关键词：盾构隧道；桥梁；隧道埋深
随着我国城市化进程的不断加快，城市地下工程开发的规模、速度也日益加快。为了缓解城市的交通压力，以城市为主体的城市轨道交通工程发挥了巨大的作用，但由于地铁车站主体、区间多处于市区繁华地段，周边建筑物林立、地下管线错综复杂，这些复杂的地面环境给地铁设计、施工带来了一定难度与风险。因此，需要特别关注越来越多的地铁修建给邻近建筑带来的不利影响，对这种影响的大小、机理进行研究，并提出相应的措施来避免这种影响超出可控的范围。地铁施工对邻近建筑影响显得尤为迫切。
一、慨述
在城市复杂环境下进行地铁建设，往往需要严格控制地表及上部既有建筑物的沉降变形，尤其在盾构隧道穿越重要铁路、公路桥梁时，隧道掘进线路与桥梁桩基的空间位置关系就显得尤为重要。因此，针对盾构掘进对邻近桥梁的影响研究已经引起越来越多工程技术人员的重视。采用整体有限元法分析了隧道施工对桩基影响效应的基本规律;对隧道开挖过程中桩基力学状态进行了分析。在模型试验研究方面，研究了盾构掘进对临近桩基沉降的影响因素，提出墩台水平及竖向位移不同的控制措施，并进行了分析验证。目前，隧道侧穿桥梁桩基的相关研究中，对埋深条件下盾构隧道下穿施工对近接铁路桥梁桩结构的影响研究较少。盾构侧穿既有铁路桥梁桩基为工程依托，采用数值计算分析的方法，对隧道在埋深的情况下，盾构施工对既有铁路桥梁结构及地表的沉降变形规律进行分析研究。
二、概况
某地铁区间线路全长约 1089．9 m，盾构隧道线铁路桥管片外径为 6 m，内径为5．4 m，幅宽与厚度分别为 1．5、0．3 m，因此，既有桥梁对盾构下穿施工时的地层扰动较为敏感。根据轨道交通既有铁路桥梁的相对位置关系，建立三维数值模型。
模型尺寸为: 60 m( 沿隧道横向) × 71 m( 沿隧道纵向) × 60 m深度方向) ，地层的分布情况及其参数按地质勘测数据选定。计算过程中，模型土体采用 Druker －Prager屈服准则，桥梁、墩台桩基等结构物则视为弹性体，模型中地层、桥梁结构、管片衬砌及注浆层均采用实体单元模拟。计算时按自重应力场考虑，模型建立过程中，将实际地层的分布形态简化为等厚度水平分布;管片衬砌结构采用 C50 钢筋混凝土材料，弹性模量为 34．5 GPa，针对管片衬砌接头对结构刚度的影响，将结构刚度折减为0.85。地层土体及结构材料参数结合地质勘查报告整理后得到。
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三、计算结果分析
为探明隧道埋深对地表的影响规律，在隧桩净距为 4．2 m( 左线) 和 5．6 m( 右线) 时分别选取埋深为 12 ( 2D) 、15 ( 2． 5D) 、18 ( 3D) m 3 种情况下的地表沉降、桥梁梁体及轨道结构位移和桩基位移进行分析。
1、地表沉降分析。盾构隧道在开挖过程中势必会引起不同程度的地层损失，反映至地表即表现为地表沉降。隧道埋深分别为 12、15、18 m，左右线先后贯通时沿梁体结构纵轴线断面的地表沉降结果如图所示。
分析可得，隧道贯通后工况下地表沉降形态均呈“V”型，而当隧道双线贯通后，由于地层损失的叠加效应使得地表沉降呈现出“W”型分布规律，此时地表沉降最大值均位于左线隧道拱顶附近，且随着隧道埋深的增大依次减小，其量值分别为 12． 18( 2D) 、11． 77( 2． 5D) 、11． 02( 3D) mm。与拱顶处地表沉降变化规律，墩台处地表沉降随隧道埋深的增大反而表现出增大的趋势。
2、桥梁梁体及轨道结构位移。分别提取 12、15、18 m 3 种埋深条件下，单线贯通与双线贯通时的桥梁梁体位移值，最大竖向、水平位移。随着隧道埋深的增加，梁体最大沉降及横向、纵向位移均呈现逐渐增大的趋势。隧道贯通后梁体结构纵向位移最大值位于 墩台上方，当隧道右线贯通后，梁体由于土体扰动，会产生偏向隧道侧的纵向位移，但随着双线的贯通，因左线掘进对梁体结构纵向位移影响与右线掘进影响方向相反，引起梁体纵向位移的减小; 随着隧道埋深的增加，梁体结构最大纵向位移幅值略微增加，埋深为 18 m 时，最大纵向位移为 0．43 mm。与纵向位移变化趋势不同的是，由于左右线先后贯通，梁体结构横向位移值产生正向叠加，因此幅值相比单线贯通情况明显增大。当右线贯通后，不同埋深下钢轨竖向位移最大值均位于墩台中心线左侧 5 m 处; 当双线贯通时，竖向位移最大值点向墩台中心偏移，整个开挖过程中钢轨最大沉降均未超过 4 mm; 同时，由于轨道结构竖向位移主要受梁体的竖向位移影响，因此随着隧道埋深的增大，轨道结构竖向位移明显增大，这表明一定范围内隧道开挖对轨道结构的影响会随着隧道埋深的增大而增大。
3、桩基位移。既有桩基在长期的外部荷载及排水固结过程中已经逐渐处于平衡状态，当隧道下穿施工过程中，势必会引起桩基附近地层扰动，从而产生附加变形与附加内力。由于盾构的施工对2号桩基结构产生显著影响，而对两侧桩基受施工影响甚微，因此仅对桩隧净距分别为 4.2 m( 左线) 和 5.6 m( 右线) 条件下，隧道埋深为 12、15、18 m 时墩台的桩基位移。
通过盾构隧道掘进过程中桩顶水平位移变化情况，当盾构逐渐靠近桥梁桩基时，由于刀盘顶进力的作用，开挖面附近土体将向背离隧道的方向运动，靠近开挖面的桩侧土体压力显著增加，使得桩基中部发生远离隧道方向的水平位移; 同时，隧道的扰动作用还将引起隧道上方土体位移，从而使上部分桩基向隧道一侧发生移动。在两者综合作用下，桩基上半部分向隧道开挖侧偏转，引起纵向水平位移逐渐增大，且隧道埋深越大，桩基的偏转作用越明显。当隧道左右线开挖面分别到达桩基位置时，桩顶纵向水平位移均达到最大值，隧道掘进中埋深下最大纵向水平位移分别为 128( 2D) 、1．41 ( 2． 5D) 、1．74( 3D) mm。当隧道开挖面逐渐远离桩基轴线时，刀盘顶进力对桩基附近土体影响减弱，桩基中部土压力随之减小，桩顶逐渐向相反方向移动，并趋于稳定，当隧道贯通时，桩顶水平位移明显小于最大位移量值。随着隧道穿越施工过程中顶进力作用的由强到弱，桩顶沿隧道轴线方向的横向水平位移也呈现先增大后减小的趋势，且随着隧道埋深的增加，其量值变化也越明显。
本文通过地铁区间盾构穿越铁路桥梁工程为依托，对 2D、2. 5D、3D 这 3 种埋深下盾构隧道下穿既有铁路桥梁时梁体结构、轨道线路及桩基位移等进行了研究，并结合现场数据进行验证。在确保地表沉降满足安全限值的情况下适当调整隧道埋深，这对盾构隧道侧穿桥梁桩基施工及建筑物的沉降控制是有利的。
论文作者: 李磊
论文发表刊物:《城镇建设》2020年2月4期
论文发表时间:2020/4/23
标签：隧道论文; 位移论文; 桩基论文; 盾构论文; 桥梁论文; 结构论文; 地表论文; 《城镇建设》2020年2月4期论文;