盾構(gòu)隧道施工對(duì)臨近交叉口橋梁的影響分析

侯澤輝，顧進(jìn)友

（廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510080）

0 引言

某電力隧道擬建于廣州市白云區(qū)、荔灣區(qū)及越秀區(qū)境內(nèi)，項(xiàng)目全長(zhǎng)5 642 m，均處于中心城區(qū)。項(xiàng)目對(duì)滿足中心城區(qū)用電需求，完善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高供電可靠性等方面起到積極的作用。

因中心城區(qū)建筑密度高，城市空間有限等原因，隧道一般沿現(xiàn)狀道路敷設(shè)。而中心城區(qū)為解決地面交通擁堵，常修建大量立交、跨線橋、城市高架橋等，因此隧道路線不可避免臨近、下穿城市高架［3］。

本項(xiàng)目施工約1 600 m 臨近內(nèi)環(huán)高架橋，且在某立交節(jié)點(diǎn)位置，線路另一側(cè)存在較多民用房屋作為控制條件，導(dǎo)致隧道選線空間受限。復(fù)雜的周邊環(huán)境，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施提出更高的要求。在立交節(jié)點(diǎn)位置，隧道與D、G 匝道交叉口樁基凈距最小僅0.8 m，且交叉口橋梁為異形連續(xù)箱梁，樁基均為摩擦樁，對(duì)隧道施工的影響最敏感。本文以此為例，分析隧道施工對(duì)臨近交叉口橋梁的影響，為后續(xù)類似項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

盾構(gòu)隧道管片為圓形斷面，外徑4.1 m，內(nèi)徑3.5 m，壁厚0.3 m，寬0.8 m。涉橋段隧道埋深8～10 m，土壓平衡盾構(gòu)法施工，所受荷載主要為四周土壓力。

1.2 交叉口橋梁概況

D、G 匝道交叉口橋梁設(shè)計(jì)車速60 km/h，荷載等級(jí)：汽-20設(shè)計(jì)，掛-100驗(yàn)算。

交叉口橋梁全長(zhǎng)132 m，跨徑組合6 m×22 m，普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。G8～G12為單箱單室，橋?qū)?.55 m，D2～D5 為單箱雙室結(jié)構(gòu)，橋?qū)?.95 m，結(jié)合部D6～D8為單箱三、四室結(jié)構(gòu)，橋?qū)?6.55 m，梁高均為1.4 m。典型斷面如圖1、圖2所示。

圖1 典型分離橫斷面Fig.1 Typical Separate Cross Section （cm）

圖2 典型整體橫斷面Fig.2 Typical Overall Cross-section （cm）

橋墩有φ1 m圓形墩、1 m方形墩，樁基直徑有1.2 m、1.5 m，均為摩擦樁。

盾構(gòu)隧道與樁基凈距0.8～1.23 m，具體平面位置如圖3所示。

圖3 橋梁樁基與隧道平面位置Fig.3 Plane Position between Bridge Pile Foundation and Tunnel

2 地質(zhì)條件

根據(jù)鉆孔揭露情況，涉橋段隧道穿過地層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。橋梁樁基地層從上到下為雜填土、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

3 盾構(gòu)隧道施工對(duì)橋梁的影響分析

3.1 主要思路

盾構(gòu)隧道施工距離橋樁最小凈距僅0.8 m，且橋樁均為摩擦樁，隧道施工易誘發(fā)樁基下沉。且交叉口橋梁為異形連續(xù)箱梁，橋梁結(jié)構(gòu)受力對(duì)樁基變形較為敏感［3-4］。

為分析盾構(gòu)隧道施工對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力影響，本文首先通過模擬隧道施工過程，量化施工誘發(fā)的橋梁樁基變形，然后再根據(jù)計(jì)算結(jié)果及參建單位提出的控制值［5-6］對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。

3.2 有限元模型

采用MIDAS/GTS建立“盾構(gòu)隧道-橋梁下部結(jié)構(gòu)”三維實(shí)體模型，模擬盾構(gòu)隧道施工，模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=170 m×70 m×30 m，具體如圖4 所示、盾構(gòu)隧道與樁基立面關(guān)系如圖5所示。土體模擬采用實(shí)體單元，本構(gòu)關(guān)系為莫爾-庫倫準(zhǔn)則［7］，具體特性如表1所示。

表1 土體材料特性Tab.1 Geotechnical Material Characteristics

圖4 整體模型Fig.4 Overall Model

圖5 盾構(gòu)隧道與橋梁立面關(guān)系Fig.5 Facade Relationship between Shield Tunnel and Bridge

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

隧道臨近橋樁施工，將誘發(fā)橋樁豎向沉降及水平位移。樁基豎向沉降對(duì)梁體受力影響較大，對(duì)樁基內(nèi)力影響不大。而樁基水平變形，對(duì)樁基內(nèi)力影響較大。本文從盾構(gòu)施工對(duì)橋樁的影響分析著手，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)承載力、橋樁結(jié)構(gòu)的承載力及裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算分析。

3.3.1 橋梁樁基變形分析

⑴豎向沉降：橋樁均為摩擦樁，隧道開挖將造成樁摩阻損失，易誘發(fā)沉降變形。盾構(gòu)到達(dá)前后樁基沉降如圖6、圖7所示。

圖6 工況1樁基沉降變形（盾構(gòu)到達(dá)前）Fig.6 Condition 1 Settlement of Pile Foundation（before the Arrival of Shield）

圖7 工況34樁基沉降變形（盾構(gòu)通過后）Fig.7 Condition 34 Settlement of Pile Foundation（after the Shield Passes）

根據(jù)有限元結(jié)果，盾構(gòu)到達(dá)前，樁基最大沉降3.03 mm，隧道通過后，樁基最大沉降4.70 mm。其次根據(jù)模型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，相鄰墩臺(tái)工后最大差異沉降為1.21 mm（D4 與D5）?？芍?，橋梁最大沉降及工后最大差異沉降均小于控制值10 mm，可滿足文獻(xiàn)［1］要求。

⑵水平位移：樁基在盾構(gòu)位置水平位移較大，盾構(gòu)到達(dá)前后樁基水平方向位移如圖8、圖9所示。

圖8 工況1樁基XY方向位移（盾構(gòu)到達(dá)前）Fig.8 Condition 1 Pile Displacement in XY Direction（before the Arrival of Shield）

根據(jù)有限元結(jié)果，盾構(gòu)到達(dá)前樁基最大水平位移0.62 mm，盾構(gòu)通過后，樁基最大位移為4.29 mm，小于水平位移控制值6 mm，滿足文獻(xiàn)［1］要求。

3.3.2 橋梁梁體承載力及裂縫寬度驗(yàn)算交叉口橋梁為連續(xù)梁，樁基沉降將導(dǎo)致梁體產(chǎn)生次內(nèi)力。本次驗(yàn)算針對(duì)盾構(gòu)隧道施工前樁基沉降3.03 mm，施工后沉降4.7 mm及控制沉降10 mm進(jìn)行分析。

⑴正截面抗彎承載力驗(yàn)算

針對(duì)不同沉降工況，將模型典型截面內(nèi)力彎矩及抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行匯總，具體如表2所示。

表2 典型截面彎矩及抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果匯總Tab.2 Summary of Typical Section Bending Moment Capacity Results

結(jié)合圖紙內(nèi)容，正截面抗彎最不利為G8～G9跨中，在沉降10 mm 工況下，跨中彎矩7 888.8 kN·m，抵抗彎矩8 645.9 kN·m，抗力富余8.8%，滿足文獻(xiàn)［2］要求。

其次由表2 可知，不同沉降工況下，梁體端部次內(nèi)力彎矩增加較大，而跨中變化幅度較小，其中端部D5變化幅度最大。在沉降10 mm 工況下，D5 端部彎矩為-17 112.8 kN·m，小于20 911.1 kN·m。梁體彎矩內(nèi)力相對(duì)于隧道施工前增加44.1%，富余度18.2%，可滿足要求。

⑵抗剪承載力驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，梁體跨中位置剪力逐漸接近0，剪力最不利位于端部。針對(duì)上述情況，將端部典型斷面的剪力及抗剪承載力驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行匯總，具體如表3所示。

表3 典型端部截面抗剪承載力結(jié)果匯總Tab.3 Summary of Typical End Section Shear Capacity Results

根據(jù)表3可知，不同沉降工況，端部剪力變化幅度變化小。斜截面抗剪最不利位置為D7 端部，在沉降10 mm 工況下，剪力為5 623.0 kN，抗剪承載力為7 202.2 kN，富余度21.9%，滿足文獻(xiàn)［2］要求。

⑶裂縫寬度驗(yàn)算

根據(jù)文獻(xiàn)［2］，對(duì)梁體結(jié)構(gòu)裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算，沉降10 mm 工況下，組合Ⅰ條件下，裂縫寬度最大值為0.17 mm，文獻(xiàn)［2］限值0.2 mm，組合Ⅱ條件下，裂縫寬度最大值為0.21 mm，小于文獻(xiàn)［2］限值0.25 mm。

3.3.3 樁基內(nèi)力及裂縫寬度驗(yàn)算

考慮到隧道與樁基凈距小，管片拼裝后，與土體仍存在一定間隙，樁基按最不利工況，即單側(cè)土體挖空考慮。經(jīng)計(jì)算，樁基最大彎矩為232.6 kN·m，抗彎承載力為3 120 kN·m，滿足文獻(xiàn)［2］要求。正常使用極限狀態(tài)下，樁基處于受壓狀態(tài)，裂縫寬度為0，小于文獻(xiàn)［2］限值0.2 mm，滿足要求。

4 結(jié)論與建議

本文依托實(shí)際項(xiàng)目，分析了盾構(gòu)隧道施工對(duì)橋梁影響，根據(jù)相關(guān)計(jì)算結(jié)果，盾構(gòu)隧道臨近交叉口橋梁的方案是可行的，具體結(jié)論與建議如下：

⑴盾構(gòu)機(jī)通過橋梁樁基后，引起樁基最大沉降4.7 mm，小于10 mm。其次在沉降10 mm工況下，梁體正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力及裂縫寬度均滿足文獻(xiàn)［2］要求，10 mm 沉降值可作為樁基的控制性沉降。

同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，樁基沉降對(duì)梁體剪力、跨中彎矩影響較小，對(duì)端部負(fù)彎矩影響較大，建議對(duì)樁基周邊土體采用預(yù)注漿或跟蹤注漿方式加固，減少施工對(duì)橋梁端部的影響。

⑵盾構(gòu)通過橋樁，引起樁基最大水平位移4.29 mm，小于控制值6 mm，水平位移滿足要求。其次按最不利工況，即樁基一側(cè)土體挖空驗(yàn)算，樁基抗彎承載力、裂縫寬度滿足文獻(xiàn)［2］要求。

⑶樁基與隧道凈距較近，根據(jù)對(duì)沿線橋梁資料的核對(duì)，部分橋樁竣工圖與施工圖存在差異，建議類似項(xiàng)目做好樁基資料的核查工作，降低實(shí)施過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

⑷本文計(jì)算結(jié)果為實(shí)施項(xiàng)目提供理論支持，今后類似項(xiàng)目仍需對(duì)橋梁位移進(jìn)行必要監(jiān)測(cè)［8］，并做好突發(fā)情況應(yīng)急預(yù)案，提高對(duì)突發(fā)情況的應(yīng)對(duì)和處理能力，保證盾構(gòu)建設(shè)安全和橋梁的運(yùn)營(yíng)安全［9-10］。