喬曉鋒，鐘 哲

(1. 廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340;2.廣東省水利水電工程技術(shù)研究中心，廣州 511340)

1 概述

為緩解水資源時空分配不均勻，一系列隧洞引水工程正投入建設(shè)中。利用盾構(gòu)機(jī)等現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備能有效提高施工效率，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧洞施工過程中，往往需要近距離下穿橋梁、居民房等既有建筑物，盾構(gòu)施工會對上覆土層造成擾動，引起地表發(fā)生隆起或沉降變形，影響地表既有建筑物的結(jié)構(gòu)安全[1-3]。針對盾構(gòu)近距離穿越建筑物的問題，國內(nèi)外許多學(xué)者根據(jù)實(shí)際工程，采取理論分析、數(shù)值模擬等手段計算及預(yù)測建筑物可能發(fā)生的沉降量，并采取一系列加固措施，將其控制在容許范圍內(nèi)，以確保相關(guān)工程的施工安全和建筑物的正常使用[4-6]。徐前衛(wèi)等[7]綜合運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬的方法，提出了隧道穿越橋梁樁基的地基加固、樁基托換和洞內(nèi)除樁方案，可有效控制橋梁的結(jié)構(gòu)變形；Mroueh和Shahrour[8]運(yùn)用三維彈塑性有限元分析了單樁和群樁基礎(chǔ)對臨近隧道掘進(jìn)的反應(yīng)，結(jié)果表明隧道掘進(jìn)會引起臨近樁基內(nèi)力增加，樁基軸力與樁基和隧道的相對位置密切相關(guān)。黃新民[9]提出了對橋梁采用上部結(jié)構(gòu)頂托+樁基礎(chǔ)周圍注漿的保護(hù)方案可減小盾構(gòu)施工對橋梁的影響，改善盾構(gòu)隧道的施工條件。

盡管國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了盾構(gòu)穿越既有構(gòu)筑物施工影響的工程案例分析，但是各具體工程的實(shí)際情況存在較大差異，所采取的分析方法和工程應(yīng)對措施亦不盡相同[10-12]。本文以半洋引水隧洞工程下穿甬莞高速橋?yàn)槔?，通過數(shù)值模擬對盾構(gòu)隧洞近距離下穿橋梁基礎(chǔ)的影響進(jìn)行預(yù)測分析，后期經(jīng)由現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果加以驗(yàn)證，以期為今后類似工程提供借鑒和參考。

2 工程概況

半洋隧洞引水工程(西山溪—古巷進(jìn)洞口段)采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧洞從甬莞高速橋的第17、18排樁基中間穿過(里程區(qū)間BY0+266.6～BY0+307)，區(qū)間隧洞頂板覆土層厚度為13.6～14.5 m，盾構(gòu)穿越地層主要以粉質(zhì)粘土為主，其中盾構(gòu)隧洞外壁距離第17排樁基最小距離為5.1 m，距第18排樁基最小距離為6.6 m。甬莞高速橋?yàn)轭A(yù)制連續(xù)橋，橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制組合箱梁，下部結(jié)構(gòu)為摩擦樁，橋樁直徑為1.6 m，樁長為40.0 m，該高速為雙向4車道的國家級交通要道，車流量大，對橋梁保護(hù)要求高，風(fēng)險等級為一級，盾構(gòu)施工時要重點(diǎn)考慮橋梁基礎(chǔ)沉降變形等問題，并且此處為300m轉(zhuǎn)彎半徑的曲線段，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制相對困難，施工難度較大。隧洞下穿橋梁情況圖1、圖2。

圖1 半洋隧道與甬莞高速橋樁關(guān)系平面位置示意

圖2 半洋隧道下穿甬莞高速橋橋梁縱斷面位置示意

盾構(gòu)隧洞開挖會對周邊土體造成擾動，引起地層沉降變形、橋梁基礎(chǔ)發(fā)生沉降等問題，因此在盾構(gòu)施工前對其影響情況進(jìn)行分析預(yù)測，并采取相應(yīng)的加固措施，避免影響橋梁的安全使用。

3 模型構(gòu)建

3.1 模型構(gòu)建設(shè)想

隧洞的開挖支護(hù)、襯砌等施工打破了原有的地層平衡，使得地層內(nèi)的原始地應(yīng)力場發(fā)生了改變，并逐漸向一個新的平衡過渡。在這個過程中，失衡的地應(yīng)力由上往下從地表傳遞到了隧道結(jié)構(gòu)，相反整個地層的變形則從隧道的拱頂延伸至地表，進(jìn)而引起地表及地表上既有建筑物產(chǎn)生位移和變形[11]。在施工過程中，開挖卸載會導(dǎo)致開挖面土體向隧道內(nèi)移動、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形均會造成地層產(chǎn)生豎向位移，管片襯砌背后的空隙閉合也會對地層造成擾動，甚至因隧道整體下沉而引起地表沉降。

半洋隧道下穿甬莞高速橋，其中距離隧道最近的橋墩僅5.1 m，盾構(gòu)隧道施工難免會對橋梁造成影響，因此須采取一些隔離加固措施減弱盾構(gòu)施工對橋梁的擾動，保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。為此建立模型用于模擬盾構(gòu)隧道無加固和采取隔離加固措施兩種工況下穿高速橋梁的全過程，數(shù)值分析盾構(gòu)隧道施工對地層及地表既有建筑物的擾動情況，對比分析無加固和隔離加固兩種條件下地表及橋梁基礎(chǔ)的沉降變形，并通過后期施工階段對橋梁的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的合理性和準(zhǔn)確度。

3.2 計算模型建立及參數(shù)選擇

建立整體三維有限元模型，包括半洋盾構(gòu)隧道、甬莞高速橋16～19排橋樁、系梁、墩柱、蓋梁及橋面等結(jié)構(gòu)。根據(jù)有限元計算原理及軟件的計算能力，確定計算規(guī)模。

1) 長度方向：為減小邊界效應(yīng)產(chǎn)生的影響，橋梁兩側(cè)各取50 m，地層模型長度方向(X向)的尺寸取140 m。

2) 寬度方向：隧道施工主要對臨近橋樁的影響，為17、18排橋墩，兩側(cè)模型多建立一排橋墩，模型寬度Y方向的尺寸取82 m。

3) 高度方向：根據(jù)隧道埋深、橋樁長度以及旋噴樁加固的深度，模型高度方向取50 m。

計算模型基本尺寸及相應(yīng)的位置關(guān)系見圖3、圖4。

圖3 盾構(gòu)下甬莞高速橋計算模型示意

圖4 高速橋橋樁與隧道位置示意

計算模型中，土體本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，進(jìn)行彈塑性計算，結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行彈性計算。地層和相關(guān)結(jié)構(gòu)的具體幾何參數(shù)為實(shí)際設(shè)計值，物理力學(xué)參數(shù)參考地勘和設(shè)計文件選取。各材料的具體參數(shù)見表1。

表1 土物理力學(xué)參數(shù)取值

模型中各層土體均按天然重度考慮，計算荷載包括結(jié)構(gòu)及土體的自重荷載。位移邊界條件：土體模型的頂面為自由邊界，底面為豎向約束，四周為法向約束。

隧道開挖過程是一個卸載過程，因此在計算中采用土體的回彈模量，其值按經(jīng)驗(yàn)近似取表1中壓縮模量Es的5倍。

計算分析過程中，假定圍護(hù)結(jié)構(gòu)與橋梁結(jié)構(gòu)均處于彈性階段，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與橋樁均采用彈性模型，除盾構(gòu)隧道襯砌采用板單元模擬外，其余結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬，模型中混凝土結(jié)構(gòu)重度均為25 kN/m3，橋梁結(jié)構(gòu)、隧道等結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)取值

隧洞開挖過程的模擬根據(jù)實(shí)際施工情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，本模型分12次開挖，每次開挖設(shè)置為12 m，開挖完成后施加垂直于開挖面支護(hù)壓力1.75 MPa(根據(jù)盾構(gòu)機(jī)土倉壓力)，隨后激活管片單元，改變注漿層土體參數(shù)。按此循環(huán)作業(yè)12次，完成隧道開挖襯砌施工。

4 有限元計算結(jié)果分析

4.1 地層、地表豎向變形分析

隧洞開挖將破壞原有地層平衡，引起影響范圍內(nèi)地層發(fā)生位移變形。圖5表示盾構(gòu)隧洞開挖完成后地層和地表的豎向位移情況，由圖5可知，隧洞上覆土層在重力作用下會發(fā)生沉降變形，頂部最大沉降值為18.87 mm，超過控制值15 mm，底部土層則由于卸荷作用產(chǎn)生仰拱上抬，底部地層隆起最大值為2.73 mm，盾構(gòu)開挖施工對地層擾動較大；地面隆起和沉降是影響當(dāng)?shù)鼐用裆敭a(chǎn)安全的直觀表現(xiàn)，經(jīng)模型計算，隧洞沿線地表最大沉降值為12.60 mm，發(fā)生在隧洞穿過橋梁正下方位置，盾構(gòu)開挖施工會引起一定程度的地面沉降，造成地面塌陷、地表既有建筑物不均勻沉降等問題。

圖5 盾構(gòu)施工引起土層及地表豎向位移云示意

4.2 橋梁基礎(chǔ)及橋面豎向變形分析

為進(jìn)一步研究盾構(gòu)隧洞開挖對橋梁的影響，對盾構(gòu)施工引起橋梁基礎(chǔ)和橋面的豎向位移進(jìn)行分析。由圖6可知，臨近隧洞兩側(cè)的17、18排橋墩是主要受影響的橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其中距離隧洞線路最近的17排1#樁的沉降幅度最大，豎向位移為1.98 mm，對應(yīng)的橋面沉降量為1.91 mm，距離隧洞線路最遠(yuǎn)的18排10#樁沉降幅度最小，豎向位移為0.30 mm，對應(yīng)的橋面沉降量為0.26 mm；17、18排縱向橋梁墩臺間差異沉降最大值1.69 mm，橫向橋梁墩臺間差異沉降最大值為1.52 mm，接近控制值3 mm，考慮到橋梁本身受到外界諸多因素影響，為防止橋梁在實(shí)際施工過程中發(fā)生不均勻沉降，應(yīng)采取一些隔離加固措施，減弱盾構(gòu)施工對橋梁基礎(chǔ)的影響，規(guī)避安全隱患。

圖6 盾構(gòu)施工引起橋樁及橋面豎向位移云示意

4.3 隔離加固措施

通過上述分析，盾構(gòu)隧洞開挖會對地層造成較大擾動，引起地面、橋梁基礎(chǔ)及橋面發(fā)生不均勻沉降，影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用。以往工程常采用的隔離加固措施包括盾構(gòu)加強(qiáng)注漿加固[5]以及對橋梁采取樁基礎(chǔ)周圍注漿保護(hù)和上部結(jié)構(gòu)頂托等措施[7]，上述措施均能有效減弱盾構(gòu)施工對橋梁的影響。

本工程橋梁加固主要采用旋噴樁隔離和同步頂升兩種措施進(jìn)行隔離加固。采用旋噴樁對橋梁樁基礎(chǔ)進(jìn)行注漿保護(hù)，可對其四周土體形成壓密，使部分漿液進(jìn)入土粒之間的空隙，使固結(jié)體與四周土緊密相連，提高土體抗剪強(qiáng)度，改善土的變形性質(zhì)，從而提高地基承載力，減小地基沉降變形。同時旋噴樁作為隔離樁搭接后形成兩道帷幕，改善地基土水流性質(zhì)，提高帷幕間土體力學(xué)性質(zhì)，使得土體由無側(cè)限狀態(tài)改變?yōu)橛幸欢ㄟ吔鐥l件的側(cè)限狀態(tài)，減少盾構(gòu)穿越對橋墩樁基礎(chǔ)周圍土體的擾動，改善盾構(gòu)施工對橋墩的影響。另外，在橋梁承臺上部增加可控頂托支架，由千斤頂抬升分擔(dān)橋梁部分應(yīng)力，減小橋梁下部結(jié)構(gòu)受力，在盾構(gòu)施工期間對橋梁進(jìn)行同步頂升，防止橋面板因地層擾動而發(fā)生不均勻沉降，削弱盾構(gòu)隧洞施工對橋面板的影響，保證高速橋面平衡穩(wěn)定。

兩種隔離加固措施的設(shè)計情況，在高速橋底部，沿盾構(gòu)線路兩側(cè)各布設(shè)3排旋噴樁加固，旋噴樁直徑為800 mm，樁距為600 mm，樁底高程為-12.54 m，樁底低于盾構(gòu)管片外輪廓以下3.0 m。橋梁頂升加固系統(tǒng)采用直徑900 mm鋼管，放置于1.5 m×0.5 m混凝土條基上，與千斤頂組成臨時支架系統(tǒng)。隔離加固措施與橋梁樁基位置見圖7。

圖7 甬莞高速橋加固剖面示意

4.4 加固后地層、地表豎向變形分析

通過模擬對隧洞沿線的橋梁樁基及周圍土體進(jìn)行旋噴樁隔離加固，分析加固后盾構(gòu)施工引起的地層、地表豎向變形情況。由圖8可知，在橋樁附近施加旋噴樁隔離加固后，地層最大沉降值為16.61 mm，最大隆起值為2.66 mm，相較于無加固措施，沉降變形量減小2.26 mm，隆起變形量減小0.75 mm，加固前后變形幅度相差不大；橋梁正下方地表沉降位移為3.25 mm，相較于無加固措施，豎向位移減少9.35 mm，沉降變形幅度減小約74%，地表沉降變形大幅度降低，并且隧洞沿線地面沉降變形向遠(yuǎn)離加固區(qū)域的一側(cè)轉(zhuǎn)移。分析結(jié)果得出隔離加固前后地層的沉降位移變化相差不大，而加固后地表豎向位移遠(yuǎn)小于加固前，這是由于地層最大沉降和隆起值發(fā)生在隧洞頂部和底部，受旋噴樁隔離加固的影響較小，而地面土體因旋噴樁加固后，固結(jié)體與四周土緊密相連，大大提高了土體抗剪強(qiáng)度，減小了地面沉降變形。

圖8 加固后盾構(gòu)施工引起土層及地表豎向位移云示意

4.5 加固后橋梁豎向變形分析

圖9顯示了加固后盾構(gòu)施工引起橋樁及橋面的豎向位移情況。

圖9 加固后盾構(gòu)施工引起橋樁及橋面豎向位移云示意

由圖9可知，施加旋噴樁隔離加固措施后，橋梁整體沉降變形顯著減小，其中受影響最大依舊是距離隧洞線路最近的17排橋墩1#樁，其豎向位移為1.48 mm，對應(yīng)的橋面豎向位移為1.46 mm，相較于無加固條件下分別減小了0.5 mm和0.45 mm；17、18排縱向橋梁墩臺間差異沉降最大值為1.12 mm，橫向橋梁墩臺間差異沉降最大值為1.02 mm，相較于無加固條件分別降低了33.7%和32.9%，表明采用旋噴樁等隔離加固措施后，有效減小了橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的豎向變形，緩解了橋梁墩臺間差異沉降，降低了橋梁發(fā)生不均勻沉降的風(fēng)險。

4.6 盾構(gòu)施工全過程橋樁豎向位移變化分析

根據(jù)模型計算結(jié)果，選取臨近盾構(gòu)隧洞的17、18排橋墩上位移變化顯著的節(jié)點(diǎn)(與隧道中部約同一標(biāo)高，水平距離隧道最近節(jié)點(diǎn))，分析1～10#橋樁分別在加固和無加固兩種條件下橋樁豎向位移變化規(guī)律(見圖10)。由圖10可知，盾構(gòu)開挖穿越橋梁時即為開挖6、開挖7部分，此時橋梁結(jié)構(gòu)位移變化最大。待隧道穿越橋梁后，橋樁位移趨于穩(wěn)定收斂。盾構(gòu)施工對橋墩的影響程度與橋樁距離相關(guān)，橋樁與隧道距離由近到遠(yuǎn)，對應(yīng)的樁基所受到隧道施工的影響也由強(qiáng)減弱，最小處變形不足1 mm。

圖10 橋墩豎向位移變化曲線示意

通過三維模型計算結(jié)果分析，無加固條件下盾構(gòu)隧洞直接掘進(jìn)通過橋梁結(jié)構(gòu)時，隧洞開挖會引起橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的豎向位移，且墩臺結(jié)構(gòu)自身沉降變化及相鄰墩臺變化較大。采取隔離加固措施后各橋墩沉降變形均有所減小，在隧道穿越橋樁過程中也減緩橋樁的沉降速率，緩解了橋樁沉降問題。并且隔離加固對橋樁的差異沉降有較好的控制作用，有效減小了橋梁承臺的不均勻沉降，確保橋梁結(jié)構(gòu)變形控制在安全范圍內(nèi)。

4.7 盾構(gòu)施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

盾構(gòu)施工時對地面、橋梁基礎(chǔ)的監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型計算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以很好反映模型的準(zhǔn)確性。半洋盾構(gòu)隧洞于3月30日—4月6日下穿甬莞高速橋，在盾構(gòu)開挖施工過程中持續(xù)對無加固區(qū)(測點(diǎn)D1～D5)和加固區(qū)(測點(diǎn)D6～D10)地面沉降變形以及1#～10#橋墩的豎向位移進(jìn)行監(jiān)測(見圖11)。由圖11可知，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，地面及各橋墩均發(fā)生了不同程度的沉降變形，其中無加固區(qū)測點(diǎn)累積豎向位移范圍為8.04～20.03 mm，加固區(qū)測點(diǎn)累積豎向位移范圍為4.88～5.23 mm，加固豎向位移變化幅度明顯低于無加固區(qū)；對比分析加固區(qū)與無加固區(qū)地面沉降變化趨勢，加固區(qū)地面沉降變形更具有規(guī)律性和收斂性，地面測點(diǎn)數(shù)據(jù)表明施作旋噴樁隔離加固后地層整體穩(wěn)定提高，土體擾動減小，地面沉降變形受盾構(gòu)開挖施工等外界因素影響降低。對于橋梁基礎(chǔ)，盾構(gòu)隧洞開始施工過程中，各橋墩豎向位移變化趨勢基本一致，其中距離隧道最近的17排1#橋墩發(fā)生的沉降位移最大，為1.59 mm，距離隧道最遠(yuǎn)的6#橋墩的沉降位移最小，為0.31 mm，17、18排縱向橋梁墩臺間差異沉降最大值為1.24 mm，橫向橋梁墩臺間差異沉降最大值為1.07 mm，這與數(shù)值模型的擬合結(jié)果基本吻合。

圖11 地面測點(diǎn)及橋墩豎向位移曲線示意

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，選取位于橋梁正下方測點(diǎn)D6和最靠近隧洞的1#橋墩作為現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬的對比分析對象，同時為更加準(zhǔn)確地分析，對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行初始位移清零處理(見圖12)。由圖12可知，地面測點(diǎn)豎向位移變化趨勢與數(shù)值模擬相似，地面測點(diǎn)實(shí)測豎向位移(-4.78 mm)高于數(shù)值模擬豎向位移(-3.25 mm)，在后期隧洞開挖襯砌中實(shí)測豎向位移仍存在一定波動，而數(shù)值模擬基本平滑無變化；橋墩豎向變形累積量從大到小依次為未加固(-1.98 mm)、實(shí)際測量(-1.55 mm)、隔離加固(-1.48 mm)，可以看出隔離加固措施下的擬合曲線更加貼近實(shí)測曲線，沉降變形幅度基本一致，對比實(shí)測和擬合數(shù)據(jù)，模型擬合效果良好，具有一定的施工指導(dǎo)性。

圖12 地表與橋墩豎向位移曲線示意

另外，考慮到現(xiàn)場盾構(gòu)隧洞開挖施工過程中，地層與橋梁受到的影響因素比較多，在建立模型時很難添加所有要素，并且地面與橋墩的沉降位移主要是由施工測量員現(xiàn)場測量，存在一定的誤差，造成模型擬合的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)存在一定差異。

5 結(jié)語

本文結(jié)合半洋引水隧洞工程盾構(gòu)下穿甬莞高速高架橋?qū)嵗?，采用三維數(shù)值仿真的方法對盾構(gòu)施工過程進(jìn)行了模擬分析，相較于以往類似的數(shù)值模型研究，本文依托實(shí)際工程定量分析了加固前后兩種工況條件盾構(gòu)下穿橋梁的影響情況，從施工的角度出發(fā)，充分考慮了盾構(gòu)施工對地層和橋梁基礎(chǔ)的沉降影響，并通過施工實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和可靠性，相關(guān)方法和數(shù)據(jù)可為類似工程提供參考和借鑒。

通過分析主要得到以下結(jié)論：

1) 盾構(gòu)施工會引起地層發(fā)生豎向變形，造成地面及橋梁發(fā)生沉降變形。橋梁基礎(chǔ)越靠近盾構(gòu)線路，所受到的影響就越大，相鄰墩臺容易發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致橋梁存在安全隱患。

2) 采取旋噴樁等隔離加固措施能有效減小橋梁結(jié)構(gòu)的豎向變形，改善橋梁不均勻沉降等問題。

3) 通過建立模型能很好地模擬分析盾構(gòu)下穿橋梁的施工情況，對比分析無加固和隔離加固兩種條件下橋梁的沉降變形情況，并通過后期施工監(jiān)測數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，指導(dǎo)工程施工。