地鐵隧道下穿既有橋梁應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律研究

王敬賓

(中國鐵建中鐵十四局有限公司，山東 濟南 250061)

0 前 言

隨著我國近年來發(fā)展迅猛，越來越多經(jīng)濟發(fā)達的城市開始修建地鐵工程，而地下開挖隧道一定會導致地面及地面構(gòu)筑物或多或少的有一定的位移變形，為防止由于隧道開挖影響地面設(shè)施發(fā)生事故，所以研究隧道開挖對地面建筑的影響是很有必要的。通過多年的經(jīng)驗累積和研究，學者們在隧道開挖對既有地上既有線的位移影響、結(jié)構(gòu)變形以及預測方法等一形成了較為完整的體系，對實際工程的預測可以達到相對的準確[1～4]。胡眾、卲迅等[5]以安徽省合肥市地鐵1號線下穿工程為依托，利用有限元軟件FLAC3D軟件對隧道開挖過程中隧道的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律進行了研究。周宜、王海亮等[6]以山東省青島市地鐵3號線為背景，通過合理設(shè)計的掏槽型式、爆破參數(shù)以及裝藥結(jié)構(gòu)對爆破網(wǎng)進行了優(yōu)化，取得了良好的經(jīng)濟社會效益。傅雅莉[7]利用數(shù)值分析軟件，對江西省南昌市軌道交通1號線下穿彭家橋段進行了施工對地層、橋梁結(jié)構(gòu)以及橋墩基礎(chǔ)的影響，預測了隧道施工對橋梁的影響。Didascalou等[8]在柏林地鐵中開展了一項測量活動，以表征電磁波在地下鐵路隧道中的傳播。利用945和1 853.4 MHz的接收功率水平，研究了彎曲拱形隧道的衰減和衰落特性。Shen等[9]提出了一種基于無線多媒體傳感器的地鐵隧道網(wǎng)絡(luò)裂縫檢測方法，為裂紋的圖像采集、圖像檢測和識別提供了一種解決方案。夏元友等[10]對隧道淺埋開挖所引起的土體水平方向的位移進行了分析，為相關(guān)工程提供了理論參考。但由于實際工程中，各種影響隧道開挖的因素更為復雜，為了更進一步研究TBM隧道開挖對既有建筑物等結(jié)構(gòu)的影響，本文使用兩種不同的數(shù)值分析軟件結(jié)合，利用數(shù)值分析計算結(jié)合現(xiàn)場施工檢測的方法，研究TBM開挖隧道對上部橋梁及土體的影響。

1 工程概述

山東省青島市地鐵1號線區(qū)間從海泊橋站至小村莊站，右線區(qū)間起止里程為：YSK39+491.675～YSK40+553.150，右線長度1 061.475 m，左線起止里程為：ZSK39+491.675～ZSK40+553.150，左線長度1 061.119 m。如圖1所示，區(qū)間從海泊橋站沿途經(jīng)過人民路、南寧路、撫順路、進入小村莊車站。該線路主要穿過人民路下方，人民路道路兩側(cè)有大量的居民區(qū)和商業(yè)店鋪，樓層在8層左右。人民路當前道路寬為20～30 m，計劃建設(shè)道路寬度約40 m，人民路為城市交通主干道，平時車輛通行較多，并且道路兩側(cè)分布大量的電力、煤氣、有線、自來水等管線，隧道軸線與既有人民路立交橋軸線呈62°夾角。

圖1 區(qū)間周邊環(huán)境平面示意圖

2 數(shù)值計算模型與分析方法

2.1 數(shù)值計算模型建立

本文利用大型數(shù)值模擬軟件ANSYS，依據(jù)青島地鐵1號線下穿人民路立交橋?qū)嶋H工況，建立一個和實際工況接近的三維數(shù)值模型。在實際工況下，隧道左線818.751 m，右線648 m，綜合考慮邊界影響效應(yīng)和簡化建模，模型的尺寸為100 m×100 m×50 m。對于模型土層的厚度，考慮實際工況資料和簡化建模的需要，從上至下各層地層厚度依次取為：8、8、34 m。數(shù)值模型如圖所示2。

圖2 三維數(shù)值模型

2.2 力學參數(shù)

在三維數(shù)值模型中，地層的土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，根據(jù)本地勘測資料可知，工程下穿1個地層，為微風化花崗巖。施工過程涉及全斷面注漿加固。注漿加固區(qū)本構(gòu)關(guān)系同樣采用摩爾-庫倫模型，通過調(diào)整力學參數(shù)模擬加固效果，加固后具體參數(shù)的取值并無相關(guān)理論研究，文中根據(jù)類似工程經(jīng)驗確定。地層參數(shù)如表1所示。

表1 土層基本物理力學參數(shù)

2.3 測點布置

在數(shù)值模型中設(shè)置12個監(jiān)測斷面，6個監(jiān)測點各位于每個橋墩正上方的橋面點 ，編號為1到6。地面上總共有5各監(jiān)測點，其中3個監(jiān)測點位于中間及左右排兩個橋墩正中間，另外2個監(jiān)測點則位于每個兩個地面監(jiān)測點的正中間，地面監(jiān)測點的編號為A到E,如圖3所示。

圖3 自動化監(jiān)測平面布置圖

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

圖4所示為開挖完成后模型豎向應(yīng)力分布云圖。從圖4可以看出，當隧道斜穿橋梁開挖后，橋面少部分區(qū)域，特別是條基上部橋面板承受拉應(yīng)力，且最大拉應(yīng)力約為1.719 MPa，而橋墩及部分基礎(chǔ)主要承受壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力約為11.76 MPa。由于橋面板在水平方向較長，所以在與橋墩連接處容易引起拉引力，而橋墩為豎向構(gòu)件，仍然主要承受壓應(yīng)力。由此可見，在隧道開挖過程當中橋梁各部分均能抵抗住由于開挖引起的應(yīng)力影響。

圖4 豎向應(yīng)力云圖

圖5為垂直方向的各部分位移圖，從圖5可知，地面大部分有少量的沉降，且隧道開挖的正上方橋面和土體均有少量的沉降，橋面板最大沉降處為左線隧道東側(cè)邊，約為0.37 mm。右線條基上方橋面和土體均有較大的隆起，最大值約為2 mm。由此可知該區(qū)域處于最危險狀態(tài)，在這種狀態(tài)下橋面板易開裂或者錯動，在隧道施工時要注意重點監(jiān)測該部位及附近區(qū)域。雖然各區(qū)域均有不同程度的位移變形，但都能滿足允許要求。

圖5 豎向位移云圖

4 結(jié) 論

1) 隧道上部區(qū)域有少量沉降，但是距離隧道較遠，且地層較厚，下穿部位巖石堅硬，所以對上部影響較小。

2) 隧道開始開挖時對沉降隆起影響較小，當開挖至橋下時沉降變化明顯增大，所以開挖至橋下時對上部影響最大。

3) 雙線隧道開挖中，隧道上方地表會有小幅度的隆起，且基礎(chǔ)附近土體變形量最大。因此新建隧道開挖之前，可以采用隔斷法、土體加固、建筑物本體加固、基礎(chǔ)托換等措施保證既有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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