盾构隧道近距离侧穿高架桥桥桩风险分析论文_李潇

摘要：城市地铁隧道开挖不可避免地要封闭地下通道，侧通施工（结构）。为了保证地铁隧道开挖和上部施工的安全，有必要对地铁隧道开挖过程中既有工程的桩基结构变形进行研究。

关键词：盾构隧道；净距离侧穿；数值模拟；高架桥

1 工程概述

某地铁区间隧道工程采用复合土压平衡盾构施工。本节设夏店路高架桥，右侧距离DK16+769.686 ~右侧距离DK16+869.510（主墩中心距离）。右线与旧高架桥桩的最小净距为3.06m，左线与新高架桥桩的最小净距为2.89m。区间在里程左DK16+908.310、右DK16+899.127（主桥墩中心里程）侧穿妙峰路高架桥，区间右线距高架桥桥桩最小净距15.89m，左线距高架桥桥桩最小净距仅2.84m。下穿高架桥洞顶土层主要为杂填土、填石、淤泥、粉质黏土、强风化花岗岩、微风化花岗岩。盾构区间隧道洞顶覆土19.8～22.2m，此区间车流量较大，地表沉降控制要求严格，隧道距离桥墩不足一倍洞径，盾构侧穿高架桥期间容易造成地表沉降过大，桥墩沉降、变形过大甚至出现裂缝，影响上部结构车辆运行。区间隧道与高架桥相互关系见图1～图3。区间隧道采用2台复合式土压平衡式盾构机进行掘进。

图2 区间隧道与上下店路高架桥剖面关系

隧道结构采用预制C50管片，外径为6.2m，内径为5.5m，管片厚度为350mm。

2 数值模拟计算建模

2.1 几何模型

根据地质资料、工程经验和理论分析，对该工程采用MI-DAS/GTSNX建立有限元模型分析隧道开挖地表沉降和高架桥桥桩及承台的沉降变形情况，所取土体范围为250m×398m×106m（X×Y×Z），在此区域模拟一个土层及区间隧道模型。地层采用实体单元模拟，三维有限元计算模型共61815个单元，10759个节点。模型不考虑地下水的影响，且初始应力场设置为自重应力。为了符合实际的施工，将盾构推进简化成一个非连续的推进过程，盾构推进实际上是盾构刚度及荷载的迁移，用改变单元材料类型和参数的方法反映盾构的推进过程，而每一次向前推进的过程中，盾构周围土体受力状态也发生变化。模拟计算前，先在模型里预设隧道开挖土体、盾壳单元、管片单元及注浆体单元。盾构推进时假设盾构一步一步跳跃式向前推进，每次向前推进一定长度，隧道土体开挖后及时改变相应单元的材料模型和参数来模拟管片拼装和同步注浆，模型不考虑盾尾空隙的存在，亦不考虑地面和桥墩的行车荷载。计算模型底部约束水平和竖直方向位移；模型两侧约束水平位移。

图5 上下店路桥桩与盾构隧道位置关系

2.2 力学模型及参数选取

计算时，地层采用Mohr－Coulomb塑性模型；管片采用各向同性弹性模型。土层参数及荷载按以下原则选取：

（1）粘聚力、内摩擦角、重度按岩土详勘报告中的物理力学指标进行设置。

（2）当地下水位较高，按土层饱和状态考虑。

（3）弹性模量以过往工程经验，以岩土详勘报告中土的压缩模量进行设置。

（4）盾构刀盘推力按静止土压力的1.1～1.2倍进行设置，取160kPa。

（5）桥梁自重及行车荷载等效为静力均布荷载施加于承台。

2.3 计算工况

模型中忽略构造应力将初始应力场视为土体自重应力场，只施加自重荷载，土体处于平衡状态后位移清零。假定在隧道开挖施工前，土体自重及上覆土层固结沉降已完成。桥梁自重和行车荷载在初始应力场前施加。

3 计算结果及分析

3.1 计算结果分析

图7～图10为区间左线、右线在模拟范围内分别贯通后桥梁承台的水平位移及竖向位移云图。图11为沿铁路路基纵断面竖向位移云图。

图10 妙峰路高架桥承台竖向位移

经计算，区间隧道施工时引起的上下店路高架桥梁承台行最大水平位移0.54mm＜3mm，最大沉降位移为3.37mm＜15mm，纵向相邻桥梁墩台最大差异沉降值1.42mm＜2mm，满足要求。区间隧道施工时引起的妙峰路高架桥梁承台最大水平位移1.37mm＜3mm，最大沉降位移为0.16mm＜15mm，纵向相邻桥梁墩台最大差异沉降值1.79mm＜2mm，满足要求。

3.2 施工建议

根据以上数值分析结果，提出如下施工建议：

（1）目前国内盾构施工技术能够保证在铁路运营与安全不受影响的前提下顺利完成下穿铁路隧道的施工。

（2）该盾构隧道采用复合式土压平衡盾构，在穿越桥桩前建议100m试验段，根据试验段制定穿越桥桩的最佳施工参数，优化最佳施工参数，保证开挖面稳定，加强同步注浆与必要的补压措施，来控制桥梁桩基的沉降。

（3）施工中应注意对盾构机姿态进行控制，确保盾构按照设计线路推进，随时调整盾构施工参数，减少盾构的超挖和欠挖，以改善盾构前方土体的坍落或挤密现象，降低地基土横向变形施加于桩基上的横向力。

（4）采用同步注浆，减少盾尾通过后隧道外周围形成的空隙，减少隧道周围土体的水平位移及因此产生的对桩基的负摩阻力，及时进行二次注浆。

（5）采取一切必要的技术措施，确保盾构在通过桥桩段过程中不停机或更换刀具。

（6）加强监测，采取相应措施，包括对高架桥桩基的变形、沉降的监测，如桥桩或土体发生较大变形应及时反馈设计、施工单位以调整施工参数或采取必要的地面加固措施。

结束语

从复杂的工程实际出发，通过Midas有限元程序建立三维模型，模拟盾构开挖施工过程，得到盾构侧跨高架桥桥帽沉降结果：

（1）盾构法在全风化和强风化地层下穿通既有构筑物时，对周围土体扰动影响不大。

（2）高架桥桥帽沉降量小，满足控制要求。在不采取加固措施的情况下，选择合理的盾构推进参数，盾构隧道可以安全通过高架桥桥台桩基。

（3）盾构掘进机在对既有结构进行掘进时，应采取加固措施，避免长时间停工，减少盾构掘进方向修正，严格控制掘进参数，及时布置二次注浆和加密监测点。

参考文献：

［1］李彪.盾构隧道施工对地层及邻近桥梁桩基的影响研究［D］.长沙：中南大学，2013.

［2］梅文胜，陈雪丰，周小波，等.盾构下穿既有隧道实时监测及其风险控制研究［J］.武汉大学学报（信息科学版），2011，36（8）：923－927.

论文作者:李潇

论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期

论文发表时间:2020/1/18

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