地铁盾构隧道穿越跨河桥施工流固耦合分析

马 静

(北京市市政专业设计院股份公司 北京 100037 )

0 引言

地铁盾构隧道建设过程中,不可避免地需要穿越各种桥梁位置,稍有不慎将直接威胁桥梁的正常运营。有学者对该问题进行了研究,为地铁盾构隧道施工过程中,既有桥梁的保护提供大量的有益经验。王根等[1]研究地铁隧道近距离穿越施工对既有市政桥梁结构变形的影响;苏宝[2]分析盾构施工参数对地铁穿越公路桥梁桩基的影响;李世仲[3]、高玉春等[4]、姚建石[5]均对地铁盾构隧道穿越桥梁施工过程中的变形控制技术进行了研究。

现有研究成果集中于盾构隧道穿越高架桥、立交桥、天桥等,也有学者分析了盾构隧道穿越跨河桥施工产生的影响[6-7],但其研究方法较少考虑盾构隧道施工过程中的应力—渗流耦合作用。

现以长春某工程为例,在对桥梁现状进行检测的基础上,深入分析了应力场和渗流场耦合作用下地铁盾构隧道穿越跨河桥施工过程中,跨河桥结构的变形响应特征。

1 工程概况

1.1 工程简介

长春地铁某盾构区间隧道拟穿越永春河桥施工,永春河桥桥桩与区间外轮廓线距盾构隧道外廊线水平最近距离约2.78m,盾构区间隧道拱顶埋深约为13.57m,区间隧道在穿越段距河底净距为7.80m。永春河河道宽约54.82m,河面宽度约30.71m,水面标高204.817m,河道底标高202.077m,下穿位置河水深度2.74m。永春河防洪标准为50a一遇,50a流量为142.8m3/s,50a水位为206.46m。地铁盾构隧道区间隧道建筑限界为D=5300mm,圆形隧道结构内径5500mm,管片厚度350mm,盾构管片采用C50高性能混凝土,混凝土抗渗等级为P12。盾构区间与永春河桥相对位置关系平面如图1所示,相对位置关系剖面如图2所示。

图1 盾构区间与永春河桥相对位置平面图(m)

图2 盾构区间与永春河桥相对位置剖面图(mm)

1.2 工程地质及水文地质条件

岩土工程勘察报告揭露,工点范围内地层主要包括人工堆积层(Q4ml)、第四纪全新统冲洪积层(Q4al+pl)、白垩系泥岩层(K)和白垩系砂岩层(K)四大类。自地表以下,依次为杂填土层、粉质黏土层、全风化泥岩层、强风化泥岩层和中风化泥岩层。

勘探深度范围内存在1层潜水:含水介质为粉质黏土层和风化岩层,水位埋深1.20～4.80m,标高203.70～209.09m。

1.3 施工难点

隧道施工范围处在饱和的层间潜水含水层中,盾构掘进过程中,应注意土仓压力的变化,防止出现土仓突水事故。

永春河河床杂填土层较厚,结构松散,自稳性差,抗剪强度低,施工时应加强支护,并及时注浆加固,防止发生大规模垮塌事故。

2 跨河桥现状检测

拟穿越的跨河桥为3跨简支结构,桥面铺装采用8cm钢纤维混凝土(C40),面层结构为4cm中粒式沥青混凝土+6cm粗粒式沥青混凝土,桥台处设伸缩缝,桥墩处设桥面连续构造,桥台处设长5m的桥头搭板;上部结构采用后张法等截面预应力混凝土空心板,主梁之间采用铰缝连接,混凝土设计强度等级C50;支座采用圆板式橡胶支座;下部结构桥台为埋置式桥台,桩接柱基础,中墩为双柱式圆形墩,桩柱式结构。拟穿越跨河桥现状如图3所示。

图3 拟穿越跨河桥现状

现场检测中发现,跨河桥整体状态良好,主要存在的病害有:

①支座存在橡胶块老化开裂;

②桥面沥青混凝土铺装层局部破损;

③护栏钢组件轻微锈蚀;

④全桥泄水孔少量泥沙淤塞;

⑤伸缩缝上层槽口少量泥沙充填。根据《城市桥梁养护技术标准》(CJJ 99—2017),评定为B级。

3 数值分析模型建立

3.1 数值计算方案

方案1:不考虑地下水位变化的影响,单纯计算应力场作用下,盾构隧道施工对跨河桥产生的影响。

方案2:考虑地下水位影响,计算渗流场与应力场耦合作用下,盾构隧道施工对跨河桥产生的影响。

3.2 模型尺寸及网格划分

本文商业有限元软件建立地基土—盾构隧道—跨河桥协同作用数值计算模型,综合考虑盾构隧道埋深、跨河桥桩基础埋深及河道尺寸等的影响,数值计算模型土体部分尺寸为300m×250m×60m(长×宽×高),满足忽略边界效应的要求。整体模型网格划分如图4(a)所示,跨河桥及盾构隧道部分网格划分如图4(b)所示。

图4 有限元模型网格划分

方案1应用“应力分析模块”计算盾构隧道施工过程中跨河桥的变形响应特征;方案2应用“渗流—应力间接耦合模块”计算盾构隧道施工过程中跨河桥的变形响应特征,即首先通过渗流计算得到有效应力计算需要的孔隙水压力,然后将该孔隙水压力调入到应力分析中[8-10]。

3.3 模型材料参数设定

数值计算模型中,地基土体选用HS本构模型,以最大限度弱化盾构隧道土方开挖所产生的回弹效应,土体参数依据勘察报告选取,详见表1。跨河桥及注浆加固采用实体单元建立,弹性本构模型;盾壳采用板单元模拟,弹性本构模型。结构部分物理力学计算参数详见表2。

表1 地基土体物理力学参数表

表2 结构部分物理力学参数表

4 计算结果与分析

4.1 土体位移分析

地铁盾构隧道穿越跨河桥施工后,周边土体位移如图5所示。由图5可知,地表最大沉降量出现在河床中部,方案1最大沉降量11.3mm,方案2最大沉降量15.9mm,方案2地表最大沉降量是方案1的1.4倍。方案1盾构隧道施工影响范围约为盾构隧道轴线两侧2D(D为盾构隧道直径),方案2盾构隧道施工影响范围约为盾构隧道轴线两侧3D,考虑流固耦合作用影响时,应扩大地表沉降的监测范围。

图5 土体沉降云图

4.2 跨河桥竖向位移

地铁盾构隧道穿越跨河桥施工后,跨河桥结构竖向位移如图6所示,图6中,靠近盾构隧道一侧桥桩A、桥桩B、桥桩C和桥桩D的变形量较大,提取其桩顶竖向位移如图7所示。分析图6、图7可知,跨河桥最大竖向位移出现在距离盾构隧道最近桥位置,即桥桩A所在位置,方案1最大沉降量2.98mm,方案2最大沉降量6.01mm,考虑流固耦合作用影响的盾构隧道引起的跨河桥竖向位移是不考虑流固耦合作用情况下的2.0倍。跨河桥竖向位移自桥桩A到桥桩D依次减小,无论是方案1还是方案2,左线施工诱发的跨河桥竖向位移占总变形量的60%,右线施工诱发的跨河桥竖向位移占总变形量的40%。

图6 跨河桥结构竖向位移云图

图7 跨河桥结构典型桥桩桩顶竖向位移

4.3 跨河桥桩身水平位移

地铁盾构隧道穿越跨河桥施工后,跨河桥结构靠近盾构隧道一侧桥桩A、桥桩B、桥桩C和桥桩D桩身水平位移如图8、图9所示,桩身水平位移统计见表3。分析图8、图9及表3可知,跨河桥桩身最大水平位移出现在距离盾构隧道最近桥位位置,即桥桩A所在位置。盾构隧道左线施工完成后,方案1最大水平位移1.5mm,方案2最大水平位移2.6mm;盾构隧道右线施工完成后,方案1最大水平位移累计至2.6mm,方案2最大水平位移4.1mm,考虑流固耦合作用影响的盾构隧道引起的跨河桥的桩身水平位移是不考虑流固耦合作用情况下的1.6倍左右。无论是方案1还是方案2,左线施工诱发的跨河桥结构桩身水平位移量占总变形量的60%左右,右线施工诱发的跨河桥结构桩身水平位移量占总变形量的40%左右。方案1桩身水平位移曲线呈直线型,方案2桩身水平位移曲线存在一明显拐点,位于河床所在位置,河床以上桩身水平位移变化较大,而河床以下桩身水平位移变化较小。

表3 桩身水平位移统计表

图8 方案1桩身水平位移

图9 方案2桩身水平位移

5 结论

以长春某穿越跨河桥盾构工程为例,分析考虑渗流及不考虑渗流作用2种工况下,跨河桥及其邻域土体的变形特性,结论如下:

(1)地铁盾构隧道穿越跨河桥施工过程中,考虑应力—渗流耦合作用是必要且合理的。考虑流固耦合作用影响的盾构隧道引起的跨河桥的地表最大沉降量是不考虑流固耦合作用情况下的1.4倍,跨河桥竖向位移是不考虑流固耦合作用情况下的2.0倍,桩身水平位移是不考虑流固耦合作用情况下的1.6倍。

(2)地铁盾构隧道穿越跨河桥施工过程中,盾构隧道左线施工诱发的跨河桥竖向位移及桩身水平位移量占总变形量的60%,右线施工诱发的跨河桥竖向位移及桩身水平位移量占总变形量的40%。

(3)地铁盾构隧道穿越跨河桥施工过程中,不考虑应力—渗流耦合作用时,桩身水平位移曲线呈直线型;考虑应力—渗流耦合作用时桩身水平位移曲线存在一明显拐点,位于河床所在位置,河床以上桩身水平位移变化较大,而河床以下桩身水平位移变化较小。