向懷軼 楊樓城 朱晨亮 陳 力

(1.中鐵二十四局集團(tuán)南昌建設(shè)有限公司， 南昌 330003；2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 南昌 330013)

橋式盾構(gòu)開挖對(duì)路基沉降影響分析

向懷軼1楊樓城1朱晨亮1陳 力2

(1.中鐵二十四局集團(tuán)南昌建設(shè)有限公司， 南昌 330003；2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 南昌 330013)

結(jié)合某大跨度箱涵頂進(jìn)實(shí)際工程，采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬方法，建立沿頂進(jìn)方向的二維模型，對(duì)橋式盾構(gòu)法頂進(jìn)過(guò)程中開挖作業(yè)面的穩(wěn)定性對(duì)路基沉降的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明：當(dāng)列車荷載作用在開挖面正上方時(shí)，沿頂進(jìn)方向路基沉降范圍約為1.9倍列車荷載作用寬度；開挖面土坡角度越小，路基沉降越小，當(dāng)角度小于37.2°時(shí)，沉降值不再變化；增大土體與墩柱側(cè)壁之間的摩擦，有利于提高開挖面穩(wěn)定性，減少路基沉降。當(dāng)土體彈性模量小于40 MPa時(shí)，需要路基進(jìn)行加固處理。根據(jù)分析結(jié)果，施工時(shí)將開挖面角度控制在37°，并對(duì)路基注漿加固處理，列車通過(guò)時(shí)嚴(yán)禁頂進(jìn)施工，最終框架橋順利頂?shù)筋A(yù)定位置，未影響到既有線的正常運(yùn)營(yíng)，成功的指導(dǎo)該工法在本工程中的應(yīng)用。

下穿鐵路； 橋式盾構(gòu)； 框架橋頂進(jìn)； 數(shù)值分析； 路基沉降

1 引言

新建交通線路與既有線(鐵路、公路、飛機(jī)跑道)相匯處常修建立交橋下穿既有線，而為了不影響繁忙的既有線正常通行以及縮短工期，箱涵頂進(jìn)施工法是實(shí)際工程最為常用的方法。箱涵頂進(jìn)施工法又細(xì)分為便梁架空法、管棚法、雙重置換法、R&C(Roof & Culvert)工法等[1-2]。2004年箱涵頂進(jìn)施工成功應(yīng)用于英國(guó)第一項(xiàng)下穿高速公路工程[3]。2005年上海中環(huán)線虹許路—北虹路地下車道，箱涵截面長(zhǎng)125 m，寬34 m，高7.85 m，成功應(yīng)用了管幕法箱涵頂進(jìn)工法[4]。2011年上海市金山鐵路改建工程倪家一組立交橋首次采用雙重置換工法進(jìn)行施工，并很好地控制了路基沉降[5]。橋式盾構(gòu)法在鄭州市文化北路下穿連霍高速公路立交橋、長(zhǎng)沙市人民東路延長(zhǎng)線下穿京珠高速公路、新余市人民北路下穿滬昆鐵路、南昌市豐和北大道下穿京九鐵路等多處工程中應(yīng)用[6]。在箱涵頂進(jìn)施工中，既要保證既有線行車安全又要保證工程進(jìn)度，但由于其上行駛的車輛(列車)干擾大，上覆土層薄等原因，易引起開挖面失穩(wěn)，導(dǎo)致坍塌事故。例如福廈鐵路機(jī)場(chǎng)立交橋工程施工過(guò)程中，既有公路最大沉降達(dá)0.515 m[7]；鄭州—開封城市快速通道下穿京珠澳高速公路工程，在箱涵頂進(jìn)過(guò)程中發(fā)生數(shù)次大規(guī)模坍塌[8]，嚴(yán)重威脅既有線的正常通行以及人身安全。

目前，便梁架空僅用于小截面箱涵，施工難度不大。有關(guān)管棚法施工的研究較多，張曉峰等[9]采用有限元數(shù)值模擬分析箱涵推進(jìn)過(guò)程中開挖掌子面土體穩(wěn)定性。李向陽(yáng)[10]對(duì)管棚的作用機(jī)理進(jìn)行了研究并取得了一定成果。雖然橋式盾構(gòu)法已經(jīng)多次成功應(yīng)用，但該工法較新，理論體系還不完善，對(duì)其深入的研究未見報(bào)道，而該工法的成功運(yùn)用，對(duì)下穿既有線工程有重大意義。故本文針對(duì)橋式盾構(gòu)法，采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬方法，建立二維模型，對(duì)開挖面穩(wěn)定性及其對(duì)既有路基沉降影響進(jìn)行數(shù)值分析。

2 工程概況

該框架橋?yàn)樨S城市物華路下穿滬昆鐵路而設(shè)，是連接豐城市老城區(qū)與新城區(qū)的道路工程，供機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車及行人通行。立交橋中心線與滬昆鐵路線正交，交點(diǎn)里程為滬昆下行線K 804+938.3，對(duì)應(yīng)物華路中心里程為WK 0+444.575。

立交橋下穿豐城車站端咽喉區(qū)，穿越處鐵路為4股道，分別為滬昆上下行線、豐洛線及機(jī)待線。立交橋采用(7+16+7)m三孔連續(xù)框架，中孔16 m為機(jī)動(dòng)車雙向4車道，兩邊孔7 m為非機(jī)動(dòng)車及人行道?？蚣艹叽鐬?33.6×28×8.5)m(寬×長(zhǎng)×高)，其上覆土厚度僅為1.5 m。

2.1 橋位處工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況

橋位處地層由上而下依次為①1素填土，厚0.9～2.6 m(路基路堤范圍為填筑土)；①2種植土，大部分布厚約0.5 m；②粉質(zhì)黏土，全場(chǎng)分布厚2.5～6.1 m；②1細(xì)砂，厚0～1.5 m；③1中砂，全場(chǎng)分布最大揭示厚度7.9 m；③2圓礫，全場(chǎng)分布最大揭示厚度6.9 m。

砂層及圓礫中賦存孔隙潛水，具弱承壓性，水量豐富，橋址處地下水初見水位為16.5～19.5 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高17.8～19.2 m，水位隨季節(jié)有1～3 m升降變幅?？蚣芟涞讟?biāo)高14.921 m，處于②粉質(zhì)黏土、②1細(xì)砂與③1中砂層位。

2.2 工程特點(diǎn)

(1)地下水豐富。地下水位高而且豐富，土的滲透性強(qiáng)，滲水量大，穩(wěn)定水位標(biāo)高為17.8～19.2 m。

(2)安全要求高。在行車繁忙的滬昆鐵路下施工，且為道岔區(qū)，施工中確保行車安全及站內(nèi)管線安全是重中之重。

(3)行車干擾大。既有滬昆鐵路行車密度大，加上豐城站內(nèi)施工調(diào)車作業(yè)頻繁，行車對(duì)施工的干擾非常大。

(4)涉及施工配合單位多。涉及鐵路運(yùn)輸、工務(wù)、電務(wù)、供電、車務(wù)、機(jī)務(wù)、鐵通等眾多單位，施工過(guò)程中必須取得他們的配合與支持，以確保施工的順利進(jìn)行。

(5)地質(zhì)條件差?？蚣芑诪榉圪|(zhì)黏土及中砂，承載力低，需采用二重管無(wú)收縮雙液WSS注漿法對(duì)地基進(jìn)行加固。

2.3 施工方案

為盡量減小施工對(duì)既有鐵路正常運(yùn)行的影響，最終采用橋式盾構(gòu)法框架橋頂進(jìn)施工方案。橋式盾構(gòu)因其橫截面形式像橋而得名，主要由盾構(gòu)體、子盾構(gòu)、反拉系統(tǒng)三大部分組成，通過(guò)框架橋前端的預(yù)埋件將盾構(gòu)體與框架橋焊接在一起。截面尺寸由框架橋橫截面大小而定，其長(zhǎng)度根據(jù)l=α(h-1.3)計(jì)算,其中α為放坡比例，h為框架橋高度。框架橋盾構(gòu)橫斷面如圖1所示。

圖1 框架橋盾構(gòu)示意圖

2.3.1 施工工序

(1)人工開挖墩柱內(nèi)土體至設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，約0.4 m；

(2)機(jī)械開挖兩墩柱之間核心土；

(3)框架橋盾構(gòu)體整體向前頂進(jìn)；

(4)以上工序循環(huán)進(jìn)行，直至掘進(jìn)完成。

頂進(jìn)掘進(jìn)及施工現(xiàn)場(chǎng)分別如圖2、圖3所示。

2.3.2 施工注意事項(xiàng)

(1)嚴(yán)禁超挖；

(2)為保障列車通行安全，嚴(yán)禁在列車通過(guò)時(shí)進(jìn)行施工。

圖2 頂進(jìn)示意圖

圖3 施工現(xiàn)場(chǎng)

3 數(shù)值分析

為尋找路基沉降影響最小方案，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，使用ABAQUS有限元軟件建立二維模型，模擬箱涵頂進(jìn)挖土后的時(shí)刻，進(jìn)行數(shù)值分析。

3.1 模型及參數(shù)選取

沿箱涵頂進(jìn)方向建立縱向模型，長(zhǎng)107 m，總高25 m，路基坡度為1∶1.5，工作坑臨近路基放坡為1∶15。

假定土體符合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，單元類型為CPE4R。土層物理參數(shù)如表1所示，由于在施工頂進(jìn)前對(duì)路基范圍內(nèi)的土體進(jìn)行了注漿加固，故土體彈性模量較原土體有所增大。將盾構(gòu)體和框架橋上下邊界簡(jiǎn)化為梁，單元類型為B21。相關(guān)材料物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 土層物理參數(shù)

表2 相關(guān)材料物理力學(xué)參數(shù)

3.2 邊界條件及荷載

模型邊界條件均為位移邊界條件，頂面自由邊界，左右兩邊水平方向位移約束，下表面完全約束。假設(shè)盾構(gòu)主體及箱涵不發(fā)生沉降和變形，將其簡(jiǎn)化為梁模型，豎直方向固定，而子盾構(gòu)相當(dāng)于懸臂梁。

道砟床厚度設(shè)為0.5 m，以等效荷載代替，即10 kPa。根據(jù)TB 10001—2005《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，列車靜載按等效土柱高度取值，即60.2 kPa，作用寬度為3.4 m[12]。當(dāng)核心土與墩柱側(cè)壁發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到摩擦力作用，所以當(dāng)計(jì)算結(jié)果顯示核心土水平方向發(fā)生顯著位移時(shí)，對(duì)核心土體施加摩擦力，摩擦力大小按式(1)計(jì)算。土的內(nèi)摩擦角和土體重度按加權(quán)平均值計(jì)算，土的靜止側(cè)壓力系數(shù)取0.4，高度H按核心土高度的1/2取值，即H=3.6，將摩擦力等效為體積力，即238 N/m3。

F=μk0γH

(1)

式中：μ——摩擦系數(shù)(μ=tanφ，φ為土體內(nèi)摩擦角)；

k0——土的靜止側(cè)壓力系數(shù)(k0=1-sinφ，φ為土體內(nèi)摩擦角)；

γ——土體重度；

H——土體深度。

網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 二維模型網(wǎng)格劃分圖(m)

3.3 工況設(shè)定

當(dāng)盾構(gòu)箱土體、墩柱土體及核心土掘削完成，箱涵還未及時(shí)頂進(jìn)，正好有列車通過(guò)的時(shí)刻，對(duì)頂進(jìn)施工最不利，對(duì)該狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，可得到偏安全的結(jié)果。

施加重力和列車荷載，將模型初始地應(yīng)力平衡，假定已經(jīng)開挖頂進(jìn)了一段距離為初始狀態(tài)。先開挖盾構(gòu)箱土體，再開挖核心土土體并留一定坡度，兩者均掘削0.5 m，最后施加列車靜載。詳細(xì)工況擬定如表3所示。

表3 計(jì)算工況

3.4 結(jié)果分析

(1)α=40.3°

圖5為工況1～4豎直方向變形云圖。工況1為箱涵頂進(jìn)最不利的情況，最大沉降為15mm,其影響范圍約為列車荷載作用寬度的1.9倍。

圖5 工況1-4豎向變形云圖

列車荷載是影響開挖面穩(wěn)定性的重要因素之一，其影響與列車荷載的位置有關(guān)，如圖6所示。正常情況下列車引起的沉降約為6mm，列車荷載作用在子盾構(gòu)開挖面上方時(shí)，沉降為15mm，增加了9mm。當(dāng)列車荷載距離子盾構(gòu)開挖面一定距離時(shí)，路基沉降將不受頂進(jìn)開挖的影響。

圖6 4種工況下路基沉降曲線

圖7 不同坡腳角度路基沉降曲線

(2)不同核心土坡腳角度α

橋式盾構(gòu)核心土起著平衡迎面土壓力的作用，其穩(wěn)定性與路基沉降有著直接聯(lián)系，而坡腳角度的大小又影響其穩(wěn)定性。圖7為不同坡腳角度情況下，路基的沉降曲線。隨著核心土坡腳角度的增大，路基沉降也隨之增大，即開挖面越不穩(wěn)定，路基沉降量越大。隨著核心土坡腳角度的增大，路基沉降也隨之增大，即開挖面越不穩(wěn)定，路基沉降量越大。當(dāng)α=42°時(shí)，沉降量開始有較大增大；α=43.8°時(shí)，沉降量急劇增大，說(shuō)明開挖面開始發(fā)生失穩(wěn)破壞。當(dāng)小于37.2°時(shí)，隨著坡腳角度的減小，開挖面已趨于穩(wěn)定，而路基沉降量不再發(fā)生明顯變化。

(3)摩擦力的影響

核心土與墩柱側(cè)壁的摩擦力也是影響開挖面核心土體穩(wěn)定性另一重要因素，工況8比工況1的路基最大沉降值大6.3mm，如圖8所示。增大核心土與墩柱側(cè)壁的摩擦系數(shù)有利于提高開挖面穩(wěn)定性，減少路基沉降?？梢酝ㄟ^(guò)改變墩柱側(cè)壁的粗糙程度，如使用花紋鋼板，增加摩擦力。摩擦力增加的同時(shí)也會(huì)增大頂進(jìn)阻力，所以盾構(gòu)體長(zhǎng)度需要做進(jìn)一步優(yōu)化，即要滿足核心土的穩(wěn)定性，維持土體處于靜止土壓力狀態(tài)，又要減小頂進(jìn)阻力。

圖8 工況1和工況8路基沉降曲線

4 地基加固處理

為保障行車以及施工的安全，對(duì)路基以及地基進(jìn)行注漿加固處理。

框架橋設(shè)計(jì)位置的路基本體采用斜向注漿加固，漿液為摻粉煤灰∶水泥=2∶1。而底部采用φ970 mm的底管棚作為滑軌，防止框架橋下沉。

前文的土體彈性模量選取是在路基注漿加固之后，參數(shù)有所增大。為便于分析彈性模擬量對(duì)路基沉降的影響，在工況1的基礎(chǔ)上進(jìn)行變化，只考慮路基土一種土層，彈性模量分別為5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa、45 MPa、50 MPa、60 MPa，模型尺寸沿用圖5，數(shù)值分析結(jié)果得到路基最大沉降如表4所示。

表4 不同彈性模量下路基最大沉降

由表4可知，路基最大沉降隨著彈性模量的增大而減小，當(dāng)彈性模量增大至40 MPa時(shí)，最大沉降隨著彈性模量的繼續(xù)增大而不再有明顯的變化，再繼續(xù)加固增大彈性模量對(duì)實(shí)際工程造成浪費(fèi)。故當(dāng)原狀土體彈性模量小于40 MPa時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行加固處理，注漿參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況而定?？梢?，對(duì)土層進(jìn)行注漿加固處理，可以較好地控制路基沉降，保證線路的安全運(yùn)營(yíng)。

5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

選取分別位于待機(jī)線上的觀測(cè)點(diǎn)，即框架橋正上方左(1-1)、中(1-2)、右(1-3)3點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖9所示。可見，隨著施工的進(jìn)行沉降逐漸增大，位于開挖面上方的土體會(huì)急劇下穿，通過(guò)之后沉降變化趨于平穩(wěn)。3個(gè)點(diǎn)的最大沉降分別為17.8 mm、12.6 mm、16.8 mm，而正好有列車通過(guò)時(shí)這一最不利工況下的沉降約15 mm。由于數(shù)值分析是在理想狀態(tài)下施工，而實(shí)際施工受到復(fù)雜因素的影響，故實(shí)測(cè)值大于分析值。同時(shí)也表明數(shù)值分析時(shí)考慮最不利工況是偏安全的，有利于指導(dǎo)施工。

6 結(jié)論

(1)當(dāng)列車荷載作用在開挖面正上方時(shí)，路基沉降最大，沉降隨著列車荷載作用位置與開挖面距離增大而減小，在該工程中其影響范圍約為1.9倍列車荷載作用寬度，應(yīng)避開列車通過(guò)時(shí)進(jìn)行開挖頂進(jìn)。

(2)橋式盾構(gòu)法開挖面穩(wěn)定性與路基沉降有著緊密的聯(lián)系，核心土坡腳角度越小，沉降越小，即核心土越穩(wěn)定，路基沉降越小。在該工程中當(dāng)坡腳角度小于37.2°時(shí)，沉降不再變化。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的工程地質(zhì)情況，通過(guò)計(jì)算或者數(shù)值模擬選擇合適的坡角。

(3)盾構(gòu)體設(shè)計(jì)時(shí)增大核心土與墩柱側(cè)壁的摩擦系數(shù)，有利于提高開挖面穩(wěn)定性，減少路基沉降，可通過(guò)選擇帶花紋的側(cè)壁增大摩擦力。同時(shí)增大摩擦面，但也會(huì)增加頂進(jìn)阻力，故核心土土柱和側(cè)壁相互作用的長(zhǎng)度優(yōu)化工作還需進(jìn)一步研究，以便更好地指導(dǎo)實(shí)際工程。

(4)對(duì)土層進(jìn)行注漿加固處理，增大土體的彈性模量，可以很好地控制路基沉降。路基最大沉降隨著彈性模量的增大而減小，當(dāng)彈性模量增大至40 MPa時(shí)，最大沉降隨著彈性模量的繼續(xù)增大而不再有明顯的變化。

(5)根據(jù)分析結(jié)果，針對(duì)本工程施工時(shí)將開挖面角度控制在37°，并對(duì)路基注漿加固處理，列車通過(guò)時(shí)嚴(yán)禁頂進(jìn)施工，最終框架橋順利頂進(jìn)至預(yù)定位置，未影響到既有線的正常運(yùn)營(yíng)，成功地指導(dǎo)該工法在本工程中的應(yīng)用。該工法可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

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Analysis on the Impact on Subgrade Settlement from Bridge-shield Excavation

XIANG Huaiyi1YANG Loucheng1ZHU Chenliang1CHEN Li2

(1.Nanchang Construction Corporation Limited of China Railway 24th Bureau Group,Nanchang 330003,China;2.School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

The impact on the subgrade settlement from the stability of bridge-shield excavation face is studied by adopting ABAQUS finite element numerical simulation method and by building 2D model, combined with a large-span box-culvert jacking project. The results show that a)the range of subgrade settlement is 1.9-fold that of load width when the load is located at right above excavation face; b) the smaller the angle of excavation slope is, the smaller the settlement will be. When the angle is smaller than 37.2°, the settlement value will not be changed; c) increasing the friction between soil and pier wall is beneficial to improve the face stability and reduce the settlement. d) the subgrade needs to be reinforced when soil elastic modulus is less than 40 MPa. According to the result of analysis, the slope angle is controlled at 37°, the subgrade is reinforced by grounting and jacking construction must stop when trains pass through. At last, this technique is successfully applied to the box-culvert jacking project without affecting the running of trains, which provides suggestions for similar projects.

underpass railway; bridge-shield; box-culvert jacked; numerical analysis; subgrade settlement

2015-12-11

向懷軼(1975-)，男，工程師。

1674—8247(2016)01—0046—06

U456.3

A