TBM隧道下穿市政桥梁施工变形规律研究

2020-03-30韩宇聪朱仁军

水利与建筑工程学报 2020年1期

郑扬，武科，孙杰，韩宇聪，朱仁军，陈榕

(1.山东大学土建与水利学院，山东济南 250061；2.东北电力大学，吉林吉林 132012)

地下空间的开发和利用，隧道结构将频繁的下穿城市繁华的街道及重要建筑物，城市地铁隧道的施工不可避免的会下穿既有建筑结构，而隧道的开挖往往会引起地层的变形，进而导致上部建筑结构的不均匀变形，当变形超过一定安全限值时，将造成上部建筑物产生裂缝甚至倒塌等一系列的安全问题[1-2]。

针对地铁隧道施工对上部既有结构产生的一系列安全问题，国内外有关专家进行了大量的研究。王占生等[3]针对盾构施工对周围建筑物的安全影响进行了评估，并且对盾构施工掘进过程中对邻近既有结构的影响程度进行了预测，提出盾构通过建筑物时可以通过隔断法、土体加固等措施来减小施工的影响。许爱峻[4]以北京地铁十号线莲花桥下穿既有桥梁为例，探讨了PBA工法暗挖车站施工对下穿立交桥安全影响。Wu等[5]以黄土地区第一条浅埋隧道穿越既有铁路车站为例，分析了四种不同开挖方法对既有结构变形的影响，得出步长越小，空间越大，上半段核心土保持在50%左右最有利于控制轨道沉降的结论。袁伟等[6]针对天津地铁2号线，分析了盾构侧穿对地表沉降的影响，得出了盾构侧穿会导致原有隧道周围土体会向上隆起，减小地表的沉降。裴学斌等[7]以重庆地铁十号线下穿渝怀铁路隧道为工程背景，研究了新旧隧道之间的相互影响。孙鹤明等[8]以重庆轨道环线区间隧道下穿既有结构为背景，对复合地层双线TBM隧道施工影响下围岩及既有结构的沉降变形规律进行了深入的研究，得出右线开挖引起的建筑物沉降远大于左线引起的沉降，TBM施工对建筑物桩基的变形受力影响与其距隧道中线距离密切相关。白明洲等[9]以北京地铁10号线苏州街车站为例，利用FLAC3D建立数值模型，分析暗挖车站周围土体的沉降量与变形量。

但是目前针对新建隧道不同角度下穿既有市政桥梁过程中，对于既有结构应力应变以及地表沉降的研究相对较少。为此，依托青岛地铁1号线海泊桥站到小村庄站区间TBM隧道下穿市政桥梁工程，利用FLAC3D数值模拟分析软件与现场施工监测相结合的方法，分析了两种不同工况下对既有桥梁结构的受力及变形规律，并进行对比与分析[10-15]。

1 工程实例

1.1 工程概况

区间从海泊桥沿人民路向北至穿过南宁路、抚顺路，下穿人民路立交桥，进入小村庄车站。区间右线起止里程为：YSK39+491.675—YSK40+533.150，右线长度1 061.475 m，区间左线起止里程为：ZSK39+491.675—ZSK40+533.150，左线长度1 061.119 m。下穿人民路立交桥区间采用TBM单洞单线圆形断面隧道，结构内径5.4 m，外径6 m。管片衬砌，管片厚度300 mm，每环宽1 500 mm，采用错缝拼接。隧道顶部埋深19 m，主要穿越土层为强风化花岗岩。新建隧道与人民路立交桥剖面位置如图1所示。

图1 相对位置关系图

1.2 工程地质水文条件

本区间地貌类型主要为剥蚀斜坡地貌及山麓斜坡堆积山间凹地地貌。剥蚀斜坡区，地形略有起伏，覆盖层以第四系填土层为主，山麓斜坡堆积山间凹地区，地形较为平坦，上覆第四系冲洪积粉质黏土层、中粗砂及含粉质黏土砾砂，下伏基岩均以燕山晚期花岗岩为主，局部侵入煌斑岩、细粒花岗岩及花岗斑岩岩脉，受构造影响各地层的力学性质变化较大隧道主要位于中、强风化岩层中，地下水富水性整体为贫，在构造裂隙发育地段透水性相对较好，水量相对较大，但汇水条件相对较差。从区域地质构造特征、新构造运动、历史地震背景、不良地质作用及特殊岩土等条件分析，区域性场地相对稳定。

2 计算模型及参数确定

2.1 建立模型及初始条件

综合考虑区间土体分层及新建隧道与立交桥的位置关系，建立三维数值模型，左右线间距8 m。考虑由洞室开挖引起的围岩影响范围，因此计算模型的三维尺寸取为70 m×50 m×50 m，如图2(a)所示。假定土体为均质土层，土体采用八节点六面体模拟，土体本构模型Mohr-Coulomb模型，土体开挖采用null模型。青岛地铁1号线海泊桥站到小村庄站区间如图2(a)所示，模型共划分38 413个节点和98 342个单元；4号线鞍山路站到错埠岭站区间如图2(b)所示，模型共划分36 586个节点和91 515个单元。两个模型四个侧面边界条件均为法向约束，底部全约束，地表采用自由边界，模型如图2所示。

图2 数值计算模型

青岛地铁1号线海泊桥站到小村庄站区间与4号线鞍山路站到错埠岭站区间，TBM分别为正交下穿人民路立交桥与顺桥向下穿杭鞍高架桥，因此建立两种不同角度下穿的数值计算模型。

2.2 土层及相关支护结构力学参数

土层及相关支护材料的力学参数，根据现场施工的地质勘探报告详细参数如表1所示。

表1 材料物理力学参数

2.3 施工方法模拟

具体施工计算方法如下：

针对新建隧道不同角度的下穿对于桥梁的影响，建立新建隧道正交下穿市政桥梁与沿桥向下穿两种不同工况进行数值模拟。

(1) 计算自重应力，建立计算初始应力场。

(2) 其位移及塑性区清零。

(3) 先行开挖左线，每部开挖3 m，间隔12 m进行管片支护。

(4) 后行开挖右线，与左线间隔12 m。

(5) 开挖下穿既有市政桥梁。

3 数值模拟计算结果分析

基于建立的模型，分别针对两种不同工况进行了数值计算，并将对应力场及位移场进行对比分析比较，计算结果如下。

3.1 不同下穿角度应力场结果分析

图3为不同角度开挖完成后桥梁的竖向应力分布云图。由图3可知：

(1) 当沿桥向开挖时，桥面板主要承受拉应力，最大拉应力约为0.205 MPa，桥墩主要承受压应力，最大压应力约为1.86 MPa。

(2) 新建隧道正交下穿桥梁开挖完成，桥面板承受的最大拉应力约为0.426 MPa，桥墩也承受较大的压应力与部分拉应力，最大压应力约为3.78 MPa。

图3 桥梁竖向应力云图

(3) 相比前者，最大拉应力增大了108%，最大压应力增大了103%。正交下穿对桥梁的扰动要远远大于沿桥向下穿，这是因为新建隧道正交下穿桥梁，导致正上方桥面板大幅度隆起，而桥梁两侧阻止正上方桥面板发生隆起变形，在分界点处产生应力集中现象，使得越靠近隧道的桥面板应力值越大，传递不规则，说明该区域为隧道开挖的主要扰动区。当隧道轴线与桥中心线一致时，此时随着隧道开挖，桥面板应力分布相对比较均匀。

图4为不同角度开挖完成后桥梁的最大应力分布云图。由图4可知：

(1) 两种不同工况下，其最大主应力多都集中在跨中及桥墩附近。

(2) 新建隧道正交下穿桥梁，桥梁最大主拉应力约为1.83 MPa，最大主压应力约为0.298 MPa；新建隧道沿桥向下穿桥梁最大主拉应力约为0.761 MPa，最大主压应力约0.203 MPa。

(3) 相比正交下穿，最大主拉应力减小了约58.4%，最大主压应力减小73.3%。两种不同工况下，桥梁跨中位置与支座处依然是应力集中区域，桥梁易发生开裂，在施工中要对桥墩及其周围土体进行加固。

图4 桥梁最大主应力图

3.2 位移场分析

TBM开挖对于既有建筑结构的位移影响主要为竖直方向的隆起或者沉降，因此本文仅针对其竖直方向的位移加以分析并对沿桥向开挖过程中桥面板与桩基设置监测点。

如图5所示，对于沿桥向开挖，因TBM在不断掘进过程中，需要依靠左右撑靴作用在土体壁面上的提供前行的动力，桥墩附近土体有轻微的隆起，最大隆起值约为3.75 mm。隧道拱顶呈沉降趋势，因对土体已经施加了初衬，因此开挖完成后沉降值约为0.360 mm。桥面板的隆起值趋势最大，且多集中在桥面板两端，最大值约为4.50 mm，跨中隆起值约为3.75 mm。而对于新建隧道正交下穿既有桥梁，桥面板竖向位移最大值约为8.97 mm，最小值约为2.50 mm，左线隧道开挖对于桥梁的扰动远远大于右线隧道开挖，该区域处于危险状态，此时桥面板易产生开裂，在施工时要加以注意，可以采取加固桥台附近地层，扩大基桩承台，在新建隧道与桥梁基础之间施作隔离墙等措施。但均满足一般规定盾构施工引起的允许地面沉降值约为30 mm，隆起值为10 mm的要求。根据现场试验，桩基土压缩系数a1-2为0.28 MPa-1，为中压缩性土，满足建筑结构允许沉降值0.002L=28 mm(L为相邻桩基的距离mm)。

图5 竖向位移云图

建筑物的沉降变化主要是通过提前对建筑物设计监测控制点，对整个区间段实施沉降全程监测。如图6(a)所示，当隧道左线开挖到12 m时，桥面板的隆起值达到最大，约为5.60 mm，此时右线再开挖12 m，桥面将有一定程度的下沉变形，隆起值最大约为4.25 mm，减小了约24.1%，最后隆起值渐渐趋于一个稳定值。在右线隧道开挖过程中，将会对左线隧道上方的桥面板有一定的卸载作用，土体应力释放，这将会导致整个桥面板的隆起值均有一定程度减小。

由图6(b)知，开挖过程中，边桩的变形量最大，最大值约5.40 mm，而跨中桩最大值约4.70 mm，因此在工程施工前，可以采取一些适当的措施加固桥墩，对于变形量较大的边桩，可以采取桩基托换的方法。从图中也可以看出，双线隧道的开挖对于跨中桥面板的影响最小，而桥两端变形较大，值得注意，但变形值都在安全允许范围之内。