梁施工階段、施加二期恒載階段和運營階段，其中運營階段考慮梁結(jié)構(gòu)混凝土收縮徐變作用。

5.2 驗算結(jié)果

分別模擬計算自重、二期恒載、汽車荷載、收縮徐變、溫度荷載、差異沉降作用下，高架橋主梁的荷載效應(yīng)，高架橋的內(nèi)力圖如圖7所示。

根據(jù)各荷載工況下主梁彎矩云圖可知，在沉降作用下93號墩墩頂彎矩變化值最大，證明93號墩受盾構(gòu)施工影響最大，故將93號墩頂主梁截面及93跨跨中截面的內(nèi)力匯總?cè)绫?，表6所示。

以JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范為依據(jù)通過對橋梁進(jìn)行復(fù)核計算，計算結(jié)果如表5所示。根據(jù)表5可得，承載能力極限狀態(tài)基本組合計算得到的93跨跨中最大彎矩值為1.67e+04 kN·m，小于結(jié)構(gòu)容許值1.93e+04 kN·m，正常使用極限狀態(tài)基本組合計算得到應(yīng)力值均小于控制應(yīng)力值；承載能力極限狀態(tài)基本組合計算得到的93號墩墩頂?shù)淖畲髲澗刂禐?2.32e+04 kN·m，小于結(jié)構(gòu)容許值-3.48e+04 kN·m，正常使用極限狀態(tài)基本組合計算得到應(yīng)力值均小于控制應(yīng)力值；計算得到剪力抗力為1.04e+04 kN大于作用組合計算值-7.97e+03 kN，滿足規(guī)范要求。

表5 civil計算內(nèi)力結(jié)果表

表6 承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)驗算結(jié)果

6 結(jié)論

本文以廣州地鐵18號線番禺廣場站—南村萬博站盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋為工程背景，研究了隧道盾構(gòu)施工對既有高架橋樁基和橋墩的影響，并對橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全驗算，得到以下結(jié)論：

1)盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的整個施工過程引起的樁基礎(chǔ)彎矩在兩個正交方向上的極值均集中于樁端且遠(yuǎn)小于樁基彎矩承載力，引起的橋梁水平位移和豎直位移均小于控制標(biāo)準(zhǔn)40 mm。說明該盾構(gòu)隧道施工對既有橋梁樁基礎(chǔ)影響較小。2)根據(jù)關(guān)鍵截面的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的驗算結(jié)果，表明該高架橋正截面最大彎矩強度、最大主壓應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，即盾構(gòu)施工對橋梁影響處于安全范圍內(nèi)，不會對橋梁安全運營產(chǎn)生不可忽視的影響。