新建桥梁对下方既有隧道变形影响分析

尹 亮

(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津 300000)

随着城市道路建设的不断完善,加之轨道交通线网分布越来越密集,不可避免地会出现新建道路桥梁与既有轨道交通区间隧道相交或者临近的情况。桩基作为桥梁一种常见的基础型式,其施工会对邻近隧道结构产生位移,桩基对下方区间隧道的影响主要有如下两点[1-2]:①桩基成孔过程会扰动附近的土层,改变土的应力状态,使桩周一定范围内的地下隧道产生位移和变形。②桩基础施工结束后,上部结构荷载施加后,通过桩基础向下传递,引起下部地下结构附加变形和不均匀沉降。总的来说,桩基工程会对下部隧道结构造成扰动,这个过程可能对既有区间隧道产生不利影响,例如拉伸、挤压以及剪切破坏等。目前针对桩基施工对邻近区间隧道影响国内已有相关研究成果[3-6],但主要聚焦于区间隧道相邻工程,针对区间隧道正上方项目工程研究相对较少,本文结合实例对此进行研究。

1 工程概况

梧桐路桥梁总长33 m,总宽45 m,桥梁横断面对称分为2幅桥,单幅桥宽21 m,两中幅桥中间设置3 m镂空带。上部结构形式均采用(10+13+10)m三跨连续现浇钢筋砼箱梁,梁高0.7 m,桥梁桩基位于区间隧道正上方,如图1所示。

桥台采用重力式桥台,桥墩采用柱式墩,基础采用承台桩基础,承台尺寸为1.5 m×4.0 m(高×宽),承台下设置双排直径0.8 m的钻孔灌注桩基础,桩长为10 ～12 m,桩底进入中风化砂岩,如图2所示。

图2 桥梁与区间隧道位置关系(纵断面)

其中,桥台桩基与区间隧道的最小竖向距离为11.99 m,如图3所示;桥墩桩基与区间隧道的最小竖向距离为11.06 m。

图3 桥台桩基与区间隧道位置关系(纵断面)

根据地质勘察资料显示,桥梁自地表以下地层主要为:1-2b2-3素填土、4-2b2粉质粘土、4-3b1-2粉质粘土、4-4e1含卵砾石混合土、J1-2xn3-2强风化砂岩、J1-2xn3-3中风化泥质砂岩(破碎)、T2H-3S中风化砂岩。其中既有区间隧道主要处于T2H-3S中风化砂岩中,隧道纵坡3‰,隧道埋深约18.9 m;桥桩桩底位于J1-2xn3-3中风化砂岩(破碎)和T2H-3S中风化砂岩。各土层具体物理力学参数如表1所示。

表1 土体物理力学参数

2 区间隧道状态

根据初始状态普查扫描成果和变形监测数据,工程影响区段内(DK37+440)区间隧道累计最大沉降值为6.8 mm,沉降速率为4.09×10-3mm/d,如图4所示;区间隧道累计收敛最大值为2.08 mm,收敛变形速率为1.25×10-3mm/d。区间隧道的沉降、上浮、收敛及对应的速率均在结构标准永久变形范围内,该区段上、下行线隧道结构处于安全状态,整体区间结构变形稳定。

经现场踏勘,盾构隧道现状运营良好,无裂缝、无明显渗漏水状况,如图5所示。

3 MADIS数值影响分析

3.1 计算模型

本文利用MIDAS-GTS软件建立数值模型,模型尺寸为250 m(长)×240 m(宽)×60 m(深),共划分65 967个网格单元,40 170个节点,其中桥梁、区间隧道周边土体进行重点细分,采用摩尔-库伦计算准则,如图6～图7所示。管片采用壳单元,弹性本构模型;模型单元中土体采用平面单元,柱、桩、梁、支撑采用线弹性模型。模型边界条件采用x向、y向约束,底部采用竖向约束,上表面为自由截面,结构材料参数如表2所示。

图4 隧道初始沉降变形曲线

为真实反映桥梁桩基施工过程对下部区间隧道的影响,模拟步骤与实际开挖步骤一致,具体如表3所示。

3.2 结果分析

3.2.1 隧道影响分析

(1)图8～图9为桥梁施工前后下部区间隧道弯矩变化影响云图。在桥梁施工前地铁区间隧道衬砌存在的弯矩最大值为+119.12 kN·m,最小值为-126.11 kN·m。桥梁施工完成之后,衬砌受到的弯矩最大值为+156.99 kN·m,最小值为-169.10 kN·m。相当于桥梁施工期间弯矩最大值增加了37.87 kN·m,最小值增加了42.99 kN·m。经复核,区间隧道配筋强度满足要求,说明桥梁施工对下部区间隧道受力存在一定影响,需验算其配筋强度。

图5 区间隧道现场工况

图6 桥梁上跨隧道整体几何模型 图7 箱涵与区间隧道关系

表2 材料特性

表3 数值模拟步骤

(2)图10为桥梁施工不同阶段下部区间隧道变形图。由图10可知,对区间隧道竖向变形而言,承台基坑开挖、桩基成孔阶段均对下部区间隧道呈整体上浮影响趋势,主要由于开挖、成孔卸载后,引起下部土体向上变形趋势,继而引起下部区间隧道变形。考虑承台基底与区间隧道顶净距相对较大,承台基坑开挖阶段引起下部区间隧道上浮量相对较小,仅为0.718 mm;但桥梁桩基成孔阶段,下部区间隧道上浮量明显增加,达到1.838 mm,说明桩基成孔对下部区间影响不容忽视。主要原因有:①桩底与区间隧道顶净距约为2D(D为区间隧道洞径),竖向净距相对较小,桩基成孔引起荷载卸载,周边土体应力释放重新分布,对下部区间隧道易产生影响;②桥梁承台下桩基数量多,桩基成孔叠加影响效果引起影响范围和影响量均会较大。和前两个阶段不同,施加上部结构荷载属于加载过程,产生向下变形,继而降低前期下部区间隧道上浮量(变为1.132 mm),但减小量较为有限,区间隧道仍呈以上浮趋势。

图8 隧道初始弯矩云图 图9 桥梁施工完成后隧道弯矩云图

图10 桥梁施工不同阶段下区间隧道变形

桥梁施工阶段对下部区间隧道水平变形影响较为有限,从承台开挖、桩基成孔、施加上部结构荷载三个阶段来看,区间隧道水平变形变化量较小。

桥梁施工阶段对下部区间隧道收敛变形影响与竖向位移趋势较为类似,但数值上仅为竖向位移的0.5倍。

可以看出,桥梁整个实施过程,桩基成孔阶段对下部区间隧道影响较大。

3.2.2 净距影响分析

桩基成孔对下部区间隧道主要变形影响为竖向位移。图11为下部区间隧道竖向变形随桩基成孔桩底与下部区间隧道竖向净距变化曲线。由图可知,随着两者竖向净距增加,桥梁桩基施工对下部区间竖向变形影响不断减弱。当两者竖向净距为0.5D时,桥梁桩基成孔阶段引起下部区间隧道竖向变形达到9.19 mm,施加上部结构荷载阶段下部区间隧道变形为5.66 mm,根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202-2013)区间竖向上浮量控制标准(≤5 mm),已超出规范允许值。当两者竖向净距为1D时,桥梁桩基成孔阶段引起下部区间隧道竖向变形为3.676 mm,上部荷载施加后变为2.264 mm,相比0.5D净距下,桩基成孔和施加上部结构荷载阶段对下部区间隧道竖向影响变形减小约60%。当两者竖向净距为2D时,桥梁桩基成孔阶段引起下部区间隧道竖向变形为1.838 mm,上部荷载施加后变为1.132 mm,相比1D净距下,桩基成孔和施加上部结构荷载阶段对下部区间隧道竖向影响变形减小约50%。当两者竖向净距为3D时,桥梁桩基成孔阶段引起下部区间隧道竖向变形为1.470 4 mm,上部荷载施加后变为0.905 6 mm,相比2D净距下,桩基成孔和施加上部结构荷载阶段对下部区间隧道竖向影响变形减小约20%。

图11 不同竖向净距下区间隧道竖向变形

可以看出,下部区间隧道竖向变形随桩基成孔桩底与下部区间隧道竖向净距增大而减小, 0.5D～1D减小幅度60%、1D～2D减小幅度为50%、2D～3D减小幅度20%,继续增大竖向净距作用已不明显,综合结构安全和经济效益,两者最优竖向净距宜控制在1D～2D。

4 监测变形

4.1 变形监测内容

结合桥梁与区间隧道位置关系、区间隧道初始状态以及地质条件情况,根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》相关规定,综合确定桥梁施工影响等级为一级。桥梁施工期间,采用自动化监测的手段进行数据采集,对区间隧道垂直位移、水平位移、相对收敛值进行实时监测,监测控制标准如表4所示。

4.2 监测结果

桥梁施工期间区间隧道变形监测数据(见表5)显示,桩基成孔阶段对区间结构影响最大,下部区间水平位移最大值为0.50 mm,竖向位移最大值2.00 mm,最大收敛变形0.88 mm。监测数据结果与MADIS数值模拟情况较为接近,也证明数值模拟能较好的反映施工过程对区间隧道的影响。

表4 监测控制标准值 mm

表5 区间隧道累计变形值 mm

5 结论与建议

(1)桥梁施工期间对下方区间隧道影响以变形为主,对其结构弯矩受力也存在一定影响,需验算其配筋强度。

(2)桥梁施工期间,下部区间隧道变形呈上浮趋势,其中桩基成孔阶段对下部区间隧道变形影响最大。

(3)下部区间隧道竖向变形随两者竖向净距增大而减小, 0.5D～2D降幅效果显著,>2D后降幅效果不明显。

(4)综合结构安全和经济效益,桥梁桩基底与下部区间隧道最优竖向净距宜控制在1D～2D。