地铁盾构隧道施工对拱桥桥墩的影响分析

2014-09-27文继涛

城市道桥与防洪 2014年8期

李鸣，文继涛

（自贡市城市规划设计研究院有限责任公司，四川自贡 643000）

0 引言

目前盾构法已成为城市地铁建设的主流施工方法,盾构法施工往往会引起周围地层移动,即使采用当前最先进的盾构技术,也难以完全防止这些移动[1]。地层移动一方面在地表引起不均匀沉降,另一方面直接引起地下接近结构物的变位及附加应力,保证盾构机掘进过程周围建筑物的安全性非常重要[2]。城市地铁区间盾构隧道将穿越护城河拱桥，该桥为单跨拱桥，桥长32 m,桥面宽37 m,基础厚3 m,为台阶形扩大基础,桥墩为M5水泥砂浆砌城砖,拱部为M20水泥砂浆砌成砖拱。地铁盾构隧道施工必然会对护城河拱桥桥墩造成影响,分析盾构机掘进过程中,拱桥桥墩的变形和应力的变化情况,这对指导盾构施工具有一定参考价值。

1 有限元模型

本次分析采用大型通用有限元软件ANSYS进行,在有限元模型中根据模拟对象特点选用不同的单元。其中盾构隧道(包括管片结构和注浆层)、地层和拱桥桥墩采用空间8节点实体单元Solid45模拟,护城河拱桥拱圈结构采用三维壳单元Shell63模拟。

1.1 模型概况

本段盾构区间隧道主要在古壤土和老黄土地层中穿过，下部地层为古壤土,而护城河拱桥基础位于新黄土地层上，护城河河道宽18 m,河流两岸有厚度为7 m的素填土。两条隧道中心间距为24 m。其中，右线隧道从拱桥正下方传过，拱顶距离桥墩垂直距离约为13 m。建立的有限元模型及空间关系见图1，该模型长74 m,宽72 m，高47 m,共16 520个单元。其中左线隧道先贯通，右线隧道后贯通。

图1 三维有限元模型

1.2 荷载及材料参数

在盾构隧道-地层-桥梁结构系统的有限元模型中,施加的荷载主要包括下面三个方面:

（1）拱桥结构上的荷载:包括静载和活载,其中静载为拱桥结构的自重,活载为桥上的车辆及行人,通过在静载上乘以一系数来体现。这些荷载通过计算转换为节点力作用到桥面上。

（2）河床上的水位荷载:通过施加到的河床上面力来模拟,河床水位取为3 m。

（3）盾构机顶进力:通过向开挖面施加一定的面力来模拟。

盾构隧道管片衬砌结构是通过螺栓将单个管片连接在一起的整体结构,采用均值体等效管片衬砌时,需乘以一刚度折减系数,在横断面内该系数通常取0.6～0.8[3-4]。各参数的详细取值见表1。

1.3 计算工况约定

盾构的施工是一个相当复杂的过程,包括刀盘掘削土体、盾构机推进、管片拼装及盾尾注浆[5]等。模拟过程主要分为两步:（1）开挖的土体单元,并对开挖轮廓线上的地层进行应力释放,同时掘削面施加顶进压力;（2）在保持顶进压力不变的同时,完成剩余应力的释放,并激活管片衬砌和注浆层[6]。根据掘削面的不同位置沿隧道掘进方向共划分了15个工况,见图2及表2。

表1 土体和材料参数表

图2 掘削面计算位置示意图

表2 计算工况表

2 计算结果分析

2.1 盾构施工对桥墩沉降的影响

由于左线隧道距护城河大桥基础的距离较远,水平近距约为9 m，大桥基础基本上位于隧道开挖引起的沉降槽之外。但右线隧道则不同,它与桥墩基础的净距较小，在横断面上护城河大桥桥墩基础部分位于右线隧道开挖引起的沉降槽之内，见图3。

图3 地表沉降示意

根据计算结果可知,桥墩的沉降主要在右线隧道开挖时产生,故这里仅分析右线隧道开挖时不同工况下各桥墩的沉降,见图4。可以看出,各桥墩均在盾构隧道建成后(工况2)达到沉降的最大值,桥墩产生最大沉降的位置均位于紧邻隧道的一侧。其中河床左边的桥墩A最终沉降值为-6.59 mm,河床右边处桥墩B的最终沉降值为-3.457 mm。桥墩沉降主要在右线盾构隧道掘削面通过时产生,而且随着掘削面的不断推进,各桥墩自身的不均匀沉降逐渐增大,在右线隧道贯通后达到最大值,其中A墩的最大不均匀沉降为7.48 mm,由于不均匀沉降引起的最大坡度为0.202‰。

图4 桥墩A的沉降曲线

2.2 盾构施工对护城河大桥受力的影响

由于隧道施工引起的地层沉降使得护城河大桥基础产生如图4所示的变形,在这样的变形作用下,桥墩的上部分必然引起压应力减小甚至产生拉应力(X方向)的情况,而桥墩的下部分则引起压应力增大。隧道贯通后各桥墩X方向应力有所改变。A墩和B墩因隧道开挖引起的下部最大压应力增量为0.87 MPa,引起的桥墩上部最大拉应力增量为0.07 MPa,位于隧道侧拱圈与桥墩的连接处。其中隧道建成后两桥墩的应力变化见图5。