陳 聰，蹇蘊(yùn)奇，魯茜茜，王先明

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430030；2.2.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

近年來盾構(gòu)法施工廣泛用于城市地鐵建設(shè)中。為保證周圍既有結(jié)構(gòu)的安全，尤其是鐵路橋梁結(jié)構(gòu)物的安全，采取合理的變形控制措施至關(guān)重要。工程中一般通過優(yōu)化施工參數(shù)、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)防護(hù)、控制地層變形等方法進(jìn)行盾構(gòu)施工安全控制[1-2]。

目前，針對不同工程采取的加固防護(hù)措施已有研究。文獻(xiàn)[3]通過數(shù)值模擬探究了盾構(gòu)下穿橋梁結(jié)構(gòu)對管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。文獻(xiàn)[4]利用ANSYS探究了不同地質(zhì)條件下樁基形式和樁隧凈距對樁體變形的影響。文獻(xiàn)[5]將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)相對比，證明了富水砂層盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)橋梁時(shí)地表注漿加固對變形的控制效果較好。文獻(xiàn)[6]應(yīng)用有限元軟件ANSYS，對未加固、加固樁基礎(chǔ)及加固隧道穿越地層3種 工況進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)加固隧道穿越地層對沉降的控制效果更好。文獻(xiàn)[7-8]通過數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測，對采取隔離樁措施的盾構(gòu)施工進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),采取隔離樁措施能有效地阻隔盾構(gòu)施工對既有樁基的影響，但是對橋梁變形的控制效果并不明顯。文獻(xiàn)[9]綜合考慮工程和水文地質(zhì)條件、上部荷載、施工參數(shù)等因素的影響，建立數(shù)值模型，對比了2種加固方案下地表沉降和樁身變形規(guī)律。文獻(xiàn)[10]從可行性、技術(shù)難易程度、工期、造價(jià)等方面，對砂卵石地層盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋梁加固方案進(jìn)行比選，建議采取樁基托換加固。

從以往的研究可以看出，樁基土體注漿加固和防護(hù)隔離樁加固是實(shí)際工程采用較多的加固方式，值得研究。鑒于此，本文基于武漢地鐵3號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路橋梁樁基工程，采用三維數(shù)值模擬的方法，對結(jié)構(gòu)變形和地表沉降進(jìn)行分析，對比不同加固措施下既有結(jié)構(gòu)變形，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

武漢地鐵3號(hào)線新建二七路站—興業(yè)路站區(qū)間盾構(gòu)隧道與既有鐵路橋梁位置關(guān)系如圖1所示，盾構(gòu)隧道外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，管片幅寬1.5 m。下穿段位于武漢地區(qū)典型的長江Ⅰ級階地。施工時(shí)先掘進(jìn)右線，待右線貫通后再掘進(jìn)左線。受盾構(gòu)施工影響，既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，危及線路正常運(yùn)營，需要采用控制措施緩解其沉降。

圖1 新建二七路站—興業(yè)路站區(qū)間隧道與既有鐵路橋梁位置關(guān)系示意

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立及參數(shù)的選取

計(jì)算模型尺寸為71 m(長)×60 m(寬)×60 m(高)。模型左右兩側(cè)施加x方向約束，前后兩側(cè)施加z方向約束，底面施加y方向約束，頂面為自由面。三維數(shù)值模型見圖2。假定： ①地層水平層狀分布；②盾構(gòu)掘進(jìn)施工影響范圍為隧道外徑的3倍，即18 m；③管片壁后注漿過程中，將漿體與土層混合物簡化為均質(zhì)等厚的注漿層。

圖2 三維數(shù)值模型

在數(shù)值模擬過程中，土體進(jìn)入塑性狀態(tài)的判別準(zhǔn)則為Druker-Prager屈服準(zhǔn)則，橋梁、樁基等結(jié)構(gòu)物以及管片襯砌、注漿層等視作彈性體，地層及結(jié)構(gòu)物均采用實(shí)體單元模擬。

管片制作材料采用C50鋼筋混凝土，彈性模量為34.5 GPa，考慮到管片之間接頭對結(jié)構(gòu)剛度的影響，將結(jié)構(gòu)剛度折減85%。地層及結(jié)構(gòu)物參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告確定，見表1。

表1 地層及結(jié)構(gòu)物參數(shù)

2.2 工況的設(shè)置

圖3 橋基加固防護(hù)措施

針對左右隧道中間的2號(hào)橋墩的承臺(tái)及樁基采取的加固措施進(jìn)行分析。隧道埋深15 m時(shí)，左、右線隧道距2號(hào)橋墩的樁基凈距分別為4.2，5.6 m。取3個(gè)工況進(jìn)行模擬計(jì)算：①未加固；②對2號(hào)橋墩的承臺(tái)及樁基周邊2 m范圍內(nèi)土體進(jìn)行注漿加固，加固深度達(dá)隧道底部以下1 m，如圖3(a)所示；③對2號(hào)橋墩的承臺(tái)及樁基兩側(cè)采用單排隔離樁防護(hù)，如圖3(b)所示，防護(hù)樁距隧道1 m，樁間隔1 m，沿隧道開挖方向分別超出承臺(tái)兩側(cè)各5 m，樁長至隧道底部以下3 m。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 地表沉降

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土體受到刀具的切削作用，從掌子面上剝離下來進(jìn)入土艙內(nèi)部，經(jīng)螺旋出土器排至機(jī)外。由此產(chǎn)生的地層損失，通過地層變形傳遞至地表，引起地表沉降。取橋梁中心線處斷面進(jìn)行觀測。地表沉降變化曲線見圖4?？梢姡孩儆揖€掘進(jìn)完成時(shí)受2號(hào)橋墩承臺(tái)及樁基的影響，未加固時(shí)最大地表沉降位置相對于右線隧道中心線向右偏移；雙線貫通后地表沉降槽呈W形分布，未加固時(shí)2號(hào)橋墩周圍(距橋墩-5～5 m)最大地表沉降為2.431 mm；②采取加固措施后沉降槽特點(diǎn)與未加固時(shí)類似，雙線貫通后注漿加固、隔離樁防護(hù)最大地表沉降分別為11.477，11.275 mm，2號(hào)橋墩周圍最大地表沉降分別為0.955，0.612 mm。隔離樁防護(hù)對地層變形的控制效果更好。

圖4 地表沉降變化曲線

2.3.2 軌道豎向位移

圖5 2條鋼軌在橋梁上的位置

圖6 鋼軌1的豎向位移曲線

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，上部橋梁、軌道等結(jié)構(gòu)物的不均勻沉降通過下部樁基等結(jié)構(gòu)物進(jìn)行傳遞?？紤]到橋梁結(jié)構(gòu)變形與軌道變形密切相關(guān)，取橋梁上部鋼軌進(jìn)行觀測，2條鋼軌在橋梁上的位置如圖5所示，由于鋼軌1和鋼軌2沉降規(guī)律類似，故僅分析鋼軌1豎向位移曲線，見圖6?？梢姡孩儆揖€掘進(jìn)完成時(shí)軌道最大豎向位移位于2號(hào)橋墩中心線左側(cè)約5 m處。②雙線貫通后未加固時(shí)軌道最大豎向位移為2.562 mm，注漿加固、隔離樁防護(hù)軌道最大豎向位移均比未加固時(shí)小，分別為0.889,0.715 mm。與注漿加固相比，隔離樁防護(hù)軌道最大豎向位移減小19.6%。與未加固時(shí)相比，采取加固措施后軌道豎向位移明顯減小，且隔離樁防護(hù)相比注漿加固對軌道豎向位移的控制效果更好。

2.3.3 樁身位移

在盾構(gòu)隧道近距離下穿樁基過程中，樁基對隧道施工產(chǎn)生的地層損失十分敏感。樁基不僅向上部結(jié)構(gòu)傳遞內(nèi)力及變形，自身也因地層擾動(dòng)存在著撓曲變形。

2號(hào)橋墩下的各樁位置示意如圖7。在雙線掘進(jìn)過程中，考慮到2號(hào)樁與左線隧道距離更近,故以2號(hào)樁為例對樁身橫向、縱向和豎向位移進(jìn)行分析。

圖7 各樁位置示意

圖8 2號(hào)樁橫向位移曲線

1)樁身橫向位移

2號(hào)樁橫向(垂直于盾構(gòu)掘進(jìn)方向)位移曲線見圖8?？梢姡孩儆揖€掘進(jìn)過程中，受盾尾注漿壓力的影響，2號(hào)樁于隧道中心線處(深15 m左右)產(chǎn)生遠(yuǎn)離右線隧道的橫向位移。同時(shí)，隧道開挖引起的地層損失引起隧道拱頂及拱底土體向隧道內(nèi)移動(dòng)，通過地層變形引起隧道以上及以下的部分樁體向右線隧道橫向移動(dòng)。②左線掘進(jìn)過程中，隧道中心線處2號(hào)樁橫向位移由遠(yuǎn)離右線隧道變?yōu)榭拷揖€隧道。雙線貫通后未加固時(shí)2號(hào)樁最大橫向位移0.995 mm，注漿加固、隔離樁防護(hù)2號(hào)樁最大橫向位移分別減小至0.859，0.418 mm。

2)樁身縱向位移

2號(hào)樁縱向(沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向)位移曲線見圖9?？梢姡孩僭谟揖€掘進(jìn)過程中2號(hào)樁產(chǎn)生縱向位移，左線掘進(jìn)過程中樁縱向位移顯著增大。②雙線貫通后樁身縱向位移與右線掘進(jìn)完成時(shí)變化規(guī)律一致。各工況下2號(hào)樁縱向位移在樁頂差異較大，未加固時(shí)2號(hào)樁樁頂最大縱向位移為0.997 mm，注漿加固、隔離樁防護(hù)2號(hào)樁樁頂最大縱向位移分別減至0.889,0.562 mm。與未加固時(shí)相比，采取加固措施后樁縱向位移顯著減小，隔離樁防護(hù)相比注漿加固對樁縱向位移的控制效果更明顯。

圖9 2號(hào)樁縱向位移曲線

3)樁身豎向位移

雙線貫通后在3種工況下的最大豎向位移均出現(xiàn)在樁頂位置。3種工況最大豎向位移對比見表2。

表2 3種工況最大豎向位移對比 mm

由表2可見：①雙線貫通后未加固時(shí)2號(hào)樁樁身最大豎向位移為2.649 mm，注漿加固、隔離樁防護(hù)2號(hào) 樁樁身最大豎向位移分別減至0.927,0.739 mm;②采取加固措施后樁身豎向位移顯著減小，并且隔離樁防護(hù)相對于注漿加固對豎向位移的控制效果更明顯。

3 結(jié)論

為保證盾構(gòu)掘進(jìn)過程中既有鐵路橋梁的安全運(yùn)營，采用有限元軟件ANSYS對不同加固措施進(jìn)行模擬分析，得出以下結(jié)論：

1)在盾構(gòu)掘進(jìn)之前，對樁基采取合理加固措施可有效減緩隧道施工過程中地層擾動(dòng)對既有結(jié)構(gòu)的影響，對緩解結(jié)構(gòu)物變形、保證既有線路的運(yùn)營安全具有重要意義。

2)2種加固措施均能滿足既有結(jié)構(gòu)物沉降控制要求。與注漿加固相比，隔離樁防護(hù)對地層變形的控制效果更明顯。在此前提下，可綜合考慮工程量、工程造價(jià)等因素，根據(jù)實(shí)際情況合理選用。