砂卵石地区盾构下穿某拱肋梁桥数值分析

沈奇

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200072）

0 引言

近年来，国内主要城市地铁建设规模越来越大，盾构区间穿越重要建、构筑物的案例也越来越多。盾构掘进过程中，土体的卸载作用使得其周围岩土体的初始应力场受到破坏进而产生应力重分布。岩土中应力的变化使得土体颗粒相互挤压或移动，最终体现为上部建、构筑物及地面的沉降和侧向位移。境内外很多专家学者前期对上述各种相似工况开展了研讨、论证，并获得了某些研究结论，但基于城市地质情况复杂多变的特点，以及不同的周边环境，盾构下穿引起的上部建、构筑物的变形及应力变化规律也会有所不同，因此采取的加固措施也不尽相同。

文中立足于成都市某条地铁线路中的某个区间工程，探讨砂卵石地区盾构下穿城市某拱肋梁桥的加固设计，利用有限元分析软件模拟穿越前预加固工况及盾构掘进工况，分析了在采取预加固措施条件下盾构掘进对桥梁产生的影响，为相似工程提供借鉴和指导。

1 工程概况

成都市某地铁区间下穿一处拱肋梁桥，该桥桥台为重力式桥台，持力层为中密砂卵石层，桥型为单跨钢筋混凝土中承式拱肋桥。该拱肋梁桥桥台底埋深约12.44m。

工程场地标高为500.45～500.58m（1956成都高程系），地形地貌较为简单，场地范围内上覆第四系人工填土层（1-1杂填土、1-2素填土）、第四系全新统冲洪积层（2-3黏质粉土、2-5砂卵石）组成，下伏基岩为白垩系上统灌口组泥岩（4-2强风化泥岩、4-3中风化泥岩）。盾构下穿桥台区段掘进地层以2-5砂卵石及4-2、4-3泥岩为主。

桥梁所跨越地表河流为成都市某主要河流，该河流河床较平坦，河面宽度约50m，河水面坡降不大，低于现河岸地坪标高约3.0m；该河段河水流速为1m/s左右，流向由北向南，岸坡由浆砌条石砌筑。场地地表水均属于四川西部平原岷江水系，具有较多的地表水径流，是该地区地下水、地表水和河水之间转化的主要方式。

根据成都地区水文资料、地下水的赋存情况，地下水存在以下几种不同类型：一是存在于黏性土、粉土层之上填土层的上层滞水；二是存在于第四系黏性土、粉土、砂土、卵石土层的孔隙潜水；三是存在于基岩裂隙水（基岩溶孔溶隙裂隙潜水）。

（1） 上层滞水。上部滞水以透镜体的形式分布在表面，并沉积在卵石层上方的填充层中，主要来源于降水和周边城乡居民的生活用水。水量变化大，且不稳定。

（2） 第四系孔隙水。场地卵石层厚且分层，有较多的孔隙水，水位也较高，主要来源于大气降水和区域地表水。孔隙水在卵石层中形成自由且贯通的水面。

（3） 基岩裂隙水。下伏基岩为白垩系灌口组泥岩，地下水主要存在于基岩裂隙中，含水量较小，但在岩层较为破碎的情况下，容易形成一个局部富水区域。根据相关水文地质资料和现有工程资料，渗透系数k 约为0.027～2.01m/d，平均为0.44m/d。属弱～中等透水层。勘察期间对钻探孔进行了潜水静止水位测量，地下水位埋深3.00～5.80m，水位年变化幅度约1～2m之间。区间卵石层渗透系数较大，水量比较丰富。

区间可采用的工法有明挖法、盾构法和矿山法。因区间线路埋深较深，若采用明挖法施工，需拆除桥梁、河流导改、交通疏解、管线改迁，工程造价较高且对周边环境影响较大，不宜采用明挖法施工。若采用矿山法施工，需进行施工降水至隧道底板以下1m，而开挖地层为强透水卵石层且与上方河道存在水力联系，无法实现上述降水目标，同时矿山法施工工期较长，对地面建构筑物的影响较大，不宜采用矿山法施工。盾构法施工能更好的适应地下水位较高、渗透系数较大的工程环境，且施工工期短、对地面建构筑物的影响较小，因此区间采用盾构法施工，与桥台竖向距离最小约12.6m，管片外直径为6m。

图1 某拱肋梁桥与地铁区间隧道位置关系

2 盾构法施工引起沉降机理

2.1 盾构法施工主要阶段

盾构施工按照工序主要分为3个步骤。第1步骤为土层开挖阶段，通过盾构机前端全断面刀盘的旋转，对开挖面上的土层进行切割；第2 步骤是管片拼装、注浆施工阶段：盾构机向前顶进某个行程量（即略大于管片宽度）后，可以进行管片的拼装及盾尾同步注浆。此时，由于盾体向前移动，此处地层土压力主要由盾尾到管片周边的同步注浆压力平衡；第3 步骤为盾尾剥离与管片阶段：管片与土层之间的注浆材料逐渐固化，强度增加。

2.2 盾构法施工导致地表变形的因素

盾构法施工导致地层表面隆沉是一个复杂的工程技术问题。具体情况来说，导致地层表面隆沉有多个因素：刀盘开挖面土体产生的移动、该处地下水位的下降；土体颗粒被挤压到盾体的尾部空间；盾构本体上下俯仰、左右摆动的变化；盾体在掘进过程中对周边土体产生摩擦力、剪切力；掘进施工造成该处水体流失从而造成土体固结；管片在受到较大的水、土压力作用下可能会产生的收敛变形；盾尾通过后，管片周边地层形成或大或小的孔隙，并且没有及时进行二次注浆作业。盾构掘进引起地层表面沉降发展的过程和不同发展阶段［1］见表1。

表1 盾构法施工引起地表沉降发展阶段

2.3 盾构法施工沉降曲线

盾构法施工引起的地层表面沉降表现出以盾构机为中心的扩散式分布。典型的地面沉降曲线如图2所示。

图2 盾构法施工沉降曲线

3 变形控制标准及变形测点布置

3.1 变形控制标准

在盾构隧道施工及相关辅助施工（如地基加固、跟踪注浆等）过程中，均应对隧道结构、地层、地表、建（构）筑物及地下管线等，进行系统全面的监控量测。监控量测项目主要包括隧道结构的变形、地层变形和地表沉隆、建（构）筑物及地下管线的变形（位移）、建（构）筑物外观观察等。建（构）筑物沉降、变形控制标准参考标准［2，3］，并按其他相关设计规范及产权主管部门的要求执行。

市政桥梁工程控制指包括桥梁墩台允许沉降控制值、纵横向相邻桥梁墩台间差异沉降控制值等。城市桥梁沉降控制值可参照表2取值。

表2 城市桥梁沉降控制值 mm

3.2 变形测点布置

为研究盾构施工对桥台的影响，在南北两侧桥台基础底部角点布置8个变形测点，编号为0-1～0-4、1-1～1-4，分析桥台的位移变形情况，测点布置如图3所示。

图3 变形测点布置

4 设计加固措施

盾构下穿该拱肋梁桥采用加固措施如下：

（1） 盾构始发前在桥台外侧采用袖阀管注浆加固，参考标准［4］，注浆浆液采用水泥浆，注浆孔在地面进行钻孔，注浆孔间距0.6m 梅花型布置，浆液有效扩散半径0.4m。加固体水平范围为桥台周边（非临河面）8m、竖向深度24m。

（4） 下穿区段采用增设注浆孔管片进行洞内360°二次注浆加固，注浆加固半径为3m。

5 盾构施工数值仿真模拟分析

运用Midas/civil 和Midas/GTS 有限元计算软件对盾构下穿该拱肋梁桥建立三维数值模型，主要分析盾构通过后由于地层的滞后沉降对桥梁的影响，并结合城市桥梁沉降控制值评估桥梁的安全性。模型尺寸153m×94m×44m（长×宽×高）。网格划分如图4 所示。模型边界施加连杆约束。

图4 整体三维数值模型网格

图5 拱肋梁桥与地铁盾构隧道三维数值模型关系

表3 土层物理力学参数

表4 结构材料参数

根据勘察报告显示，该项目所处地层物理力学参数主要如下：

模型中岩土层采用弹塑性摩尔-库伦屈服准则［5］；桥台基础、管片结构等均采用线弹性材料本构模型；两个圆曲形拱肋梁、桥面下方的横、纵梁采用梁单元，拱肋梁至桥面之间的吊杆采用桁架单元，桥面结构采用板单元。

计算荷载综合考虑岩土体自重、地应力场、结构自重、车道荷载等，不考虑温度和地震作用的对结构模型的影响。按照施工工序的模拟流程具体如下：

（1） 模拟整体计算模型范围内地层的初始地应力场。

（2） 加入桥梁结构，模拟施工前整体计算模型模拟区域的应力场。

（3） 对两侧桥台周边土体进行袖阀管注浆加固，在桥台后侧施作1.5m@2.5m钢筋混凝土桩，并在相邻车站端头处打设两排159 超前大管棚，角度为2°，施作范围是150°范围内。

（4） 右线盾构掘进，管片拼装完成后进行整环二次注浆加固，加固半径3m。

（5） 左线盾构掘进，管片拼装完成后进行整环二次注浆加固，加固半径3m。

计算采用的是累加模型，即每个模拟施工工况都延续了上一个施工工况的计算结果，并累加了施工工况的计算结果［6］。最后一次施工工况结构体系和荷载的变化将影响后续模拟工况的计算结果。

图6 模型初始应力场状态土层应力云图

图7 某拱肋梁桥竖向沉降云图

图8 某拱肋梁桥桥台测点位移图

根据计算结果，整理桥台工后沉降、纵向差异沉降与城市桥梁沉降控制值对比见表5、表6。

表5 桥台工后沉降与控制值对比

表6 桥台工后纵向差异沉降与控制值对比

根据以上对比表，某拱肋梁桥桥台最大沉降值4.34mm（控制值15mm）、最大纵向差异沉降值1.41mm（控制值5mm），均小于规范要求的控制值，满足要求。

6 结语

经过分析，得到如下主要结论：

（1） 在采取设计加固措施条件下，盾构下穿某拱肋梁桥所引起的桥台沉降值及差异沉降值均小于城市桥梁沉降控制值。

（2） 桥台周边预注浆及盾构隧道二次注浆施工时应保证充填密实，施工前应通过现场注浆试验验证注浆参数。

（3） 因有限元计算模型所采用的各项参数与实际工程存在差异，计算结果无法与实际工况完全相同，建议在盾构下穿本桥梁的过程中加强监控量测，并将监测数据及时反馈参建各方，根据监测情况采取相应措施，确保安全穿越。

（4） 砂卵石土地层广泛分布于全国各大城市：北京、广州、深圳、南宁、成都、西安、兰州以及乌鲁木齐等地。以上城市的地铁及市政工程中，区间下穿跨河桥梁的情况很多，从安全、工期、造价等方面综合考虑基本均采用盾构法，因此盾构区间下穿某拱肋梁数值模拟，对砂卵石地层条件下的类似工程具有普适性及一定的借鉴意义，可以用于指导方案设计和施工。