高利琴， 杜明芳， 盧海陸， 李曉文， 易領(lǐng)兵， 李帥兵

(1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院， 鄭州 450008； 2.河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 鄭州 450001； 3.中國建筑第七工程局有限公司， 鄭州 450008； 4.河南省建筑科學(xué)研究院有限公司， 鄭州 450053)

基于目前重大的人口基數(shù)，為了快速疏散客流，緩解交通壓力，大力發(fā)展高速鐵路，現(xiàn)在已初步建成高速鐵路網(wǎng)。而城市地鐵線路往往滯后于高速鐵路的發(fā)展，無法實(shí)現(xiàn)同步規(guī)劃、同步建設(shè)、并同步投入使用，這就必然造成了地鐵線路會(huì)穿越已開通運(yùn)營的高速鐵路線路的情況。中國高速鐵路普遍采用高架橋的方式，導(dǎo)致地鐵線路往往會(huì)在鐵路橋梁橋樁基礎(chǔ)附近穿越，在地鐵施工過程中，可能會(huì)引起高鐵橋樁基產(chǎn)生位移、沉降等變形，給高鐵的運(yùn)營帶來安全隱患。

城市核心密集區(qū)域修建地鐵日益凸顯，各種工法施工下穿及側(cè)穿房屋、河流、普速鐵路、高鐵等工程越來越多。文獻(xiàn)[1]對盾構(gòu)區(qū)間下穿普速鐵路進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[2]研究了高層建筑施工對臨近既有隧道的影響；文獻(xiàn)[3]研究了基坑開挖對臨近樁基的影響；文獻(xiàn)[4]研究了新建堤壩對既有橋樁的影響；文獻(xiàn)[5]研究了地鐵車站施工對臨近既有橋樁的影響；文獻(xiàn)[6]通過監(jiān)測手段研究了臨近既有橋樁隧道的變形規(guī)律；文獻(xiàn)[7-10]研究了盾構(gòu)施工對既有橋樁的影響；文獻(xiàn)[11-13]研究了基坑開挖施工對近鄰既有橋樁的影響；文獻(xiàn)[14]對暗挖區(qū)間側(cè)穿高鐵特大橋施工進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算分析研究；文獻(xiàn)[15]對盾構(gòu)區(qū)間下穿普速鐵路施工進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算分析研究；文獻(xiàn)[16]對暗挖區(qū)間下穿城市市政道橋施工進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算分析研究；文獻(xiàn)[17]對盾構(gòu)區(qū)間下穿高鐵橋施工進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算分析研究。以上研究較多集中于明挖基坑施工、下穿普速鐵路路基、暗挖側(cè)穿橋樁等方面，而對地鐵盾構(gòu)區(qū)間左、右近距離側(cè)穿高速鐵路大橋研究幾乎未涉及?？紤]以上情況，如何降低盾構(gòu)區(qū)間雙線隧道側(cè)穿施工對高速鐵路的影響程度，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，使盾構(gòu)區(qū)間雙線隧道在施工過程中更加安全高效是值得研究的問題。

以下穿鄭西高鐵大橋的地鐵區(qū)間隧道工程為背景，對側(cè)穿鄭西高鐵跨繞城高速大橋段區(qū)間隧道進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件對隧道下穿鄭西高鐵跨繞城高速大橋進(jìn)行有限元數(shù)值仿真計(jì)算分析，揭示了地鐵盾構(gòu)側(cè)穿作業(yè)施工過程對高速鐵路上跨繞城公路特大橋基礎(chǔ)影響的規(guī)律；研究了同一承臺處樁基變形趨勢特征；分析了左右線盾構(gòu)區(qū)間中間橋樁位移變形規(guī)律；總結(jié)了盾構(gòu)區(qū)間頂部以上以及盾構(gòu)區(qū)間洞內(nèi)及底部以下2倍洞徑范圍內(nèi)橋樁水平位移及豎向沉降特征；研究了土體應(yīng)力平衡狀態(tài)變化情況。研究成果對類似工程具有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

鄭州地鐵1號線化工路站到鐵爐路站盾構(gòu)區(qū)間工程，盾構(gòu)管片厚度350 mm，盾構(gòu)內(nèi)徑5 500 mm，外徑6 000 mm。盾構(gòu)下穿跨繞城高速大橋，該大橋?yàn)猷嵵莸綕瞥囟紊峡缋@鄭州高高鐵大橋：梁跨度32 m，預(yù)應(yīng)力梁，軌道為有砟軌道。橋梁部分參數(shù)見表1。盾構(gòu)下穿橋編號為58、59、60，58號和 59號橋樁之間為盾構(gòu)左線穿越部位，59號和60號橋樁之間為盾構(gòu)右線穿越部位，與大橋呈約96°～103°,位置關(guān)系如圖1所示。相關(guān)參數(shù)見表1和表2。

圖1 平面位置關(guān)系圖

表1 高鐵橋橋墩及基礎(chǔ)基本情況

表2 盾構(gòu)隧道外邊緣與高鐵橋樁基最小凈距

2 盾構(gòu)區(qū)間施工數(shù)值計(jì)算

運(yùn)用大型有限差分法分析軟件(FLAC3D)對上述工程施工重點(diǎn)工況進(jìn)行數(shù)值仿真分析計(jì)算[1-3]。模擬計(jì)算步驟如下：

1)初始應(yīng)力場模擬。

2)繞城高速特大橋結(jié)構(gòu)構(gòu)建施工。

3)差分計(jì)算數(shù)值模型位移歸零。

4)區(qū)間左線盾構(gòu)作業(yè)施工，盾構(gòu)區(qū)間350 mm厚管片作業(yè)安裝。

5)區(qū)間右線盾構(gòu)作業(yè)施工，盾構(gòu)區(qū)間350 mm厚管片作業(yè)安裝。

繞城高速鐵路大橋橋下基礎(chǔ)樁受力荷載如下：箱梁、橋墩、承臺、鐵路軌道、附屬電線立柱等恒載，以及動(dòng)荷載(高速鐵路運(yùn)行過程中產(chǎn)生荷載)。根據(jù)相關(guān)前期基礎(chǔ)資料確定橋下樁基礎(chǔ)頂部最不利荷載取3×103kN,周邊地表活荷載取20 000 Pa。具體數(shù)據(jù)見表3，有限元模型如圖2、圖3所示。

圖2 三維地層-結(jié)構(gòu)模型

圖3 軌道交通結(jié)構(gòu)模型

表3 材料參數(shù)

2.1 高鐵橋樁分析

盾構(gòu)區(qū)間作業(yè)施工過程中會(huì)造成橋樁的位移，運(yùn)用上述大型有限差分法計(jì)算軟件計(jì)算盾構(gòu)區(qū)間左線線路通過后橋樁位移及左線和右線都通過后橋樁位移。橋樁位移如圖4、圖5所示。為便于分析數(shù)據(jù)，省去過程中位移變化結(jié)果，僅給出盾構(gòu)區(qū)間通過后最終位移結(jié)果。

圖4 左線隧道貫通后橋樁位移

圖5 雙線隧道貫通后橋樁位移

綜合圖4、圖5分析可知：盾構(gòu)區(qū)間左線線路施工完畢后，橋下樁基礎(chǔ)最大位移值為3.2 mm，位置發(fā)生在與左線盾構(gòu)區(qū)間同一深度處近鄰盾構(gòu)區(qū)間橋下樁基礎(chǔ)，盾構(gòu)區(qū)間左線和右線線路施工完畢后，橋下樁基礎(chǔ)最大位移值為2.8 mm，位置發(fā)生在與左、右線盾構(gòu)區(qū)間同一深度處近鄰盾構(gòu)區(qū)間橋下樁基礎(chǔ)。

隨橋下樁基礎(chǔ)中心線距離盾構(gòu)區(qū)間凈距逐漸加大隧道側(cè)穿高速橋施工對樁基礎(chǔ)影響逐漸減弱。盾構(gòu)區(qū)間左線線路穿越施工過程中對58號和59號樁基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的影響，對距離較遠(yuǎn)的60號橋樁基礎(chǔ)影響微乎其微?？紤]到58號和59號橋樁基礎(chǔ)距離左線盾構(gòu)區(qū)間距離較近，因此58號和59號橋樁基礎(chǔ)變形大。盾構(gòu)區(qū)間右線線路施工穿越完成后，對臨近既有59號和60號橋樁基礎(chǔ)影響較為明顯，其位移變形顯著增大，位移變化趨勢與58號橋樁基礎(chǔ)變化趨勢一致。對于左線盾構(gòu)區(qū)間與右線盾構(gòu)區(qū)間之間的59號橋樁基礎(chǔ)，隨著遠(yuǎn)離或接近左、右線盾構(gòu)區(qū)間,59號橋樁基礎(chǔ)位移變化均減少，整體位移變化規(guī)律體現(xiàn)在豎向向下沉降變形。

盾構(gòu)區(qū)間左線線路穿越完成后，同一橋下承臺處樁基礎(chǔ)變形趨勢基本一致，原因?yàn)槭芡怀信_約束樁機(jī)頂部(該出為剛性連接)；此外隨著距離左線盾構(gòu)區(qū)間中心線凈距的增大，橋下樁基礎(chǔ)位移減小，即凈距較遠(yuǎn)處橋樁位移變形小于凈距較小處橋樁位移變形。

綜合以上結(jié)果可知，橋下樁基礎(chǔ)變形規(guī)律如下：在盾構(gòu)區(qū)間頂部以上主要體現(xiàn)在豎向位移沉降方面及向盾構(gòu)區(qū)間方向水平變形方面；在盾構(gòu)區(qū)間外徑6 m區(qū)域內(nèi)以及盾構(gòu)區(qū)間管片外皮向下12 m(2倍洞徑D：12 m=2×6 m)區(qū)域內(nèi)隨著周邊土層背離盾構(gòu)區(qū)間徑向位移而導(dǎo)致橋下樁基礎(chǔ)向盾構(gòu)區(qū)間方向產(chǎn)生位移，但位移變化較??；盾構(gòu)區(qū)間管片底以下2倍洞徑到橋下樁基礎(chǔ)區(qū)域，橋下樁基礎(chǔ)位移變化大體體現(xiàn)在向盾構(gòu)區(qū)間方向產(chǎn)生水平方向位移變化，但豎向沉降位移很小。

2.2 臨近土層應(yīng)力分析

盾構(gòu)區(qū)間作業(yè)施工過程中會(huì)造成地層應(yīng)力的變化，運(yùn)用上述大型有限差分法計(jì)算軟件計(jì)算盾構(gòu)區(qū)間左線和右線都通過后地層應(yīng)力(包括最大和最小主應(yīng)力)情況。以及盾構(gòu)區(qū)間未施工前地層初始應(yīng)力(包括最大和最小主應(yīng)力)情況。具體應(yīng)力云圖如圖6～圖9所示。

圖6 地層初始最大主應(yīng)力云圖

圖7 地層初始最小主應(yīng)力云圖

圖8 左線隧道貫通后地層初始最大主應(yīng)力云圖

圖9 雙線隧道貫通后地層初始最小主應(yīng)力云圖

綜合圖6～圖9分析可知：盾構(gòu)區(qū)間左、右線線路施工打破了地層初始應(yīng)力自平衡穩(wěn)定狀態(tài)，造成初始地層應(yīng)力動(dòng)態(tài)調(diào)整，再次趨向于新平衡狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，考慮到左、右線盾構(gòu)區(qū)間施工引起臨近地層初始應(yīng)力重新分布區(qū)域范圍有限，隨著區(qū)間穿越施工完成后一段時(shí)間，臨近影響范圍內(nèi)地層應(yīng)力進(jìn)行趨向于新平衡狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到平衡。

3 結(jié)論與建議

對側(cè)穿大橋的區(qū)間隧道進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究了區(qū)間隧道施工后橋樁的位移，并分析了地層應(yīng)力平衡問題，得出如下結(jié)論：

1)隨橋下樁基礎(chǔ)中心線距離盾構(gòu)區(qū)間凈距逐漸加大隧道側(cè)穿高速橋施工對樁基礎(chǔ)影響逐漸減弱。盾構(gòu)區(qū)間左線線路穿越施工過程中對58號和59號樁基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的影響，對距離較遠(yuǎn)的60號橋樁基礎(chǔ)影響微乎其微。考慮到58號和59號橋樁基礎(chǔ)距離左線盾構(gòu)區(qū)間距離較近，因此58號和59號橋樁基礎(chǔ)變形大。盾構(gòu)區(qū)間右線線路施工穿越完成后，對臨近既有59號和60號橋樁基礎(chǔ)影響較為明顯，其位移變形顯著增大，位移變化趨勢與58號橋樁基礎(chǔ)變化趨勢一致。對于左線盾構(gòu)區(qū)間與右線盾構(gòu)區(qū)間之間的59號橋樁基礎(chǔ)，隨著遠(yuǎn)離或接近左、右線盾構(gòu)區(qū)間,59號橋樁基礎(chǔ)位移變化均減少，整體位移變化規(guī)律體現(xiàn)在豎向向下沉降變形。

2)盾構(gòu)區(qū)間左線線路穿越完成后，同一橋下承臺處樁基礎(chǔ)變形趨勢基本一致；此外隨著距離左線盾構(gòu)區(qū)間中心線凈距的增大，橋下樁基礎(chǔ)位移減小，即凈距較遠(yuǎn)處橋樁位移變形小于凈距較小處橋樁位移變形。

3)在盾構(gòu)區(qū)間頂部以上主要體現(xiàn)在豎向位移沉降方面及向盾構(gòu)區(qū)間方向水平變形方面；在盾構(gòu)區(qū)間外徑6 m區(qū)域內(nèi)以及盾構(gòu)區(qū)間管片外皮向下12 m(2倍洞徑D：12 m=2×6 m)區(qū)域內(nèi)隨著周邊土層背離盾構(gòu)區(qū)間徑向位移而導(dǎo)致橋下樁基礎(chǔ)向盾構(gòu)區(qū)間方向產(chǎn)生位移，但位移變化較??；盾構(gòu)區(qū)間管片底以下2倍洞徑到橋下樁基礎(chǔ)區(qū)域，橋下樁基礎(chǔ)位移變化大體體現(xiàn)在向盾構(gòu)區(qū)間方向產(chǎn)生水平方向位移變化，但豎向沉降位移很小。

4)盾構(gòu)區(qū)間左、右線線路施工打破了地層初始應(yīng)力自平衡穩(wěn)定狀態(tài)，造成初始地層應(yīng)力動(dòng)態(tài)調(diào)整，再次趨向于新平衡狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，考慮到左、右線盾構(gòu)區(qū)間施工引起臨近地層初始應(yīng)力重新分布區(qū)域范圍有限，隨著區(qū)間穿越施工完成后一段時(shí)間，臨近影響范圍內(nèi)地層應(yīng)力進(jìn)行趨向于新平衡狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到平衡。