地鐵區(qū)間隧道下穿國道高架橋的影響分析

摘要：基于某新建地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)下穿國道高架橋的工程背景，通過三維數(shù)值模擬，分析了高架橋在地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)下穿過程中的變形和內(nèi)力，并評估了其對國道高架橋的影響。研究結(jié)果表明：在盾構(gòu)下穿過程中，橋梁墩臺及樁基最大豎向變形0.4 mm，最大水平位移2.3 mm。相鄰橋梁墩臺之間縱向差異沉降控制值0.21 mm，橫向差異沉降控制值0.19 mm，均小于對應(yīng)的控制值。同時(shí)，橋梁樁基軸力和順橋向彎矩小幅增加，但均在橋梁設(shè)計(jì)預(yù)留的安全范圍內(nèi)。因此可以得出結(jié)論：該地鐵期間隧道盾構(gòu)下穿具備可實(shí)施性。

關(guān)鍵詞：高架橋；區(qū)間隧道；內(nèi)力變形；地鐵

中圖分類號：U455.43"""" """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""" """"""""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：

Analysis of the Impact of Subway Section Tunnels Under Crossing National Highway Viaduct

LU Xisheng

（Guangzhou Metro Design amp; Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510000，China ）

Abstract： Based on the engineering background of a newly built subway tunnel under the national highway viaduct， the deformation and internal forces of the viaduct during the shield tunneling process of the subway tunnel were analyzed through three-dimensional numerical simulation， and its impact on the national highway viaduct was evaluated. The research results indicate that during the process of shield tunneling， the maximum vertical deformation of bridge piers and pile foundations is 0.4 mm， and the maximum horizontal displacement is 2.3 mm. The longitudinal differential settlement control value between adjacent bridge piers and abutments is 0.21 mm， and the transverse differential settlement control value is 0.19 mm， both of which are smaller than the corresponding control values. At the same time， the axial force of the bridge pile foundation and the bending moment along the bridge direction increased slightly， but both were within the safety range reserved in the bridge design. Therefore， it can be concluded that the tunnel shield tunneling under the subway during this period is feasiblem.

Keywords：viaduct;section tunnels;internal force distortion;subway

0 引言

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，地鐵網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)從城市中心向邊緣延伸的放射狀格局，地鐵區(qū)間隧道頻繁穿越高速公路、國道及快速路等高架結(jié)構(gòu)。高架橋?qū)τ谧冃畏浅Ｃ舾?，其控制要求較高。當(dāng)?shù)罔F隧道盾構(gòu)進(jìn)行下穿作業(yè)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致高架橋發(fā)生變形并引起內(nèi)力的變化。通過精確的模擬計(jì)算和分析盾構(gòu)下穿對高架橋的影響，可為實(shí)際施工提供專業(yè)依據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合理優(yōu)化措施以減小對高架橋的影響[1-5]?；诮K省蘇州市新建區(qū)間盾構(gòu)下穿國道高架的工程案例，本文采用midas GTS對盾構(gòu)區(qū)間下穿國道高架過程中及施工后高架的內(nèi)力變形[5]化進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對比建模分析結(jié)果和控制指標(biāo)，評估區(qū)間盾構(gòu)下穿對道路正常運(yùn)營的影響，并與實(shí)際施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，在分析結(jié)果基礎(chǔ)上探索減小盾構(gòu)下穿對高架影響的優(yōu)化措施。

1 工程背景

該國道采用高架形式東西向敷設(shè)，地鐵區(qū)間以地下形式由南向北延伸，二者呈近90°夾角交叉。地鐵區(qū)間采用盾構(gòu)法進(jìn)行高架下穿，其中穿越段盾構(gòu)掘進(jìn)長度約為80 m。下穿段高架橋梁包括左右幅主橋和左側(cè)匝道橋，左右幅主橋?qū)挾葹?6 m，各設(shè)有3車道；匝道橋?qū)挾葹? m。上部結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)制小箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩。蓋梁高度為1.6 m，墩柱由兩個(gè)尺寸為1.3 m×1.5 m的方柱組成，柱間距9 m?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁，直徑為1.8 m，長度為58 m。墩柱和樁基通過2.5 m×2.5m的承臺連接，并設(shè)置了尺寸為1.3 m×1.5 m的系梁。盾構(gòu)隧道距高架左幅橋橋樁最小水平凈距分別約8.6 m和8.4 m；盾構(gòu)隧道距高架右幅橋橋樁最小水平凈距分別約7.7 m和9.0 m；盾構(gòu)隧道距高架匝道橋樁最小水平凈距分別約8.1 m和8.6 m。新建地鐵區(qū)間隧道與國道高架關(guān)系如圖1所示。

2 影響機(jī)理

盾構(gòu)施工會(huì)引起一定范圍內(nèi)的土體位移和變形。對于受影響的地表建筑物，由于地基土體的變形，其外力條件和支承狀態(tài)發(fā)生變化。而外力條件的變化也會(huì)導(dǎo)致既有建筑物發(fā)生沉降、傾斜、斷面變形等現(xiàn)象。因此，鄰近建筑物的變形本質(zhì)上是由地層變形而引起的。地表變形是由盾構(gòu)法施工引起隧道周圍土體的松動(dòng)和沉陷，其直觀表現(xiàn)為沉降或隆起。

盾構(gòu)施工引起地層變形的分布模塊是三維的，隨著盾構(gòu)推進(jìn)，隧道上方地表的沉降量逐漸增加，沉降區(qū)域的寬度也日趨擴(kuò)展，如圖2所示。

盾構(gòu)推進(jìn)引起的地面縱向沉降變化規(guī)律可分為先行沉降、掌子面前的沉降與隆起、尾部沉降、尾部空隙沉降和長期延續(xù)沉降共五個(gè)階段。

3 數(shù)值分析模型建立

3.1 計(jì)算模型

對于已運(yùn)營橋梁而言，其基礎(chǔ)的沉降和不均勻沉降是直觀反映橋梁樁基承載力及上部結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力變化的重要性指標(biāo)，根據(jù)擬建地鐵盾構(gòu)隧道和國道高架之間的相對關(guān)系，并結(jié)合地質(zhì)資料等建立了三維仿真計(jì)算模型，用來模擬盾構(gòu)開挖掘進(jìn)過程。通過研究盾構(gòu)隧道下穿施工對國道高架的沉降和變形影響，從而判定工程實(shí)施的可行性。

選取大型通用有限元軟件midas GTS作為計(jì)算平臺，考慮場地內(nèi)巖土特性，并采用修正摩爾-庫倫模型分析地基各土層；由于盾構(gòu)隧道襯砌具有較高的剛度，因此可以假設(shè)認(rèn)為這些結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài)，數(shù)值模擬中采用彈性模型來模擬其變形和受力特征。

根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間與國道高架的平縱關(guān)系，對盾構(gòu)隧道、樁基承臺、地層等認(rèn)真分析，把握各要素的特點(diǎn)，按實(shí)際情況，1：1建立幾何模型。

有限元計(jì)算模型的范圍確定為180 m×120 m×70 m（X×Y×Z），其中，模型上表面邊界取自地表（地表高差變化較小，簡化為水平面），Y方向邊界取國道高架以外約50 m處，下表面邊界取自隧道底部以下約50 m處，盾構(gòu)隧道下穿國道高架處橋跨及東側(cè)一跨為25 m，其余國道高架橋跨均為30 m，三維計(jì)算模型如圖3所示

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告，擬建場地土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

根據(jù)各項(xiàng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料，同時(shí)考慮鋼筋和混凝土對材料的影響，參考有關(guān)文獻(xiàn)，鋼筋混凝土構(gòu)件的材料物理力學(xué)參數(shù)按表2取值。

3.3 數(shù)值模擬過程

地鐵隧道盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)機(jī)一邊控制開挖面及周圍土體的坍塌失穩(wěn)，同時(shí)進(jìn)行隧道掘進(jìn)和出渣，并在機(jī)內(nèi)拼裝管片形成襯砌及實(shí)施壁后注漿，在土體中逐步向前推進(jìn)。然而，由于有限元法無法完全模擬盾構(gòu)的連續(xù)推進(jìn)過程，因此需要進(jìn)行一定程度的簡化。

本次模擬分析中，將盾構(gòu)推進(jìn)作為一個(gè)非連續(xù)的過程來研究。假設(shè)盾構(gòu)機(jī)以逐步跳躍式向前推進(jìn)，每次向前推進(jìn)的長度為N個(gè)襯砌單元環(huán)寬度（1.2 m）。在盾構(gòu)機(jī)尾部一次性完成襯砌拼裝，并對盾構(gòu)機(jī)和管片襯砌之間的超挖部分進(jìn)行同步注漿。此外，在掌子面上施加均布土壓力，大小為原始地層隧道中心位置的側(cè)向靜止土壓力值。在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)土體開挖過程中，采用有限元軟件MIDAS/GTS提供的單元“鈍化”功能進(jìn)行模擬。在模擬同步注漿時(shí)，首先激活超挖部分土體，并將該部分土體單元參數(shù)修改為注漿材料的屬性。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 土體變形

盾構(gòu)隧道開挖對地層造成擾動(dòng)，引起上方地表及鄰近國道高架橋梁的位移和變形。有限元計(jì)算結(jié)果顯示，盾構(gòu)隧道拱頂土體最大沉降值約為6.6 mm，地面土體最大沉降值約為3.4 mm，如圖4所示。

從圖5中可以看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到的地表沉降槽區(qū)間呈拋物線形狀，相比基于Peck公式的理論計(jì)算結(jié)果[1]，數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到的最大沉降、施工影響范圍相對較小。根據(jù)相關(guān)研究，基于經(jīng)驗(yàn)擬合的Peck公式計(jì)算結(jié)果相較實(shí)測值大，可見數(shù)值計(jì)算結(jié)果較為貼合實(shí)際。

4.2 橋梁變形

盾構(gòu)下穿施工引起鄰近國道高架橋梁變形的影響如圖6～圖8所示，距離盾構(gòu)隧道較近的橋墩及樁基變形相對較大，其余橋墩變形基本可忽略不計(jì)。

從圖6～圖8中可以看出，盾構(gòu)隧道下穿施工引起國道高架最大順橋向水平位移為2.27 mm，最大橫橋向水平位移為0.23 mm，最大豎向位移為0.5 mm。此外盾構(gòu)下穿的左幅橋橋墩橫向差異沉降較小，下穿的匝道高架橋橋墩橫向差異較大為0.09 mm，下穿的右幅橋橋墩縱向差異沉降最大為0.21 mm。

4.3 樁基內(nèi)力

盾構(gòu)下穿施工前后，橋梁樁基內(nèi)力變化如圖9～圖11所示。

從圖9～圖11中可以看出，盾構(gòu)施工后，會(huì)引起橋梁樁基產(chǎn)生向下的負(fù)摩阻力，樁基最大軸力由2 842 kN增長為2 869 kN，增幅約0.9%，可滿足樁基承載力要求；樁基順橋向最大負(fù)彎矩由-661 kN·m增長為-727 kN·m，增幅約10%，最大正彎矩由557 kN·m增長為602 kN·m，增幅約8.1%；樁基橫橋向最大負(fù)彎矩由-344 kN·m增長為-353 kN·m，增幅約2.6%，最大正彎矩由301 kN·m增長為310 kN·m，增幅約3%；樁基橫橋向彎矩影響較小。

5 結(jié)論及建議

本文以江蘇省蘇州市地鐵區(qū)間隧道下穿國道高架橋?yàn)槔?，采用有限分析軟件midas GTS對盾構(gòu)下穿高架橋過程進(jìn)行模擬，研究了盾構(gòu)下穿施工對高架橋的影響。根據(jù)數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果，盾構(gòu)隧道下穿施工引起的國道高架橋的變形和位移、內(nèi)力變化情況如下。

1） 橋梁墩臺及樁基最大豎向變形0.4 mmlt;控制值5 mm，滿足要求。

2） 橋梁墩臺及樁基最大水平位移2.3 mmlt;控制值5 mm，滿足要求。

3） 縱向相鄰橋梁墩臺間差異沉降控制值0.21 mmlt;控制值2 mm，橫向相鄰橋梁墩臺間差異沉降控制值0.19 mmlt;控制值1 mm。

4） 橋梁樁基軸力、順橋向彎矩出現(xiàn)一定程度的增加，但增長幅度較小，仍在設(shè)計(jì)預(yù)留的安全范圍內(nèi)。

5） 經(jīng)數(shù)值模擬過程表明，高架橋沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)下穿過程中及下穿后一周內(nèi)，占總沉降的比例為81%～88%；根據(jù)相似工程案例的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在實(shí)際盾構(gòu)下穿高架橋工況中，主要沉降也發(fā)生在該時(shí)間段內(nèi)，因此數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況較為接近。

根據(jù)以上分析結(jié)果，區(qū)間盾構(gòu)下穿施工對國道高架橋影響在安全控制范圍內(nèi)，不影響其正常使用要求，盾構(gòu)下穿具備可實(shí)施性。盾構(gòu)下穿過程中至下穿后一周內(nèi)應(yīng)加密施工監(jiān)測頻次。另外國道高架順橋向水平位移較大，建議在高架橋樁基東、西兩側(cè)預(yù)埋注漿管，施工過程中加強(qiáng)橋墩和地表監(jiān)測，監(jiān)測值超過預(yù)警值時(shí)及時(shí)通過預(yù)埋注漿管注漿加固。

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編輯：劉 巖

收稿日期：2024-07-11

作者簡介：盧喜勝（1991～），男，江西省贛州市人，工程師，碩士，主要從事地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。