郭旭東

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510000)

1 概述

隨著城市的發(fā)展，人們的生活空間逐漸擁擠，各大城市持續(xù)大力推進道路立體交通建設[1]。發(fā)展地下軌道交通已成為社會可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一，一大批隧道工程逐漸涌現(xiàn)，隨之出現(xiàn)的問題是，新建隧道工程將不可避免地穿越現(xiàn)有的城市既有工程。為保證工程的安全運行，盾構施工以其獨特的優(yōu)勢在城市隧道施工中得到廣泛應用。高架橋是城市中常見的構筑物之一，迅速增多的城市高架橋使盾構施工預留的施工范圍和允許擾動量日益減少，因盾構施工引發(fā)的地面高架坍塌事故屢見不鮮。工程建設迫切需要在確保新隧道盾構順利實施的同時，減小隧道穿越對已有高架橋的影響。因此，研究盾構隧道下穿高架橋時構筑物間的相互影響，對保證工程安全施工和高架橋安全運營具有重要的意義[2]。

近年來，針對盾構隧道與高架橋的相互作用、影響這一工程問題，國內外許多學者采用不同的方法進行了大量研究。隨著計算機科學技術的發(fā)展，數(shù)值模擬技術已成為隧道開挖計算的主要研究方法之一。劉濤[3]以南水北調輸水隧道穿越北京地鐵13號線清河高架橋為研究背景，利用ANSYS有限元軟件對穿越工程的盾構施工過程進行模擬，對盾構隧道穿越既有高架橋變形及控制進行研究，并結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據，驗證了數(shù)值模型的合理性。熊志輝[4]以廈門地鐵1號線園杏區(qū)間盾構隧道穿越某高架橋工程為依托，采用理論分析和數(shù)值模擬方法，結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據，研究盾構隧道穿越高架橋引起的地表沉降問題，并提出了加固技術措施，有效保證高架橋的安全運營。劉萬杰[5]以福州地鐵5號線城福區(qū)間為工程背景，采用數(shù)值模擬方法，研究了盾構隧道施工對既有高架橋結構變形的影響規(guī)律，并提出選用隔離樁作為防護措施，有效減小了橋墩的位移量。姚西平等[6]對盾構穿越高速鐵路橋梁的兩個案例進行了研究。通過數(shù)值模擬計算和分析，評價了隧道施工對橋墩變形、軌道不平順以及行車安全和旅客舒適度的影響。通過現(xiàn)場試驗對計算結果進行了驗證。Pan等[7]以福州繞城高速鐵路隧道在既有公路隧道上方運行為背景，利用Midas GTS建立的三維有限元模型進行數(shù)值計算，并將模擬結果與實測數(shù)據進行對比。研究了既有隧道拱頂?shù)呢Q向變形、拱腳的相對豎向位移和相對水平位移。

本文以廣州地鐵18號線番禺廣場站—南村萬博站盾構隧道下穿既有高架橋為工程背景，采用三維有限元軟件Midas，建立了三維有限元模型，分析下穿隧道盾構施工對既有高架橋樁基和橋墩的影響；同時利用橋梁工程專用軟件Midas civil，分析橋梁結構在盾構施工影響作用下是否滿足規(guī)范及標準要求，可為盾構下穿橋梁工程的建設和運營提供參考。

2 工程概況及地質條件

廣州地鐵18號線番禺廣場站—南村萬博站區(qū)間部分區(qū)段下穿已建迎賓路接東環(huán)路高架橋。該區(qū)間隧道采用盾構法施工，埋深約32.2 m，盾構外徑8.5 m，內徑7.7 m，管片寬度1.6 m，管片厚度0.4 m，管片中線間距為17.0 m，管片強度為C50。

圖1為盾構隧道下穿高架橋示意圖。高架主線標準段橋寬27.0 m，梁高1.3 m，為預應力混凝土連續(xù)板梁結構，縱向力筋采用高強度低松弛鋼絞線，橫橋向采用整體式斷面，全橋寬共由三塊寬8.9 m的肋板組成，肋寬1.6 m，橫橋向采用無黏結預應力鋼絞線作力筋。荷載標準為汽車-超20級，掛車-120級，橫截面斷面共設置了6個車道。穿越區(qū)間內的橋梁基礎采用鉆孔灌注樁基礎，灌注樁直徑1 500 mm，左線樁底標高-11.48 m，樁長29 m，右線樁底標高-12.48 m，樁長30 m，左線樁端距離隧道頂部約4.68 m，右線樁端距離隧道頂部約3.68 m，地鐵盾構隧道穿越的主要地層為強風化花崗巖。

根據現(xiàn)場地質勘查報告，盾構隧道在此區(qū)間穿越地層自上而下分別為：①素填土、②砂質黏性土、③全風化花崗巖、④強風化花崗巖、⑤中風化花崗巖、⑥微風化花崗巖。區(qū)間內地下水類型為第四系松散層孔隙潛水，孔隙潛水主要賦存于填土之下，黏性土之間，潛水層滲透性差，富水性好，水量較豐富。

3 盾構穿越橋梁數(shù)值模擬

本文采用Midas GTS有限元數(shù)值模擬軟件模擬盾構隧道施工，建立了地層、盾構隧道與高架橋的計算模型，采用了Mohr-Coulomb及Elastic本構模型，研究了盾構施工對既有高架橋的影響。

3.1 計算模型及參數(shù)確定

1)模型尺寸、網格劃分及邊界條件。

總體模型尺寸選取，充分考慮了盾構開挖引起的邊界效應，結合實際經驗，根據圣維南原理，取一聯(lián)橋梁進行計算，模型范圍取3倍～5倍洞徑[8]。

a.高度：由地表向下取至隧道底以下3D以上(D為盾構隧道的直徑)，即33.11+8.5+3×8.5=67.11 m，取為75 m；b.寬度，取至盾構兩外側6D，即25.5+6×8.5=76.5 m，取為88 m；c.長度取為10D，即10×8.5=85 m，取為150 m。根據上述條件，建立了基于Midas GTS程序的三維計算模型進行數(shù)值模型，如圖2所示。數(shù)值模型采用六面體與四面體混合單元進行劃分，共劃分602 125個單元和263 724個節(jié)點。模型邊界采用默認的標準約束，即模型底部豎向位移為0，四個側面法向位移為0，頂部為自由面，不加約束。

2)土體模型及其物理力學參數(shù)。

本文數(shù)值模擬模型中巖土體采用修正摩爾庫侖本構模型，根據現(xiàn)場地質勘查報告及已有工程經驗，研究區(qū)段隧道上覆巖土體計算參數(shù)見表1。

3)盾構施工及高架橋結構參數(shù)。

本工程研究區(qū)間內隧道管片寬度1.6 m，管片厚度0.4 m，盾構隧道結構及橋梁結構均采用彈性本構模型，計算參數(shù)見表2。

表1 巖土體主要物理力學參數(shù)

表2 盾構施工及橋梁結構模擬參數(shù)

計算過程中的盾構隧道施工千斤頂?shù)耐屏θ?4 000 kN，掘進面土壓力取220 kPa。將所有千斤頂?shù)目偼屏Τ运淼酪r砌的橫截面積來確定千斤頂推力的大小，再通過設置在隧道橫斷面上的面荷載模擬千斤頂推力[9]。

3.2 計算工況及施工過程模擬

針對盾構下穿高架橋施工過程，本次分析主要分為114個工況，即114個施工步，在施工過程中，首先開挖地鐵盾構隧道右線，當右線掘進距離不少于100 m時，左線盾構隧道開始掘進，模擬過程主要考慮開挖卸載、泥水支護、同步注漿、管片襯砌等工序[10]，模擬過程如下：

1)初始應力場平衡，得到未開挖下的初始重力場。

2)橋梁施工，由于此次模擬分析是對隧道下穿上部已建高架橋的影響，故不考慮橋梁施工產生的位移，將位移作清零處理。

3)開挖右線1步～55步土體，在開挖面施加盾構機掘進頂力，并進行激活1步～55步盾殼。鈍化第N節(jié)土體，鈍化第N-1節(jié)盾殼，激活第N節(jié)盾殼，激活第N-1節(jié)盾構管片，激活第N-1節(jié)注漿層，激活相關頂推力、千斤頂力，注漿壓力。

4)開挖左線1步～55步土體，開挖面施加盾構機掘進頂力，并進行激活1步～55步盾殼。鈍化第N節(jié)土體，鈍化第N-1節(jié)盾殼，激活第N節(jié)盾殼，激活第N-1節(jié)盾構管片，激活第N-1節(jié)注漿層，激活相關頂推力、千斤頂力，注漿壓力。

3.3 模型假定

由于地基土是一種非線性的復雜材料且在盾構開挖的過程中，土體與管片的相互作用極其復雜，模擬其真實狀況也是極其困難的[11]。本次模擬為了簡化模型，提高數(shù)值運算效率，對計算模型做如下的假定：1)在盾構開挖的過程中忽略土體變形的時間效應；2)考慮土體的分層，且土體為各向同性的連續(xù)線彈性體；3)盾構隧道在開挖過程中受力狀態(tài)十分復雜，掌子面上推力在開挖過程中比較穩(wěn)定，故在開挖面上作用均勻分布的壓力來模擬土體的移動；4)在土體和盾構隧道管節(jié)之間施加一定厚度的實體單元來模擬注漿作用，反映在自重作用下隧道襯砌管片與土體空隙間的閉合過程；5)在模擬時，在進行盾構開挖的同時，在后方進行注漿改變材料參數(shù)等操作，模擬管片注漿。

4 計算分析

通過Midas模擬盾構隧道下穿已建迎賓路接東環(huán)路高架橋的施工過程，通過研究高架橋樁基彎矩和橋梁沉降，分析隧道盾構施工對既有高架橋樁基和橋墩的影響。以下為盾構施工對高架橋影響性計算結果。因篇幅有限，僅展示盾構隧道右線貫通及完成時的計算云圖(見圖3～圖5)，其他計算步所得結果用表格展示(見表3，表4)。

4.1 樁基彎矩分析

已有高架橋樁基為鉆孔灌注樁基礎，樁基礎所受彎矩值將極大程度上決定高架橋的結構安全，圖3，圖4為模擬所得盾構施工后高架橋樁基礎彎矩值云圖。

表3 樁基礎彎矩極值匯總表 kN·m

由圖3，圖4及表3可知，盾構隧道下穿已建迎賓路接東環(huán)路高架橋的整個施工過程引起的樁基礎彎矩在兩個正交方向上的極值均集中于樁端；在整個過程當中，樁基X方向的最大彎矩差值絕對值為2.372 kN·m，樁基Y方向的最大彎矩差值絕對值為1.119 kN·m，遠小于樁基彎矩承載力，彎矩增值趨于穩(wěn)定，即盾構隧道施工對既有橋梁樁基礎的彎矩有一定影響，但風險可控。

4.2 樁基位移分析

表4 橋梁結構位移極值匯總表 mm

由圖5,表4可知：1)盾構隧道下穿已建迎賓路接東環(huán)路高架橋的整個施工過程引起的橋梁水平位移和豎直位移的極值很小；2)在整個過程當中，X方向最大水平絕對位移為0.346 3 mm(偏向東向)，Y方向最大絕對水平位移為0.306 1 mm(偏向南向)，Z方向最大絕對水平位移為1.401 1 mm(下沉)，相鄰墩臺間的最大沉降差為1.297 9 mm，均小于JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范的40 mm限值，因此盾構隧道施工對既有橋梁結構的位移有一定影響，但風險可控。

5 橋梁上部結構安全驗算

由于東環(huán)路高架橋為7跨連續(xù)梁，為多次超靜定結構，故采用有限元分析對橋梁進行計算較為方便。本次驗算采用JTG D60—2015公路橋涵設計通用規(guī)范進行[12]。

5.1 計算模型

該高架橋的梁高為1.3 m，為預應力混凝土連續(xù)板梁結構，縱向力筋采用高強度低松弛鋼絞線，橫橋向采用整體式斷面，全橋寬共由三塊寬8.9 m的肋板組成，肋寬1.6 m，大懸臂挑出，橫橋向采用無黏結預應力鋼絞線作力筋。荷載標準為汽車-超20級，掛車-120級。計算采用Midas civil有限元軟件建模，結構計算模型如圖6所示。隨后施加荷載，其中荷載分為橋梁自重、二期恒載和汽車荷載等。

將全橋劃分為71個節(jié)點、70個單元，施工分為3個階段，分別是主梁施工階段、施加二期恒載階段和運營階段，其中運營階段考慮梁結構混凝土收縮徐變作用。

5.2 驗算結果

分別模擬計算自重、二期恒載、汽車荷載、收縮徐變、溫度荷載、差異沉降作用下，高架橋主梁的荷載效應，高架橋的內力圖如圖7所示。

根據各荷載工況下主梁彎矩云圖可知，在沉降作用下93號墩墩頂彎矩變化值最大，證明93號墩受盾構施工影響最大，故將93號墩頂主梁截面及93跨跨中截面的內力匯總如表5，表6所示。

以JTG D60—2015公路橋涵設計通用規(guī)范為依據通過對橋梁進行復核計算，計算結果如表5所示。根據表5可得，承載能力極限狀態(tài)基本組合計算得到的93跨跨中最大彎矩值為1.67e+04 kN·m，小于結構容許值1.93e+04 kN·m，正常使用極限狀態(tài)基本組合計算得到應力值均小于控制應力值；承載能力極限狀態(tài)基本組合計算得到的93號墩墩頂?shù)淖畲髲澗刂禐?2.32e+04 kN·m，小于結構容許值-3.48e+04 kN·m，正常使用極限狀態(tài)基本組合計算得到應力值均小于控制應力值；計算得到剪力抗力為1.04e+04 kN大于作用組合計算值-7.97e+03 kN，滿足規(guī)范要求。

表5 civil計算內力結果表

表6 承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)驗算結果

6 結論

本文以廣州地鐵18號線番禺廣場站—南村萬博站盾構隧道下穿既有高架橋為工程背景，研究了隧道盾構施工對既有高架橋樁基和橋墩的影響，并對橋梁上部結構進行安全驗算，得到以下結論：

1)盾構隧道下穿既有高架橋的整個施工過程引起的樁基礎彎矩在兩個正交方向上的極值均集中于樁端且遠小于樁基彎矩承載力，引起的橋梁水平位移和豎直位移均小于控制標準40 mm。說明該盾構隧道施工對既有橋梁樁基礎影響較小。2)根據關鍵截面的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的驗算結果，表明該高架橋正截面最大彎矩強度、最大主壓應力和最大主拉應力均滿足規(guī)范要求，即盾構施工對橋梁影響處于安全范圍內，不會對橋梁安全運營產生不可忽視的影響。