盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程措施及施工影響分析

趙 偉

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

城市地鐵區(qū)間下穿既有橋梁可能對既有橋梁產(chǎn)生不利影響，國內(nèi)一些學者對此進行了一些相應(yīng)研究：趙青[1]、胡眾[2]等對盾構(gòu)隧道施工過程有限元模擬進行了研究，趙巖[3]、豐土根等[4]對盾構(gòu)隧道下穿橋梁對橋梁基礎(chǔ)的影響進行了研究。采用有限元計算的方法，對沈陽地鐵四號線南五馬路站-砂陽路站盾構(gòu)隧道下穿南八馬路高架橋的影響進行分析，為項目建設(shè)提出了合理建議，確保既有橋梁的安全。

1 工程概況及主要保護措施

1.1 區(qū)間下穿高架橋工程概況

沈陽地鐵四號線南五馬路站-砂陽路站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)掘進地層主要為中粗砂、礫砂，盾構(gòu)隧道下穿既有南八馬路高架橋，側(cè)穿橋樁。盾構(gòu)隧道外徑6m，內(nèi)徑5.4m，隧道襯砌厚300mm。襯砌管片分為6塊，每環(huán)的寬度為1200mm，管片采用錯縫拼裝。區(qū)間右線下穿高架橋位置橋跨為14.5m，區(qū)間左線下穿高架橋位置橋跨為17.5m。隧道結(jié)構(gòu)與橋樁最小水平凈距3.4m，豎向凈距約13.21m。隧道與高架橋位置關(guān)系見圖1、圖2。

圖1 盾構(gòu)隧道與高架橋位置關(guān)系平面圖

圖2 盾構(gòu)隧道與高架橋位置關(guān)系剖面圖(單位：mm)

南八馬路高架橋為雙向兩車道高架橋，區(qū)間下穿位置上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土現(xiàn)澆單箱單室連續(xù)梁，箱梁頂面寬9m，底面寬4m，懸臂板長2.5m。橋墩采用混凝土現(xiàn)澆獨柱Y型墩，區(qū)間下穿位置橋墩高度約5.0～5.1m。橋樁采用人工挖孔樁，樁徑為1.5m，樁長9m，采用兩樁抬一柱的形式，兩樁采用承臺連接，承臺平面尺寸為2.5m×6.5m，厚度1.5m。

1.2 區(qū)間下穿高架橋保護措施

(1)盾構(gòu)區(qū)間下穿高架橋主要通過控制盾構(gòu)施工參數(shù)減小施工對高架橋的影響，具體措施如下：

①穿越前根據(jù)前期得到的各項參數(shù)制定出最優(yōu)掘進參數(shù)，并完成刀具檢查，避免在穿越段進行開倉換刀，確保盾構(gòu)以最佳姿態(tài)穿越建筑物地段。

②加強下穿段的同步注漿及二次注漿，施工中同步注漿應(yīng)及時跟進并根據(jù)監(jiān)測情況調(diào)控注漿量，保證填充密實，縮短襯砌脫出盾尾的暴露時間，并改良漿液配比，縮短漿液凝固時間。根據(jù)監(jiān)測情況及時進行二次補強注漿，合理控制注漿壓力，嚴格控制盾尾沉降和盾尾空隙沉降。

③穿越期間，采用“適當推進力，均速通過”的方式組織盾構(gòu)施工，設(shè)定合理的土倉壓力、出土量等掘進參數(shù)，盡量減少盾構(gòu)施工造成的地層變形，根據(jù)地表監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)?？刂平Y(jié)構(gòu)變形及保證高架橋的安全。

④加強監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)加強掘進參數(shù)的調(diào)整和盾構(gòu)姿態(tài)的控制，及時調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，減小地層變形。

⑤當?shù)乇?、高架橋變形值即將超過預(yù)警值，危及其安全時，可采取地面跟蹤注漿加固、洞內(nèi)補充注漿等行之有效的措施控制結(jié)構(gòu)變形，保證既有市政高架橋的安全。制定并執(zhí)行其它相關(guān)應(yīng)急預(yù)案。

(2)根據(jù)相關(guān)規(guī)范及高架橋現(xiàn)狀，對高架橋采用嚴格的變形控制指標，控制指標見表1。

表1 南八馬路高架橋評估變形控制指標

2 有限元計算分析

2.1 三維有限元計算模型

模型分析南五馬路站～砂陽路站區(qū)間施工對南八馬路高架橋的影響。建立考慮南五馬路站-砂陽路站區(qū)間，既有南八馬路高架橋的三維地層—結(jié)構(gòu)有限元模型。模型長120m，寬48m，高55m。地層結(jié)構(gòu)模型中土層單元采用實體單元模擬，摩爾庫倫材料模型；既有南八馬路高架橋橋墩、承臺、混凝土箱梁采用實體單元模擬，彈性材料模型，橋樁采用梁單元模擬，彈性材料模型；新建南五馬路站-砂陽路站區(qū)間盾構(gòu)隧道襯砌及盾構(gòu)盾殼采用板單元模擬，彈性材料模型；盾構(gòu)壁后注漿采用實體單元模擬，彈性材料模型。在模型底部施加豎向約束，模型四個側(cè)面分別施加垂直于側(cè)面方向的水平位移約束。模型施加重力荷載，高架橋路面施加均布荷載。模型見圖3、圖4。

圖3 計算整體模型

圖4 結(jié)構(gòu)模型詳圖

2.2 計算模型主要參數(shù)

(1)巖土參數(shù)

區(qū)間下穿高架橋位置土層自上而下依次為：①雜填土、④-1粉質(zhì)黏土、④-3中粗砂、④-4礫砂、⑤-3中粗砂、⑤-4礫砂。土體參數(shù)見表2。

表2 地層參數(shù)表

(2)結(jié)構(gòu)參數(shù)

模型中的結(jié)構(gòu)主要有盾構(gòu)區(qū)間及高架橋。結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學參數(shù)見表3。

表3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學參數(shù)表

2.3 施工過程模擬

南五馬路站-砂陽路站區(qū)間施工模擬之前進行地應(yīng)力平衡，激活南八馬路高架橋結(jié)構(gòu)，模型位移清零。盾構(gòu)從南五馬路站盾構(gòu)井始發(fā)，在砂陽路站盾構(gòu)井接收，區(qū)間采用兩臺盾構(gòu)機施工，左線盾構(gòu)先始發(fā)，右線盾構(gòu)后始發(fā)。盾構(gòu)隧道推進過程模擬分為土體開挖、盾構(gòu)機的頂進、襯砌環(huán)的拼裝、推進面壓力模擬及壁后注漿模擬等[5]。

2.4 計算結(jié)果分析

(1)盾構(gòu)正常施工工況既有高架橋結(jié)構(gòu)變形分析

承臺最大沉降量發(fā)生在③號承臺，施工完成最大沉降量為5.60mm，見圖5。②號及④號承臺沉降量較大，②號承臺最大沉降量為3.00mm，④號承臺最大沉降量為3.73m，①號及⑤號承臺沉降量較小。相鄰承臺最大差異沉降為3.51mm，為④號承臺與⑤號承臺沉降差。承臺沉降隨施工步變化見圖6。

圖5 施工完成高架橋基礎(chǔ)沉降云圖(單位：mm)

圖6 基礎(chǔ)沉降隨施工步變化曲線

區(qū)間施工完成時承臺最大水平變形發(fā)生在④號承臺，最大水平變形為1.12mm，②號承臺水平變形也較大，最大水平變形約0.90mm，見圖7。承臺水平變形隨施工步變化見圖8。

圖7 施工完成高架橋基礎(chǔ)水平變形云圖(單位：mm)

圖8 基礎(chǔ)水平變形隨施工步變化曲線

區(qū)間全部施工完成時，橋墩頂部及底部水平變形見圖9，④號橋墩傾斜最大，最大傾斜為0.202‰，②橋墩傾斜也相對較大，最大傾斜為0.192‰，①號橋墩及⑤號橋橋墩傾斜約為0.1‰。橋墩傾斜隨施工步變化情況見圖10。

圖9 施工完成橋墩水平變形云圖(單位：mm)

圖10 橋墩傾斜隨施工步變化曲線

(2)盾構(gòu)施工引起地面沉降與高架橋沉降變形關(guān)系分析

地下工程施工存在較大的不確定性，盾構(gòu)區(qū)間下穿風險源施工參數(shù)通過試驗段確定。通過調(diào)整盾構(gòu)背后注漿體彈性模量施工參數(shù)，計算不同施工參數(shù)下模型地面沉降量、承臺沉降及承臺差異沉降，繪制承臺沉降量及承臺差異沉降量與地面沉降量關(guān)系曲線，見圖11。結(jié)果顯示承臺沉降量及承臺差異沉降量與地面沉降量近似呈線性關(guān)系，可以通過盾構(gòu)區(qū)間試驗段地面沉降監(jiān)測結(jié)果，預(yù)測盾構(gòu)區(qū)間下穿高架橋時承臺沉降結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果，地表沉降為9mm時，承臺最大沉降量達到10mm，地表沉降為7.5mm時，承臺最大差異沉降達到5mm。因此盾構(gòu)區(qū)間試驗段，應(yīng)確保地表沉降量小于7.5mm。

圖11 高架橋承臺沉降與地表沉降關(guān)系曲線

3 結(jié)論與建議

采用有限元計算方法分析南五馬路站-砂陽路站區(qū)間施工對既有南八馬路高架橋的影響，分析了高架橋承臺及橋墩變形隨施工步的變化情況，獲得了高架橋承臺變形與地表沉降的關(guān)系，得出如下結(jié)論：

(1)本工程盾構(gòu)正常施工高架橋承臺最大沉降量為5.60mm，最大差異沉降量為3.51mm，最大水平變形量為1.12mm，橋墩最大傾斜為0.202‰，滿足規(guī)范要求，可以保證高架橋安全。

(2)本工程承臺沉降量及承臺差異沉降量與地面沉降量近似呈線性關(guān)系，因此可以通過盾構(gòu)區(qū)間試驗段地表沉降預(yù)測承臺沉降量及承臺差異沉降量，從而對承臺沉降及差異沉降提前進行預(yù)判和管控。本工程試驗段地表沉降量不得大于7.5mm，否則承臺最大差異將超標，需提前對高架橋橋樁及其下方土體進行注漿加固。

(3)盾構(gòu)區(qū)間下穿高架橋工程，應(yīng)在管片上部預(yù)留注漿孔，當變形達到報警值時，應(yīng)對高架橋進行封閉，并進行洞內(nèi)注漿，對土體進行加固。