畢景佩, 易領(lǐng)兵, 杜明芳, 劉勝歡, 李帥兵，朱亮亮

(1.鄭州地鐵集團(tuán)有限公司，鄭州 450000；2.中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100088；3.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，鄭州 450000; 4.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210000)

地鐵區(qū)間在城市建構(gòu)筑密集區(qū)域施工環(huán)境越來越復(fù)雜,下穿橋梁、河流、鐵路、管線等，設(shè)計(jì)方案和施工方案也越來越多樣[1-2]。

祝勇[3]、沈建文等[4]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法研究了盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋樁對(duì)橋梁的影響。王凌等[5]采用數(shù)值模擬與理論計(jì)算的方法研究了盾構(gòu)隧道與橋樁的安全距離。張金偉[6]運(yùn)用數(shù)值計(jì)算、橋樁承載力分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等方法對(duì)暗挖區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。徐登票等[7]研究了盾構(gòu)施工對(duì)橋梁的影響。何茂周[8]、姚文花[9]、劉才平等[10]和李幸發(fā)[11]采用理論計(jì)算與工程類比相結(jié)合方式對(duì)盾構(gòu)穿越橋樁進(jìn)行綜合處理進(jìn)行了研究。冠曉強(qiáng)等[12]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法研究了旋噴加固對(duì)盾構(gòu)穿越已建構(gòu)筑物的影響。楊勇等[13]、宋金涌[14]、馬忠政[15]、徐前衛(wèi)等[16]和朱統(tǒng)步[17]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)盾構(gòu)區(qū)間穿越托換樁基的影響進(jìn)行了研究。

前人對(duì)地鐵區(qū)間下穿、側(cè)穿施工情況開展了大量研究，但是盾構(gòu)區(qū)間具有與橋樁距離僅為0.333 m、砂卵石地層、存在地下水的特點(diǎn)，而關(guān)于緊貼樁底盾構(gòu)施工案例研究較少。

考慮以上情況，以下穿小月河橋的新機(jī)場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間隧道工程為背景，研究盾構(gòu)區(qū)間下穿小月河橋施工過程中橋面、蓋梁及橋樁位移變化規(guī)律特征；揭示盾構(gòu)區(qū)間下穿小月河橋施工過程中橋樁差異沉降；分析盾尾徑向注漿加固對(duì)下穿橋樁的影響。

1 工程概況

北京地鐵27號(hào)線(昌平線南延)學(xué)院橋站～西土城站區(qū)間設(shè)計(jì)起點(diǎn)、終點(diǎn)里程分別為K41+185.000、K42+494.932，區(qū)間全長(zhǎng)約1 309.932 m，為盾構(gòu)法+礦山法區(qū)間。拱頂覆土18.1～27.9 m，底板埋深24.9～33.9 m。區(qū)間線路平面最小曲線半徑R=1 000 m，線間距為9～17 m。線縱向?yàn)閱蚊嫦缕略O(shè)計(jì)，坡度為6.2‰，兩端車站附近坡度為0.2‰。

圖2 小月河橋與盾構(gòu)隧道剖面位置關(guān)系圖

小月河橋梁長(zhǎng)度25 m，全寬26 m，上部結(jié)構(gòu)由14片中主梁和2片邊主梁組成的單孔預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋，下部結(jié)構(gòu)采用排柱式輕型橋臺(tái)，墩柱D=1.0 m,長(zhǎng)度 2 m，下接D=1.2 m 鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng) 23 m。

區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)位于橋梁樁基礎(chǔ)正下方，區(qū)間北側(cè)橋樁與樁基礎(chǔ)的最小垂直凈距0.333 m，區(qū)間南側(cè)與樁基礎(chǔ)最小垂直凈距0.027 m。

場(chǎng)地地下水位埋深29.4 m，盾構(gòu)區(qū)間主體結(jié)構(gòu)底板埋深32.57 m，盾構(gòu)區(qū)間主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入地下水。

小月河橋與盾構(gòu)區(qū)間的平剖面位置關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 小月河橋與盾構(gòu)隧道平面位置關(guān)系圖

2 數(shù)值計(jì)算分析

針對(duì)北京地鐵27號(hào)線(昌平線南延)學(xué)院橋站—西土城站區(qū)間下穿小月河橋施工，根據(jù)設(shè)計(jì)及地質(zhì)資料，采用Midas/GTS軟件建模分析。在考慮到本工程盾構(gòu)施工步序較多且在節(jié)約篇幅的基礎(chǔ)上選取盾構(gòu)施工步序中有代表性的8個(gè)工況。

(1)初始地應(yīng)力分析。

(2)橋梁施工完成后的地應(yīng)力分析。

(3)右線隧道接近北側(cè)橋樁加固區(qū)。

(4)右線隧道穿過北側(cè)橋樁并接近南側(cè)橋樁加固區(qū)。

(5)右線隧道離開南側(cè)橋樁加固區(qū)。

(6)左線隧道接近北側(cè)橋樁加固區(qū)。

(7)左線隧道穿過北側(cè)橋樁并接近南側(cè)橋樁加固區(qū)。

(8)左線線隧離開南側(cè)橋樁加固區(qū)。

(9)雙線隧道開挖完成。

土體、橋樁及盾構(gòu)材料參數(shù)如表1所示，模型如圖3所示。

表1 材料參數(shù)

圖3 三維整體模型圖

參閱既有資料并結(jié)合業(yè)主提供的 10 號(hào)線穿越小月河引起的橋梁基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)，通過建模計(jì)算，分析得出 27 號(hào)線穿越小月河橋應(yīng)滿足的橋梁控制技術(shù)指標(biāo)：簡(jiǎn)支T梁縱橋向相鄰軸差異沉降控制值為8 mm；同一邊蓋梁相鄰樁基礎(chǔ)位置差異沉降控制值2 mm；橋梁?jiǎn)螠y(cè)點(diǎn)最大沉降控制值15 mm邊蓋梁新增傾斜不大于1/1 500。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 土層位移分析

土層位移計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4可知，右線貫通時(shí)，地層最大豎向沉降約為13.411 mm，發(fā)生位置位于盾構(gòu)隧道正上方；最大豎向隆起約為7.575 mm，發(fā)生位置位于盾構(gòu)隧道底部。由圖5可知，雙線貫通時(shí)，地層最大豎向沉降約為13.606 mm，發(fā)生位置位于右線盾構(gòu)隧道正上方；最大豎向隆起約為7.325 mm，發(fā)生位置位于盾構(gòu)隧道底部。

圖4 右線貫通后土層豎向位移云圖

圖5 雙線隧道開挖完成后土層豎向位移云圖

最大沉降位置和最大隆起位置基本穩(wěn)定在右線盾構(gòu)隧道的正上方和底部，且雙線貫通較右線單線貫通數(shù)據(jù)大，分析原因可能是隨著左線盾構(gòu)隧道的二次擾動(dòng)引起右線隧道正上方沉降增大，底部隆起增大。

3.2 小月河橋橋面變形分析

為節(jié)約篇幅，僅列出階段3～階段8工況位移圖，小月河橋橋面的位移如圖6所示。

地鐵區(qū)間隧道施工過程中，小月河橋橋面的沉降逐漸增加，右線靠近時(shí)，橋面的沉降為0.864 mm，右線通過時(shí)，橋面的最大沉降達(dá)到2.751 mm，右線貫通后，橋面的最大沉降達(dá)到2.991 mm。繼續(xù)施工左線隧道，在左線盾構(gòu)靠近小月河橋時(shí)，橋面的沉降為43.336 mm，在左線隧道通過小月河橋北側(cè)橋樁時(shí)，橋面的最大沉降達(dá)到4.455 mm，雙線隧道貫通后，橋面的最大沉降達(dá)到4.728 mm。左線盾構(gòu)通過后橋面沉降較右線通過后增大1.737 mm，左線盾構(gòu)隧道的施工引起橋面沉降增大比例為58.07%。

3.3 小月河橋蓋梁沉降分析

因篇幅有限，僅列出階段3～階段8工況位移圖，小月河橋蓋梁的位移如圖7所示。

地鐵區(qū)間隧道施工過程中，小月河橋蓋梁的沉降逐漸增加，在右線盾構(gòu)靠近小月河橋時(shí)，蓋梁的沉降為0.855 mm，右線通過時(shí)，蓋梁的最大沉降達(dá)到2.804 mm，右線隧道貫通后，蓋梁的最大沉降值達(dá)到了3.000 mm。繼續(xù)施工左線隧道，在左線盾構(gòu)靠近小月河橋時(shí)，蓋梁的沉降為3.324 mm，在左線隧道通過小月河橋北側(cè)橋樁時(shí)，橋墩的最大沉降達(dá)到4.410 mm，雙線隧道貫通后，蓋梁的最大沉降達(dá)到4.688 mm。

3.4 小月河橋橋樁沉降分析

為節(jié)約篇幅，僅列出階段3～階段8工況位移圖，小月河橋橋樁的豎向位移如圖8所示。

地鐵區(qū)間隧道施工過程中，小月河橋橋樁的沉降逐漸增加，在右線盾構(gòu)靠近小月河橋時(shí)，橋樁的沉降為1.904 mm，在右線隧道通過小月河橋北側(cè)橋樁時(shí)，橋樁的最大沉降達(dá)到6.724 mm，右線隧道貫通后，橋樁的最大沉降達(dá)到了6.836 mm。繼續(xù)施工左線隧道，左線靠近時(shí)，橋樁的沉降為6.980 mm，左線通過時(shí)，橋樁的最大沉降達(dá)到7.301 mm。雙線隧道貫通后，橋樁的最大沉降達(dá)到7.330 mm。

3.5 小月河橋橋樁水平位移分析

為節(jié)約篇幅，僅列出階段3～階段8工況位移圖，小月河橋橋樁的水平位移如圖9所示。

圖6 橋面豎向位移

圖7 橋墩豎向位移

圖8 橋樁豎向位移

地鐵區(qū)間隧道施工過程中，小月河橋橋樁的水平位移逐漸增加，在右線盾構(gòu)靠近小月河橋時(shí)，橋樁的水平位移為0.203 mm，在右線隧道通過小月河橋北側(cè)橋樁時(shí)，橋樁的水平位移達(dá)到0.939 mm，右線隧道貫通后，橋樁水平位移達(dá)到了0.954 mm。繼續(xù)施工左線隧道，在左線盾構(gòu)靠近小月河橋時(shí)，橋樁的水平位移為0.970 mm，在左線隧道通過小月河橋北側(cè)橋樁時(shí)，橋樁的水平位移達(dá)到1.656 mm，雙線隧道貫通后，橋樁的水平位移達(dá)到1.650 mm。

圖9 橋樁水平位移

圖10 橋樁附加彎矩

3.6 小月河橋橋樁應(yīng)力分析

階段3～階段8工況位移圖，小月河橋橋樁的附加彎矩如圖10所示。由圖10可知，地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過程中，小月河橋橋樁的附加彎矩逐漸增加，在右線盾構(gòu)靠近小月河橋時(shí)，橋樁的彎矩為26.935 kN·m，右線通過時(shí)，橋樁的最大彎矩達(dá)到40.046 kN·m，右線隧道貫通后，橋樁的最大彎矩達(dá)到了39.432 kN·m。繼續(xù)施工左線隧道，左線靠近時(shí)，橋樁的彎矩為42.320 kN·m，左線通過時(shí)，橋樁的最大彎矩達(dá)到42.718 kN·m。雙線隧道貫通后，橋樁的最大彎矩達(dá)到42.733 kN·m。

橋樁附加彎矩最大值42.733 kN·m，經(jīng)計(jì)算可知附加彎矩計(jì)算配筋面積298.76 mm2遠(yuǎn)小于按最小配筋率計(jì)算配筋面積3 654.91 mm2，即橋樁附加彎矩對(duì)樁身影響不大，不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生破壞影響。

3.7 小月河橋樁差異沉降分析

3.7.1 橋樁差異沉降分析

提取上述數(shù)值模擬階段8承橋樁豎向位移數(shù)據(jù)，對(duì)橋樁橫向差異沉降進(jìn)行分析，為便于表達(dá)，對(duì)沉降位置進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)方式如圖11所示。例如：1表示小月河橋第1個(gè)橋樁位置1；1-2表示第1和第2個(gè)橋樁樁頂位置的差異沉降位。

圖11 橋樁位置編號(hào)

橫橋向橋樁差異沉降如表2所示，小月河橋在盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過程中的橫向差異沉降最大值為1.752 9 mm，發(fā)生在第1和第2個(gè)橋樁之間的差異沉降。

表2 橋樁差異沉降

小月河橋在盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過程中的縱向差異沉降最大值為0.954 9 mm，是第6個(gè)和第7個(gè)橋樁之間的差異沉降。

3.7.2 蓋梁橫橋向差異沉降分析

小月河橋在盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過程中的橫向差異沉降最大值為1.247 5 mm，經(jīng)計(jì)算蓋梁新增傾斜不大于 1/1 500。

4 徑向加固措施分析

4.1 橫橋向橋樁

小月河橋樁和2號(hào)橋樁樁頂及樁底沉降如圖12 所示。橋樁沉降最大值發(fā)生在右線隧道上方的4號(hào)和10號(hào)橋樁。全線貫通后，右線隧道上方的橋樁沉降有所增加，但左線隧道上方的1號(hào)和7號(hào)橋樁沉降較大。

圖12 1號(hào)和2號(hào)橋樁樁頂、樁底沉降

未加固情況下，橋樁樁頂最大沉降為-8.159 2 mm，加固后樁頂沉降最大為-6.416 7 mm，減小了21.35%；未加固情況下橋樁樁底最大沉降值為-9.991 4 mm，加固后樁底沉降最大值為-7.328 7 mm，減小了26.64%。

未加固情況下，相鄰橋樁樁頂沉降差異最大值為發(fā)生在11號(hào)和12號(hào)橋樁之間，其值為2.589 5 mm，超過了橋樁樁頂沉降控制值；加固后相鄰橋樁樁頂沉降差異最大值為發(fā)生在5號(hào)和6號(hào)橋樁之間，其值為1.756 5 mm,滿足控制要求。

4.2 典型點(diǎn)橋樁全過程分析

施工階段8-17和38-47為右隧道0#橋樁加固區(qū)，由圖13中橋樁的沉降曲線可以看出，隧道下穿加固區(qū)域期間時(shí)，未加固情況下，橋樁4樁底沉降為6.737 6 mm，橋樁1樁底沉降為2.611 5 mm；加固情況下，橋樁4樁底沉降為4.505 1 mm，橋樁1樁底沉降為1.846 2 mm。加固后橋樁4樁底沉降降低了33.13%，橋樁1樁底沉降降低了29.30%。

圖13 樁1及樁4樁底沉降全過程分析

5 結(jié)論

對(duì)盾構(gòu)區(qū)間下穿小月河橋進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究了盾構(gòu)隧道施工后小月河橋橋面、蓋梁及橋樁的位移和橋樁受力情況，得出如下結(jié)論。

(1)盾構(gòu)隧道施工過程中小月河橋橋面、蓋梁及橋樁最大沉降值滿足控制標(biāo)準(zhǔn)；橋樁水平位移滿足控制標(biāo)準(zhǔn)；橋樁附加彎矩較小，不會(huì)對(duì)橋樁造成破壞。

(2)盾構(gòu)隧道施工過程中小月河橋蓋梁及橋樁橫橋向及縱橋向差異沉降滿足控制標(biāo)準(zhǔn)；最大相鄰差異沉降1.752 9 mm，不會(huì)對(duì)大橋產(chǎn)生破壞影響。

(3)盾構(gòu)隧道施工引起地層應(yīng)力的重分布，當(dāng)雙線盾構(gòu)隧道施工完成后一段時(shí)間內(nèi)，周圍地層應(yīng)力再次處于平衡狀態(tài)。

(4)盾尾徑向后注漿加固下，橋樁樁頂沉降差異滿足控制要求，橋樁樁底豎向位移從6.737 6 mm減少到4.505 1 mm，降低33.13%。