基于FLAC3D下穿頂進(jìn)框架橋的橋式盾構(gòu)法開挖分析

， ， ， ，3

(1.湖南省湘鄉(xiāng)市公路局，湖南 湘鄉(xiāng) 411400；2.湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司,湖南 長沙 410199；3.中南大學(xué)， 湖南 長沙 410012)

基于FLAC3D下穿頂進(jìn)框架橋的橋式盾構(gòu)法開挖分析

劉克武1，左雁2，謝平2，胡達(dá)2，3

(1.湖南省湘鄉(xiāng)市公路局，湖南 湘鄉(xiāng) 411400；2.湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司,湖南 長沙 410199；3.中南大學(xué)， 湖南 長沙 410012)

以湖南省某市某下穿高速公路頂進(jìn)框架橋的橋式盾構(gòu)法開挖為工程背景，根據(jù)實(shí)際開挖過程，運(yùn)用FLAC3D建立頂進(jìn)框架橋開挖分析模型，分析了分塊開挖對高速公路路面沉降、橋式盾構(gòu)受力的影響，并為橋式盾構(gòu)法開挖頂進(jìn)框架橋提供有益結(jié)論。

頂進(jìn)框架橋；橋式盾構(gòu)法；開挖模擬；FLAC3D

0 引言

橋式盾構(gòu)法將明槽開挖改為地下暗挖盾構(gòu)支護(hù)，降低了頂進(jìn)開挖對路面沉降影響。橋式盾構(gòu)裝配在第1節(jié)框架橋前端，作為開挖面與路基施工支護(hù)，同時(shí)起到頂推導(dǎo)向的作用。預(yù)留核心土用來平衡迎面土壓力，使得頂進(jìn)方向開挖面趨于穩(wěn)定，該方向路面沉降不再發(fā)生明顯變化，而由于頂面超挖、子盾構(gòu)支護(hù)不及時(shí)引起垂直頂進(jìn)方向路基土下沉則是引起路面沉降主要因素，因此路面沉降分析可簡化為垂直頂進(jìn)方向平面受力問題。根據(jù)湖南省相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，頂進(jìn)開挖過程中，高速公路路面沉降控制在5 mm每頂進(jìn)行程，累計(jì)沉降不超過20 mm，如何在高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求下進(jìn)行開挖施工，保障框架橋順利就位是本文探討的問題。本文基于FLAC3D軟件，依托湖南省某市某下穿高速公路頂進(jìn)框架橋的橋式盾構(gòu)法開挖工程實(shí)例，模擬橋式盾構(gòu)分塊切土工藝，模擬得出施工引起土體位移隨開挖進(jìn)度等規(guī)律。

1 工程背景

湖南省某市某框架橋工程采用凈空18.2 m×6.0 m斜交框架橋，框架橋與高速公路斜交63.881°，每孔框架橋全長51 m，框架橋頂覆土厚度約2.000～2.683 m?？蚣軜蜃鳂I(yè)設(shè)置3處中繼間，框架橋按4節(jié)預(yù)制，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為P8級C40防滲鋼筋混凝土。框架橋頂板、側(cè)墻厚均為130 cm，底板厚140 cm，兩框架橋之間間距150 cm?？蚣軜虿捎脴蚴蕉軜?gòu)法“卷板”施工工藝。該項(xiàng)目橋式盾構(gòu)采用全焊鋼結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)設(shè)置41個(gè)子網(wǎng)格，盾構(gòu)頂部設(shè)置21個(gè)子網(wǎng)格，每個(gè)格構(gòu)立柱內(nèi)設(shè)置4個(gè)固定子網(wǎng)格，全橋共設(shè)置5個(gè)格構(gòu)立柱。上縱梁及下縱梁采用I45a工字鋼，子盾構(gòu)下橫梁采用I32a工字鋼，其余均采用I28a工字鋼。該橋現(xiàn)場預(yù)拼裝、格構(gòu)子網(wǎng)格切土施工如圖1所示。

框架橋橋位屬于沅江北岸Ⅰ級階地范疇，地面高程54.00～55.10 m，相對高差：1.1 m，地形平坦。地質(zhì)條件為：填筑土①：褐色夾雜色，結(jié)構(gòu)稍密-中密，稍濕-濕。全橋分布，厚度17.80～9.50 m，平均厚度18.56 m；粉質(zhì)粘土②：褐黃色、灰黃色，可塑-硬塑。全橋分布，厚度4.00～5.00 m，平均厚度4.56 m；泥質(zhì)粉砂巖③：褐紅色，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，全橋分布，厚度1.20～1.90 m，平均厚度1.44 m；泥質(zhì)粉砂巖④：紅褐色，中風(fēng)化，巖石完整，未揭穿。

為便于建模，取平均厚度的加權(quán)平均值。土體物理力學(xué)性質(zhì)如下：天然重度γ=19.28 kN/m3,變形模量E=34.90 MPa，內(nèi)摩擦角φ=28.43°，粘聚力c=20.38 MPa，泊松比ν=0.32。

2 基于FLAC3D數(shù)值建模

2.1 屈服準(zhǔn)則

土體結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，在外力作用下不僅產(chǎn)生彈性變形，還產(chǎn)生塑性變形，筆者采用Mohr- Coulomb彈塑性模型，將計(jì)算區(qū)域土介質(zhì)簡化為理想塑性體。

Mohr- Coulomb屈服準(zhǔn)則為：

(1)

2.2 數(shù)值模擬及邊界條件

在計(jì)算框架橋開挖時(shí)，必須把與結(jié)構(gòu)相連的一部分地基視為連續(xù)體。根據(jù)圣維南原理，開挖模型上界取為高速公路路面，下邊界取至框架橋底部2H(H為框架橋總高)，左右兩側(cè)取為1B(B為一副框架橋?qū)挾?，模型寬度為101 m，高度26.81～27.61 m。模型采用Brick、Wedge網(wǎng)格，本文對底部邊界節(jié)點(diǎn)x、y、z3個(gè)方向速度進(jìn)行約束，對x兩側(cè)的邊界進(jìn)行水平約束。由于y方向只設(shè)置1個(gè)單元長度，所以對模型中所有節(jié)點(diǎn)y方向速度進(jìn)行約束，為便于根據(jù)橋式盾構(gòu)法開挖分塊，通過Midas/Civil建立實(shí)體模型導(dǎo)入FLAC3D中，并進(jìn)行Group分組，該模型Gridpoint為7 000個(gè)，Zone為3 375個(gè)。網(wǎng)格劃分并分組后的模型見圖2。該模型需要考慮初始應(yīng)力場，模擬初始應(yīng)力場直接采用更改強(qiáng)度參數(shù)的彈塑性求解法，模型底部，σzz=γH,σxx=σyy=σzzν/(1-ν)。

圖2 頂進(jìn)框架橋橋式盾構(gòu)法開挖模型圖

2.3 開挖工況模擬

為開挖對高速公路路面沉降、盾構(gòu)受力的影響，需要解決橋式盾構(gòu)法分塊切土、子盾構(gòu)支護(hù)等相關(guān)內(nèi)容，本文擬提供如下思路：

1)分塊切土：先頂部子盾構(gòu)切土開挖①區(qū)域，然后開挖格構(gòu)立柱內(nèi)切土開挖②區(qū)域，然后用挖土機(jī)開挖③區(qū)域，而后框架橋就位。FLAC3D中提供NULL模型可便捷實(shí)現(xiàn)上述過程，并按照先左側(cè)后右側(cè)框架橋分階段開挖。如圖3。

圖3 頂進(jìn)框架橋橋式盾構(gòu)法分塊切土開挖示意圖

2)子盾構(gòu)支護(hù)：開挖①區(qū)域同時(shí)提供頂面支護(hù)，開挖②區(qū)域時(shí)同時(shí)提供側(cè)向支護(hù)。頂部子盾構(gòu)4根立柱(I28a工字鋼)間距0.485 m，格構(gòu)立柱6根平聯(lián)間距1.265 m。為簡化分析，采用“剛度等效”原則，將頂部子盾構(gòu)立柱、格構(gòu)立柱轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元，利用FLAC3D中Structural Element中的Beam直接作用在兩側(cè)土體上。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 頂部子盾構(gòu)開挖結(jié)果

下穿高速公路頂進(jìn)框架橋覆蓋層較薄，且行車擾動較大。通過FLAC3D計(jì)算求得開挖①區(qū)域時(shí)刻土體狀態(tài)如圖4所示。

圖4 框架橋開挖①區(qū)域左側(cè)、右側(cè)土體狀態(tài)圖

從圖4可知，頂部子盾構(gòu)切土開挖，框架橋頂部全部上覆區(qū)域?qū)⒊尸F(xiàn)塑性張拉破壞狀態(tài)(tension-n)，僅計(jì)算至STEP=100時(shí)，其路面整體下沉為-1.5 mm，說明上覆土層處于塑性狀態(tài)決定了其對高速公路沉降十分敏感。因此在開挖時(shí)，頂層區(qū)域應(yīng)嚴(yán)禁超挖。其次，通過結(jié)構(gòu)單元Beam受力分析可知，子盾構(gòu)立柱軸向應(yīng)力水平為19.16 MPa，處于極低的應(yīng)力水平。

3.2 格構(gòu)立柱內(nèi)開挖結(jié)果

開挖格構(gòu)立柱內(nèi)土層時(shí)，采用Slove求解。計(jì)算時(shí)，頂層土已經(jīng)處于支護(hù)狀態(tài)，通過FLAC3D求解，結(jié)果如圖5。

圖5 開挖格構(gòu)立柱內(nèi)土層時(shí)位移圖(單位：m)

從圖5可知，開挖格構(gòu)內(nèi)土體主要影響框架橋輪廓兩側(cè)，而對框架輪廓內(nèi)核心土影響非常小，說明理想狀況下，最外側(cè)格構(gòu)立柱會受到側(cè)向土壓力而應(yīng)控制超挖以防過多擾動，內(nèi)部格構(gòu)立柱受側(cè)向土壓力影響小，開挖時(shí)刻應(yīng)盡量保持其沿頂進(jìn)軸線行進(jìn)，避免格構(gòu)立柱強(qiáng)制變形引起受力增大。此階段采用Solve求解，路面沉降值在2.8 mm，則在該階段開挖時(shí)，對路面擾動較小。

其次，切土開挖時(shí)，其影響范圍水平向?yàn)榇笾聻?B寬度，豎向?yàn)闉?.5H深度。根據(jù)影響寬度并考慮實(shí)際超挖難以避免，建議路面沉降監(jiān)測時(shí)基準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在距離框架橋最外側(cè)2B范圍之外。

3.3 框架橋就位結(jié)果

前文分析可知，只要保持核心土預(yù)留深度和核心土坡角，加之頂部子盾構(gòu)的支護(hù)作用，可確保沿頂進(jìn)方向路面位移趨于穩(wěn)定，在這個(gè)前提下，在某一頂進(jìn)行程到位后，用機(jī)械開挖核心土不會對路面沉降過多擾動。本節(jié)則探討框架橋就位后受力特性。

從圖6可知，框架橋就位后，其土層位移與前一階段大致相等，左側(cè)框架橋就位時(shí)，底部跨中處土體位移最大，其壓縮量為15.7 mm，右側(cè)框架橋就位時(shí)刻，底部跨中處土體位移最大，其壓縮量為15.8 mm。

圖6 框架橋就位時(shí)土層時(shí)位移圖(單位：cm)

從圖7可知，對于框架橋結(jié)構(gòu)受力，僅有頂板下邊緣及底板上邊緣受拉，其拉應(yīng)力最大為2.46 MPa，其余部分均承受壓應(yīng)力。側(cè)壁內(nèi)邊緣壓應(yīng)力大于側(cè)壁邊緣， 壓應(yīng)力最大值為3.04 MPa。對于鋼筋混凝土框架橋而言其受力是比較小的。在開展對框架橋進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測時(shí)，建議在側(cè)壁內(nèi)輪廓跨中、頂板下邊緣跨中、底板上邊緣跨中布設(shè)應(yīng)力測點(diǎn)。

圖7 框架橋就位時(shí)SXXSZZ應(yīng)力圖(單位：Pa)

4 結(jié)論與建議

本文運(yùn)用FLAC3D軟件，以某工程為依托，根據(jù)橋式盾構(gòu)分塊開挖特點(diǎn)和過程，定性分析了頂進(jìn)開挖過程中的受力特點(diǎn)，得出結(jié)論如下：

1)理想狀態(tài)下，高速公路路面沉降成因?yàn)樯细餐翆铀苄允芾茐模_挖過程中，嚴(yán)禁盾構(gòu)頂部土方挖超。

2)理想狀況下，橋式盾構(gòu)頂部子盾構(gòu)主要承受上覆土層壓力，最外側(cè)格構(gòu)柱承擔(dān)側(cè)向土壓力作用，而內(nèi)部格構(gòu)柱受力很小，證明控制橋式盾構(gòu)設(shè)計(jì)并非土壓力作用，根據(jù)依托工程頂進(jìn)開挖情況來看，橋式盾構(gòu)塑性變形是由強(qiáng)制糾偏引起局部受力過大造成，由此說明橋式盾構(gòu)拼裝與框架橋外輪廓面接順、橋式盾構(gòu)開挖過程橫向偏位控制的重要性。

3)實(shí)際施工過程中，應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)測反饋控制，路面沉降監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)宜布置框架橋外輪廓外2B范圍之外，框架橋受力測點(diǎn)應(yīng)在側(cè)壁內(nèi)輪廓跨中、頂板下邊緣跨中、底板上邊緣跨中。

4)實(shí)際施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格遵循“慢開挖、勤監(jiān)測、快反饋、少糾偏”的原則，達(dá)到“防止盾構(gòu)局部受力過大、減少高速公路路面沉降”最終目的。

[1] 陳育民, 徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)工程實(shí)例(第二版)[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[2] 向懷軼, 楊樓城, 朱晨亮, 等. 橋式盾構(gòu)開挖對路基沉降影響分析[J].高速鐵路技術(shù), 2016(1):46-51.

[3] 滕海文, 王濤,霍豫慧, 等. 基于FLAC3D的沈陽地鐵隧道開挖三維穩(wěn)定性分析[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009(8):1074-1079.

[4] 范巍,王建華,陳錦劍. 連續(xù)墻與土體接觸特性對深基坑變形分析的影響[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2006(12):2118-2121.

1008-844X(2017)03-0149-04

U 445.4

A

2017-06-27

湖南省交通廳科技項(xiàng)目(編號：201537)

劉克武(1968-)，男，工程師，研究方向：工程建設(shè)管理。