砂卵石地層盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)既有鐵路框架橋的影響

張亞洲 林志宇 馬凝宇 賈方毅 閆曉

為研究盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)框架橋結(jié)構(gòu)以及周邊地層位移變形的影響，文章以洛陽市地鐵1號(hào)線啟明南路站—塔灣站區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越焦柳鐵路框構(gòu)橋工程為依托，通過有限元軟件ANSYS對(duì)盾構(gòu)隧道的開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分別對(duì)隧道開挖過程中的地表沉降變化、鐵路框構(gòu)橋變形以及樁基位移進(jìn)行對(duì)比分析，系統(tǒng)研究隧道典型開挖步序下的鐵路框架涵結(jié)構(gòu)、樁基及地表的變形特性。研究結(jié)果表明：①由隧道開挖引起的地表沉降分布形態(tài)一般不是完全對(duì)稱，在本項(xiàng)目中先開挖的左線中心線上方的地表沉降最為嚴(yán)重;②在隧道開挖過程中，框架涵位移變形呈現(xiàn)變形范圍增大，最大豎向沉降值有所減小;③隨著隧道的開挖，樁基的豎向及橫向最大變形值呈增長趨勢，縱向最大變形值在隧道開挖過程呈現(xiàn)波動(dòng)的形態(tài)。

盾構(gòu)隧道; 下穿施工; 沉降; 數(shù)值模擬; 位移變形

U452.2+6?? A

[定稿日期]2020-12-03

[作者簡介]張亞洲（1982～），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事建筑施工方面的工作。

隨著近年來國內(nèi)城市軌道交通項(xiàng)目建設(shè)的興起，盾構(gòu)施工技術(shù)因其對(duì)周邊環(huán)境影響小、適應(yīng)范圍廣以及施工成本低等[1]優(yōu)點(diǎn)在我國地鐵隧道工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于城市地下空間的大規(guī)模、高密度的開發(fā)，大量隧道下穿既有重要的建（構(gòu)）筑物的現(xiàn)象開始涌現(xiàn)，如，武漢地鐵3號(hào)線側(cè)穿京廣漢口聯(lián)絡(luò)上行線鐵路橋、西安地鐵14號(hào)線下穿寶太疏解線高架橋等。隧道的近接施工必然會(huì)擾動(dòng)地層破壞原始的力學(xué)平衡[2]從而導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)本身的變形以及受力變化，在實(shí)際施工中往往需要嚴(yán)格的監(jiān)測和控制既有結(jié)構(gòu)的變形。因此，針對(duì)盾構(gòu)隧道近接施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響引起了越來越多的技術(shù)人員以及學(xué)者的重視。

周邊環(huán)境的沉降控制是盾構(gòu)隧道下穿施工中至關(guān)重要的一部分，目前對(duì)于此已展開了大量研究。謝雄耀[3]等結(jié)合壁后注漿雷達(dá)檢測和自動(dòng)化監(jiān)測平臺(tái)提出了“微沉降”的施工控制技術(shù)，對(duì)盾構(gòu)隧道下穿老舊建筑物的地表沉降進(jìn)行了控制。劉建友[4]等采用現(xiàn)場調(diào)研和統(tǒng)計(jì)分析等方法，對(duì)高速鐵路軌道、扣件及路基的相互作用關(guān)系開展研究，提出盾構(gòu)隧道穿越高速鐵路路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的制定方法。文獻(xiàn)[5-7]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)等方法，對(duì)既有隧道加固措施、地層適應(yīng)性、隧道變形進(jìn)行研究，提出了盾構(gòu)隧道近距離下穿既有隧道變形控制措施。文獻(xiàn)[8-10]對(duì)盾構(gòu)施工的全過程進(jìn)行了模擬，分析了埋深、樁隧凈距等條件下盾構(gòu)施工對(duì)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)變形及地表沉降的影響規(guī)律。

目前，在隧道近接施工的相關(guān)研究中，針對(duì)砂卵石地層下的隧道下穿既有鐵路框架橋梁研究較少，隧道施工過程中也對(duì)框架橋的變形提出了非常嚴(yán)格的要求。由此，文章以洛陽市地鐵1號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越焦柳鐵路框構(gòu)橋工程為依托，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)盾構(gòu)隧道的開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分別對(duì)隧道開挖過程中的地表沉降變化、鐵路框構(gòu)橋變形以及樁基位移進(jìn)行對(duì)比分析。為今后類似的工程提供一定的參考。

1 工程概況

以洛陽市軌道交通1號(hào)線啟明南路站—塔灣站區(qū)間盾構(gòu)隧道為工程背景。該區(qū)間隧道設(shè)計(jì)為兩分離盾構(gòu)法隧道單洞，盾構(gòu)隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片厚度0.35 m，環(huán)寬1.5 m，襯砌環(huán)由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊、1塊封頂塊錯(cuò)縫拼裝方式組成，采用鋼筋混凝土管片襯砌結(jié)構(gòu)。該區(qū)間下穿焦柳鐵路段平面位置如圖1所示。

盾構(gòu)區(qū)間主要位于中州東路下方，上方建筑物較少。其中焦柳鐵路框構(gòu)橋處區(qū)間結(jié)構(gòu)以下覆土約5.1 m，水位深約12 m。區(qū)間穿越的地層主要有黃土狀粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、卵石地層等。圖2為隧道下穿既有焦柳鐵路框構(gòu)橋的地質(zhì)剖面圖。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)區(qū)間隧道與鐵路相互關(guān)系建立數(shù)值計(jì)算模型，模型 3個(gè)方向尺寸選取的原則是把隧道開挖影響范圍都包含在模型范圍之內(nèi)，模型邊界尺寸為100 m（橫向x）×50.7 m（豎向y）×60 m（縱向z），如圖3所示，其中隧道與鐵路橋位置關(guān)系如圖4所示。模型中隧道尺寸均以實(shí)際尺寸為標(biāo)準(zhǔn)，隧道埋深為6.2 m。

在建模過程中，考慮到隧道動(dòng)態(tài)施工特點(diǎn)，隧道圍巖按均質(zhì)彈塑性考慮，采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，同時(shí)假定地層為均勻水平的。模型中地層、管片、注漿層、樁基等均采用SOLID45[11]單元予以模擬，計(jì)算時(shí)按自重應(yīng)力場考慮。模型邊界條件如下：沿隧道軸線方向，對(duì)模型前后兩面邊界結(jié)點(diǎn)施加縱向水平約束;沿隧道橫向方向，對(duì)模型左右兩面邊界結(jié)點(diǎn)施加橫向水平約束;對(duì)模型底面結(jié)點(diǎn)，施加豎向方向的約束。在模擬隧道開挖過程中左線先施工，且以掘進(jìn)6 m為1步，10步后左線貫通。然后右線開挖，同樣10步后右線貫通。

2.2 參數(shù)選取

實(shí)際工程中各種材料參數(shù)多樣，且土層性質(zhì)各異、參數(shù)多變，為了簡化模型計(jì)算，根據(jù)區(qū)間土體的地質(zhì)特點(diǎn)，將其分為五個(gè)均勻土層。在計(jì)算模型中，土體材料的模擬均采用彈塑性關(guān)系材料，參考實(shí)際工程中詳勘階段巖土參數(shù)建議值，管片襯砌結(jié)構(gòu)采用C50鋼筋混凝土材料，彈性模量為34.5 GPa，考慮到襯砌接頭對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響，將結(jié)構(gòu)整體剛度折減25 %[12]。具體取值見表1。

3 模型計(jì)算結(jié)果分析

為了探明盾構(gòu)隧道在掘進(jìn)過程中對(duì)既有鐵路橋結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的影響規(guī)律，本文以工程實(shí)際為基礎(chǔ)，分別對(duì)地表沉降、鐵路橋框架涵變形以及樁基變形三個(gè)方面進(jìn)行分析。

3.1 隧道開挖對(duì)地表沉降影響

盾構(gòu)隧道在開挖過程中難以避免的會(huì)引起地層損失，從而使隧道周邊圍巖應(yīng)力重分布，在地表上則表現(xiàn)出差異沉降。為了能更為清楚的得到隧道開挖對(duì)地表沉降的影響，將每步監(jiān)測斷面1、斷面2的地表沉降進(jìn)行整理，結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可見，在盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)過程中，隨著開挖面的不斷前移，地表沉降曲線的豎向沉降最大值逐漸增加，地表沉降曲線由 “U”型分布形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成“W”型分布形態(tài)，此時(shí)地表沉降最大值位于左線隧道中心線附近，其值為9.25 mm，右線隧道中心線附近地表沉降值為6.47 mm，這表明地表沉降分布形態(tài)是一個(gè)由隧道的開挖引起的疊加過程，疊加完成后地表沉降分布形態(tài)并非完全對(duì)稱，其中先開挖的左線中心線附近的地表沉降最為嚴(yán)重。雙線隧道最終開挖完成后，兩監(jiān)測斷面的主要沉降區(qū)域位于-30～30 m，該區(qū)域?yàn)槭┕み^程中主要監(jiān)測區(qū)域。

3.2 隧道開挖對(duì)鐵路橋框架涵的影響

鐵路橋框架涵位于隧道開挖的正上方，在盾構(gòu)隧道開挖過程中該框架涵屬于重點(diǎn)監(jiān)測對(duì)象。因此，提取框架涵典型開挖步序下的各個(gè)方向最大位移值，如表2所示。隧道開挖完成后框架涵的位移云圖如圖7所示。

隨著盾構(gòu)隧道的開挖，地層損失不斷疊加，土層和框架涵結(jié)構(gòu)相互作用、協(xié)同變形。結(jié)合表2和圖7可知，在隧道開挖過程中，框架涵的橫向及縱向變形較小，豎向變形量最大。左線貫通后最大豎向沉降位于在框架涵對(duì)應(yīng)于左線隧道中心線上方的底板處，其沉降量為9.87 mm。雙線貫通后最大豎向沉降位于框架涵底板中部偏左位置，其沉降量為7.35 mm，雙線貫通后的框架涵結(jié)構(gòu)變形影響范圍更大。考慮到框架涵結(jié)構(gòu)整體剛度遠(yuǎn)大于周邊土體的剛度，雙線隧道的開挖使框架涵結(jié)構(gòu)整體受力，變形范圍增大，從而導(dǎo)致最大沉降量有所減小。

3.3 隧道開挖對(duì)鐵路橋樁基影響

新建地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道的施工過程對(duì)鐵路樁基產(chǎn)生一定的附加變形，提取雙線隧道貫通后樁基各個(gè)方向的位移，其云圖如圖8所示。統(tǒng)計(jì)其典型步序下各個(gè)方向樁基的最大位移值，如表3所示。

由圖8可見，雙線貫通時(shí)樁基的最大豎向及橫向變形值均位于樁基底部，其值分別為4.28 mm及3.24 mm，其豎向最大位移量超過3 mm的限定值。最大縱向變形值位于樁身，其值為0.14 mm。

結(jié)合表3和圖8可知，隨著盾構(gòu)隧道的開挖，樁基的豎向及橫向最大變形值均呈現(xiàn)增大趨勢，但增量逐漸減小，縱向最大變形值在隧道開挖過程呈現(xiàn)波動(dòng)的形態(tài)。這表明，隨著盾構(gòu)隧道的開挖，地層不斷受到開挖擾動(dòng)的作用，越接近隧道周邊的土體產(chǎn)生的地層變形越大，由于鐵路樁基位于隧道兩側(cè)，樁基結(jié)構(gòu)附近土體產(chǎn)生靠近隧道方向的位移分量，樁基群與地層協(xié)同變形也產(chǎn)生各個(gè)方向的位移變形，隨著隧道開挖繼續(xù)進(jìn)行，隧道開挖影響的土體范圍不斷增大，導(dǎo)致該區(qū)域的樁基豎向、橫向變形不斷增加，但增量逐漸減小。

4 結(jié)論

依托洛陽市軌道交通1號(hào)線啟明南路站—塔灣站區(qū)間盾構(gòu)隧道為工程背景，采用數(shù)值模擬的研究方法，對(duì)隧道典型開挖步序下的既有鐵路框架涵結(jié)構(gòu)、樁基及地表的變形特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出以下結(jié)論：

（1）由隧道開挖引起的地表沉降分布形態(tài)是一個(gè)疊加過程，疊加完成后地表沉降分布形態(tài)一般不是完全對(duì)稱。在本項(xiàng)目中先開挖的左線中心線上方的地表沉降最為嚴(yán)重。

（2）在隧道開挖過程中，框架涵位移變形表現(xiàn)出豎向變形量最大，隨著隧道開挖的進(jìn)行，框架涵變形范圍增大，而最大豎向沉降值有所減小。

（3）隨著隧道的開挖，樁基的豎向及橫向最大變形值呈增長趨勢，但增量逐漸減小，縱向最大變形值在隧道開挖過程呈現(xiàn)波動(dòng)的形態(tài)。表明樁基與地層受到開挖擾動(dòng)從而協(xié)同變形產(chǎn)生位移變形，隨著隧道開挖繼續(xù)進(jìn)行，受開挖影響的地層范圍不斷增大，導(dǎo)致該區(qū)域的樁基豎向、橫向變形不斷增加，但增量逐漸減小。

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