蒙蛟， 李文彪

（1.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142；2.四川鐵盛工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，成都 610031）

0 引言

城市的建設(shè)發(fā)展中，修建了大量的立交橋，使車輛快速通行而不受紅綠燈的約束，且減緩了公路的交通壓力。由于土地空間資源限制，后續(xù)工程尤其是地下盾構(gòu)隧道無法避免近距離側(cè)穿或下穿既有立交橋。為了防止盾構(gòu)隧道施工對(duì)土層產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)導(dǎo)致立交橋結(jié)構(gòu)的變形超過其承載能力，需要在立交橋樁基處采取一定的保護(hù)措施，減少隧道施工過程中產(chǎn)生的附加荷載對(duì)于立交橋樁基的影響，保證橋梁的位移在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，不影響立交橋正常使用運(yùn)營。

近年來隧道近距離穿越橋樁之類的問題也不斷增加，所以許多學(xué)者對(duì)此類問題進(jìn)行了大量的研究。彭坤等［1］對(duì)比區(qū)間隧道開挖區(qū)域附近采用不同的加固措施，認(rèn)為加固措施可降低隧道掘進(jìn)對(duì)橋梁樁基的影響；游輝等［2］運(yùn)用三維數(shù)值計(jì)算進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證洞外隔離保護(hù)措施的重要性；周群立等［3］提出地層損失率的控制指標(biāo)和立交橋基礎(chǔ)差異沉降控制指標(biāo)，符合實(shí)際施工情況及橋梁安全要求；袁海平等［4］根據(jù)橋樁結(jié)構(gòu)耦合彈簧力學(xué)計(jì)算原理，采用變形撓曲方程推導(dǎo)出盾構(gòu)施工中橋樁彎矩和剪力。

1 工程概況

工程盾構(gòu)隧道于里程YDK8+945處側(cè)穿獅山立交D號(hào)匝道橋，橋臺(tái)下樁基采用1m的鉆孔灌注樁，橋臺(tái)樁長30m、1#墩樁長34.5m，橋臺(tái)樁底地層為中風(fēng)化泥巖。盾構(gòu)隧道覆土約21.1m，外輪廓與立交橋樁基最小凈距為約1.4m。盾構(gòu)區(qū)間隧道和獅山立交D匝道橋平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與獅山立交D匝道橋位置關(guān)系平面圖

盾構(gòu)隧道采用單層襯砌、平板型混凝土管片：管片外徑8.8m，內(nèi)徑8m，環(huán)寬1.8m；采用楔形襯砌環(huán)布置；管片采用4塊標(biāo)準(zhǔn)塊，1塊封頂塊，2鄰接塊錯(cuò)縫拼裝；襯砌管片混凝土強(qiáng)度為C50高性能混凝土，抗?jié)B等級(jí)P12，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)詳圖

隧道主要穿越地層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，此處隧道覆土距離為21.183m，地層由上至下分別為：素填土（厚約1.6m）、粉質(zhì)黏土（厚約2.4m）、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（厚約2.2m）、強(qiáng)風(fēng)化砂巖（厚約6.5m）、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（厚約1.8m）、強(qiáng)風(fēng)化砂巖（厚約11.5m）、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（厚約2.3m）、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（厚約2.9m）、強(qiáng)風(fēng)化泥巖（厚約2m）、中風(fēng)化泥巖（厚約5.7m）等，為上軟下硬地層。上軟下硬地層是盾構(gòu)施工中的一種特殊地質(zhì)，與已有的地層影響經(jīng)驗(yàn)公式的假設(shè)條件存在差異，措施不當(dāng)可能對(duì)襯砌與橋梁結(jié)構(gòu)造成工程風(fēng)險(xiǎn)［5］。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)的過程中由于上下土層的剛度差異過大，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)容易姿態(tài)偏移，掘進(jìn)壓力難以穩(wěn)定控制，對(duì)土層擾動(dòng)極大，致使地表發(fā)生沉降且改變橋樁原有的受力狀態(tài)，無法穩(wěn)定地控制橋樁變形。

為了減小因隧道施工擾動(dòng)對(duì)立交橋橋樁產(chǎn)生的變形及附加內(nèi)力，擬對(duì)獅山立交D匝道橋樁基采用袖閥管預(yù)注漿加固+施工中洞內(nèi)同步二次注漿措施，于橋臺(tái)承臺(tái)底面至右線隧道頂范圍內(nèi)使用袖閥管對(duì)土體進(jìn)行預(yù)注漿加固，加固區(qū)域高度為19.04m，預(yù)注漿加固樁周邊3D范圍土體（D為樁徑），隧道與樁基的位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道與獅山立交D匝道橋剖面圖

2 有限元模型分析

2.1 模型參數(shù)選取

文中使用MIDASGTSNX建立盾構(gòu)隧道側(cè)穿獅山立交D匝道橋工程三維模型，為了消除模型尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，根據(jù)圣維南原理，隧道開挖主要影響3～5倍洞徑范圍內(nèi)的圍巖，基于此，模型的x、y、z（x為隧道掌子面方向、y為隧道的掘進(jìn)方向、z為重力方向）分別為70、80、50m，模型的網(wǎng)格劃分如圖4所示，共有37301個(gè)單元。模型中盾殼和管片為2D面單元、樁基為1D線單元，其余為3D實(shí)體單元，預(yù)注漿加固和二次注漿均采用相應(yīng)區(qū)域土層與原土層相關(guān)參數(shù)進(jìn)行置換的方法進(jìn)行模擬。模型的上表面為自由面，底面施加z軸方向的約束，其余面添加相對(duì)應(yīng)的法相約束。研究隧道開挖對(duì)橋梁0#橋臺(tái)及1#墩的影響，模型中盾構(gòu)隧道與獅山立交D匝道橋及預(yù)注漿加固區(qū)域位置關(guān)系如圖5所示。

圖4 三維有限元分析模型

圖5 盾構(gòu)隧道于橋梁及預(yù)注漿加固區(qū)域位置關(guān)系

2.2 計(jì)算參數(shù)

模型分為11個(gè)土層，各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，橋梁及區(qū)間隧道的材料參數(shù)如表2所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 材料計(jì)算取值

2.3 模擬施工

隧道左右線分步施工，左右線施工時(shí)間錯(cuò)開，先開挖右線隧道。所模擬的隧道盾構(gòu)掘進(jìn)中，單線隧道分為35個(gè)開挖段，每段掘進(jìn)2m。

第一步：進(jìn)行位移清零，施加重力形成初始應(yīng)力場；第二步：施作立交橋，位移清零；第三步：樁基周圍預(yù)注漿加固；第四步：掘進(jìn)第一步開挖范圍，在相應(yīng)的開挖面施加法向的掘進(jìn)壓力，承受來自地層壓力防止隧道前方土體坍塌；第五步：依次對(duì)隧道進(jìn)行開挖，施作管片襯砌；第六步：對(duì)已完成安裝的盾構(gòu)管片周圍進(jìn)行同步注漿并施加注漿壓力和千斤頂力，鈍化已開挖區(qū)域范圍內(nèi)的掘進(jìn)壓力；以此類推直至全部開挖支護(hù)完成。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

為了分析隧道側(cè)穿立交橋時(shí)預(yù)注漿加固措施的效果，文中通過對(duì)比分析使用閥管進(jìn)行預(yù)注漿加固與不使用注漿加固兩種不同情況下樁基的位移。工況1為使用閥管進(jìn)行預(yù)注漿加固保護(hù)措施的盾構(gòu)掘進(jìn)，工況2為未使用預(yù)注漿措施的盾構(gòu)掘進(jìn)?？紤]現(xiàn)場為上軟下硬地層，預(yù)注漿措施在上部軟弱地層中進(jìn)行。文中橋樁編號(hào)如圖6所示。

圖6 橋樁編號(hào)示意

橋梁樁基的位移隨著隧道掘進(jìn)而不斷變化，選取隧道掘進(jìn)過程中比較關(guān)鍵的6個(gè)施工步來分析整個(gè)掘進(jìn)過程的樁基位移變化。施工步1：右線盾構(gòu)至預(yù)注漿加固區(qū)域；施工步2：右線盾構(gòu)至0#臺(tái)-1、2樁基中心線；施工步3：右線盾構(gòu)施工完成；施工步4：左線盾構(gòu)到達(dá)預(yù)注漿加固區(qū)域；施工步5：左線盾構(gòu)到達(dá)0#臺(tái)-1、2樁基中心線；施工步6：左右線盾構(gòu)施工完成。

3.1 橋樁豎向位移分析

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中，由刀具切割土體，盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)土體的缺失帶來的變形傳遞至其他土體，形成地表沉降。當(dāng)隧道盾構(gòu)掘進(jìn)至橋樁附近時(shí)，土體的缺失會(huì)導(dǎo)致隧道上方的地面沉降，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，土體的變形會(huì)極大的影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫甚至發(fā)生破壞。

對(duì)于工況1的預(yù)注漿加固措施，會(huì)使得原有橋樁樁基因?yàn)橥馏w的擠壓而發(fā)生豎向位移如圖7所示。

圖7 預(yù)注漿加固施工橋樁的豎向位移

通過對(duì)比工況1、工況2見圖8、圖11橋梁樁基的豎向位移情況，可發(fā)現(xiàn)兩種措施下的樁基隨著隧道的掘進(jìn)沉降不斷加大，工況1最大沉降為1.17mm，工況2最大沉降為2.4mm。采取閥管預(yù)注漿加固可以很明顯的限制了土體的豎向位移，最終位移沉降相對(duì)于工況2減小約50%。這主要是因?yàn)樽{加固增強(qiáng)了樁基周圍土體的強(qiáng)度與粘聚力。

3.2 橋樁水平位移分析

由計(jì)算結(jié)果可知，隨著盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)，盾構(gòu)到達(dá)橋樁之前，盾構(gòu)前方土體受到掘進(jìn)壓力發(fā)生第1階段變形，橋樁變形的表現(xiàn)形式，豎向小幅度沉降；水平方向主要是沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向變形，垂直盾構(gòu)掘進(jìn)方向變形較小。

盾構(gòu)通過橋樁附近土體過程中，外側(cè)土體受到開挖卸載作用后發(fā)生第2階段的變形，橋樁變形的表現(xiàn)形式為：豎向迅速沉降后穩(wěn)定；水平方向沿盾構(gòu)推進(jìn)反方向變形，垂直盾構(gòu)推進(jìn)方向向盾構(gòu)一側(cè)變形。

盾構(gòu)通過橋樁附近土體后，盾構(gòu)對(duì)周邊土體影響逐漸減小，第三階段各方向變形趨于穩(wěn)定。

3.2.1 盾構(gòu)掘進(jìn)縱向水平位移

如圖9和圖12所示盾構(gòu)掘進(jìn)縱向上的位移（即Y方向位移），在Y方向上的水平位移并不大，工況1為0.88mm，工況2最大值為0.96mm?？梢钥闯鲈赮方向的位移上。對(duì)于Y方向樁基位移的控制，預(yù)注漿加固作用的效果不明顯。

3.2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)橫向水平位移

如圖10和圖13所示盾構(gòu)掘進(jìn)橫向水平位移（即X方向位移），在限制盾構(gòu)掘進(jìn)橫向水平位移方面，閥管注漿無明顯的效果，兩中工況下所產(chǎn)生的的X方向上的位移相差不大（工況1、工況2最大值都為-2.58mm）。

圖8 工況1橋樁豎向位移隨施工步變化曲線

圖9 工況1橋樁Y方向位移隨施工步變化曲線

圖10 工況1橋樁X方向位移隨施工步變化曲線

圖11 工況2橋樁豎向位移隨施工步變化曲線

圖12 工況2橋樁Y方向位移隨施工步變化曲線

圖13 工況2橋樁X方向位移隨施工步變化曲線

4 結(jié)語

文中以盾構(gòu)隧道側(cè)穿獅山立交D匝道橋案例為工程背景，選取兩種不同的加固手段，運(yùn)用Midas GTS NX軟件對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的過程進(jìn)行數(shù)值分析模擬，分析兩種加固措施對(duì)橋梁樁基的保護(hù)效果。結(jié)論如下：

（1）上軟下硬地層盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，臨近的橋樁變形表現(xiàn)為：豎向先小幅度沉降、后迅速沉降、最后后趨于穩(wěn)定；水平方向先沿盾構(gòu)推進(jìn)方向變形，后沿盾構(gòu)推進(jìn)反方向變形；垂直盾構(gòu)推進(jìn)方向向盾構(gòu)一側(cè)變形由小至大，最后趨于穩(wěn)定。

（2）在隧道開挖至橋樁前，使用閥管對(duì)橋樁進(jìn)行預(yù)注漿加固的措施有效可行，對(duì)減小橋樁豎向位移的效果十分明顯，與未采取預(yù)注漿加固的工況相比，在豎直方向上的位移減少約50%，保證了橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

（3）數(shù)值分析模型對(duì)邊界條件進(jìn)行了簡化，在實(shí)際的施工中應(yīng)結(jié)合監(jiān)測結(jié)果，調(diào)整施工的相關(guān)參數(shù)，減小對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。