桥式盾构开挖对路基沉降影响分析

向怀轶 杨楼城 朱晨亮 陈 力

(1.中铁二十四局集团南昌建设有限公司， 南昌 330003；2.华东交通大学土木建筑学院， 南昌 330013)

桥式盾构开挖对路基沉降影响分析

向怀轶1杨楼城1朱晨亮1陈 力2

(1.中铁二十四局集团南昌建设有限公司， 南昌 330003；2.华东交通大学土木建筑学院， 南昌 330013)

结合某大跨度箱涵顶进实际工程，采用ABAQUS有限元数值模拟方法，建立沿顶进方向的二维模型，对桥式盾构法顶进过程中开挖作业面的稳定性对路基沉降的影响进行研究。结果表明：当列车荷载作用在开挖面正上方时，沿顶进方向路基沉降范围约为1.9倍列车荷载作用宽度；开挖面土坡角度越小，路基沉降越小，当角度小于37.2°时，沉降值不再变化；增大土体与墩柱侧壁之间的摩擦，有利于提高开挖面稳定性，减少路基沉降。当土体弹性模量小于40 MPa时，需要路基进行加固处理。根据分析结果，施工时将开挖面角度控制在37°，并对路基注浆加固处理，列车通过时严禁顶进施工，最终框架桥顺利顶到预定位置，未影响到既有线的正常运营，成功的指导该工法在本工程中的应用。

下穿铁路； 桥式盾构； 框架桥顶进； 数值分析； 路基沉降

1 引言

新建交通线路与既有线(铁路、公路、飞机跑道)相汇处常修建立交桥下穿既有线，而为了不影响繁忙的既有线正常通行以及缩短工期，箱涵顶进施工法是实际工程最为常用的方法。箱涵顶进施工法又细分为便梁架空法、管棚法、双重置换法、R&C(Roof & Culvert)工法等[1-2]。2004年箱涵顶进施工成功应用于英国第一项下穿高速公路工程[3]。2005年上海中环线虹许路—北虹路地下车道，箱涵截面长125 m，宽34 m，高7.85 m，成功应用了管幕法箱涵顶进工法[4]。2011年上海市金山铁路改建工程倪家一组立交桥首次采用双重置换工法进行施工，并很好地控制了路基沉降[5]。桥式盾构法在郑州市文化北路下穿连霍高速公路立交桥、长沙市人民东路延长线下穿京珠高速公路、新余市人民北路下穿沪昆铁路、南昌市丰和北大道下穿京九铁路等多处工程中应用[6]。在箱涵顶进施工中，既要保证既有线行车安全又要保证工程进度，但由于其上行驶的车辆(列车)干扰大，上覆土层薄等原因，易引起开挖面失稳，导致坍塌事故。例如福厦铁路机场立交桥工程施工过程中，既有公路最大沉降达0.515 m[7]；郑州—开封城市快速通道下穿京珠澳高速公路工程，在箱涵顶进过程中发生数次大规模坍塌[8]，严重威胁既有线的正常通行以及人身安全。

目前，便梁架空仅用于小截面箱涵，施工难度不大。有关管棚法施工的研究较多，张晓峰等[9]采用有限元数值模拟分析箱涵推进过程中开挖掌子面土体稳定性。李向阳[10]对管棚的作用机理进行了研究并取得了一定成果。虽然桥式盾构法已经多次成功应用，但该工法较新，理论体系还不完善，对其深入的研究未见报道，而该工法的成功运用，对下穿既有线工程有重大意义。故本文针对桥式盾构法，采用ABAQUS有限元数值模拟方法，建立二维模型，对开挖面稳定性及其对既有路基沉降影响进行数值分析。

2 工程概况

该框架桥为丰城市物华路下穿沪昆铁路而设，是连接丰城市老城区与新城区的道路工程，供机动车、非机动车及行人通行。立交桥中心线与沪昆铁路线正交，交点里程为沪昆下行线K 804+938.3，对应物华路中心里程为WK 0+444.575。

立交桥下穿丰城车站端咽喉区，穿越处铁路为4股道，分别为沪昆上下行线、丰洛线及机待线。立交桥采用(7+16+7)m三孔连续框架，中孔16 m为机动车双向4车道，两边孔7 m为非机动车及人行道。框架尺寸为(33.6×28×8.5)m(宽×长×高)，其上覆土厚度仅为1.5 m。

2.1 桥位处工程地质、水文地质情况

桥位处地层由上而下依次为①1素填土，厚0.9～2.6 m(路基路堤范围为填筑土)；①2种植土，大部分布厚约0.5 m；②粉质黏土，全场分布厚2.5～6.1 m；②1细砂，厚0～1.5 m；③1中砂，全场分布最大揭示厚度7.9 m；③2圆砾，全场分布最大揭示厚度6.9 m。

砂层及圆砾中赋存孔隙潜水，具弱承压性，水量丰富，桥址处地下水初见水位为16.5～19.5 m，稳定水位标高17.8～19.2 m，水位随季节有1～3 m升降变幅。框架箱底标高14.921 m，处于②粉质黏土、②1细砂与③1中砂层位。

2.2 工程特点

(1)地下水丰富。地下水位高而且丰富，土的渗透性强，渗水量大，稳定水位标高为17.8～19.2 m。

(2)安全要求高。在行车繁忙的沪昆铁路下施工，且为道岔区，施工中确保行车安全及站内管线安全是重中之重。

(3)行车干扰大。既有沪昆铁路行车密度大，加上丰城站内施工调车作业频繁，行车对施工的干扰非常大。

(4)涉及施工配合单位多。涉及铁路运输、工务、电务、供电、车务、机务、铁通等众多单位，施工过程中必须取得他们的配合与支持，以确保施工的顺利进行。

(5)地质条件差。框架基底为粉质黏土及中砂，承载力低，需采用二重管无收缩双液WSS注浆法对地基进行加固。

2.3 施工方案

为尽量减小施工对既有铁路正常运行的影响，最终采用桥式盾构法框架桥顶进施工方案。桥式盾构因其横截面形式像桥而得名，主要由盾构体、子盾构、反拉系统三大部分组成，通过框架桥前端的预埋件将盾构体与框架桥焊接在一起。截面尺寸由框架桥横截面大小而定，其长度根据l=α(h-1.3)计算,其中α为放坡比例，h为框架桥高度。框架桥盾构横断面如图1所示。

图1 框架桥盾构示意图

2.3.1 施工工序

(1)人工开挖墩柱内土体至设计长度，约0.4 m；

(2)机械开挖两墩柱之间核心土；

(3)框架桥盾构体整体向前顶进；

(4)以上工序循环进行，直至掘进完成。

顶进掘进及施工现场分别如图2、图3所示。

2.3.2 施工注意事项

(1)严禁超挖；

(2)为保障列车通行安全，严禁在列车通过时进行施工。

图2 顶进示意图

图3 施工现场

3 数值分析

为寻找路基沉降影响最小方案，指导现场施工，使用ABAQUS有限元软件建立二维模型，模拟箱涵顶进挖土后的时刻，进行数值分析。

3.1 模型及参数选取

沿箱涵顶进方向建立纵向模型，长107 m，总高25 m，路基坡度为1∶1.5，工作坑临近路基放坡为1∶15。

假定土体符合Mohr-Coulomb屈服准则，单元类型为CPE4R。土层物理参数如表1所示，由于在施工顶进前对路基范围内的土体进行了注浆加固，故土体弹性模量较原土体有所增大。将盾构体和框架桥上下边界简化为梁，单元类型为B21。相关材料物理力学参数如表2所示。

表1 土层物理参数

表2 相关材料物理力学参数

3.2 边界条件及荷载

模型边界条件均为位移边界条件，顶面自由边界，左右两边水平方向位移约束，下表面完全约束。假设盾构主体及箱涵不发生沉降和变形，将其简化为梁模型，竖直方向固定，而子盾构相当于悬臂梁。

道砟床厚度设为0.5 m，以等效荷载代替，即10 kPa。根据TB 10001—2005《铁路路基设计规范》，列车静载按等效土柱高度取值，即60.2 kPa，作用宽度为3.4 m[12]。当核心土与墩柱侧壁发生相对运动时受到摩擦力作用，所以当计算结果显示核心土水平方向发生显著位移时，对核心土体施加摩擦力，摩擦力大小按式(1)计算。土的内摩擦角和土体重度按加权平均值计算，土的静止侧压力系数取0.4，高度H按核心土高度的1/2取值，即H=3.6，将摩擦力等效为体积力，即238 N/m3。

F=μk0γH

(1)

式中：μ——摩擦系数(μ=tanφ，φ为土体内摩擦角)；

k0——土的静止侧压力系数(k0=1-sinφ，φ为土体内摩擦角)；

γ——土体重度；

H——土体深度。

网格划分如图4所示。

图4 二维模型网格划分图(m)

3.3 工况设定

当盾构箱土体、墩柱土体及核心土掘削完成，箱涵还未及时顶进，正好有列车通过的时刻，对顶进施工最不利，对该状态进行模拟分析，可得到偏安全的结果。

施加重力和列车荷载，将模型初始地应力平衡，假定已经开挖顶进了一段距离为初始状态。先开挖盾构箱土体，再开挖核心土土体并留一定坡度，两者均掘削0.5 m，最后施加列车静载。详细工况拟定如表3所示。

表3 计算工况

3.4 结果分析

(1)α=40.3°

图5为工况1～4竖直方向变形云图。工况1为箱涵顶进最不利的情况，最大沉降为15mm,其影响范围约为列车荷载作用宽度的1.9倍。

图5 工况1-4竖向变形云图

列车荷载是影响开挖面稳定性的重要因素之一，其影响与列车荷载的位置有关，如图6所示。正常情况下列车引起的沉降约为6mm，列车荷载作用在子盾构开挖面上方时，沉降为15mm，增加了9mm。当列车荷载距离子盾构开挖面一定距离时，路基沉降将不受顶进开挖的影响。

图6 4种工况下路基沉降曲线

图7 不同坡脚角度路基沉降曲线

(2)不同核心土坡脚角度α

桥式盾构核心土起着平衡迎面土压力的作用，其稳定性与路基沉降有着直接联系，而坡脚角度的大小又影响其稳定性。图7为不同坡脚角度情况下，路基的沉降曲线。随着核心土坡脚角度的增大，路基沉降也随之增大，即开挖面越不稳定，路基沉降量越大。随着核心土坡脚角度的增大，路基沉降也随之增大，即开挖面越不稳定，路基沉降量越大。当α=42°时，沉降量开始有较大增大；α=43.8°时，沉降量急剧增大，说明开挖面开始发生失稳破坏。当小于37.2°时，随着坡脚角度的减小，开挖面已趋于稳定，而路基沉降量不再发生明显变化。

(3)摩擦力的影响

核心土与墩柱侧壁的摩擦力也是影响开挖面核心土体稳定性另一重要因素，工况8比工况1的路基最大沉降值大6.3mm，如图8所示。增大核心土与墩柱侧壁的摩擦系数有利于提高开挖面稳定性，减少路基沉降。可以通过改变墩柱侧壁的粗糙程度，如使用花纹钢板，增加摩擦力。摩擦力增加的同时也会增大顶进阻力，所以盾构体长度需要做进一步优化，即要满足核心土的稳定性，维持土体处于静止土压力状态，又要减小顶进阻力。

图8 工况1和工况8路基沉降曲线

4 地基加固处理

为保障行车以及施工的安全，对路基以及地基进行注浆加固处理。

框架桥设计位置的路基本体采用斜向注浆加固，浆液为掺粉煤灰∶水泥=2∶1。而底部采用φ970 mm的底管棚作为滑轨，防止框架桥下沉。

前文的土体弹性模量选取是在路基注浆加固之后，参数有所增大。为便于分析弹性模拟量对路基沉降的影响，在工况1的基础上进行变化，只考虑路基土一种土层，弹性模量分别为5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa、45 MPa、50 MPa、60 MPa，模型尺寸沿用图5，数值分析结果得到路基最大沉降如表4所示。

表4 不同弹性模量下路基最大沉降

由表4可知，路基最大沉降随着弹性模量的增大而减小，当弹性模量增大至40 MPa时，最大沉降随着弹性模量的继续增大而不再有明显的变化，再继续加固增大弹性模量对实际工程造成浪费。故当原状土体弹性模量小于40 MPa时，需要对其进行加固处理，注浆参数根据实际情况而定。可见，对土层进行注浆加固处理，可以较好地控制路基沉降，保证线路的安全运营。

5 实测数据分析

选取分别位于待机线上的观测点，即框架桥正上方左(1-1)、中(1-2)、右(1-3)3点的数据进行分析，如图9所示。可见，随着施工的进行沉降逐渐增大，位于开挖面上方的土体会急剧下穿，通过之后沉降变化趋于平稳。3个点的最大沉降分别为17.8 mm、12.6 mm、16.8 mm，而正好有列车通过时这一最不利工况下的沉降约15 mm。由于数值分析是在理想状态下施工，而实际施工受到复杂因素的影响，故实测值大于分析值。同时也表明数值分析时考虑最不利工况是偏安全的，有利于指导施工。

6 结论

(1)当列车荷载作用在开挖面正上方时，路基沉降最大，沉降随着列车荷载作用位置与开挖面距离增大而减小，在该工程中其影响范围约为1.9倍列车荷载作用宽度，应避开列车通过时进行开挖顶进。

(2)桥式盾构法开挖面稳定性与路基沉降有着紧密的联系，核心土坡脚角度越小，沉降越小，即核心土越稳定，路基沉降越小。在该工程中当坡脚角度小于37.2°时，沉降不再变化。设计时应根据不同的工程地质情况，通过计算或者数值模拟选择合适的坡角。

(3)盾构体设计时增大核心土与墩柱侧壁的摩擦系数，有利于提高开挖面稳定性，减少路基沉降，可通过选择带花纹的侧壁增大摩擦力。同时增大摩擦面，但也会增加顶进阻力，故核心土土柱和侧壁相互作用的长度优化工作还需进一步研究，以便更好地指导实际工程。

(4)对土层进行注浆加固处理，增大土体的弹性模量，可以很好地控制路基沉降。路基最大沉降随着弹性模量的增大而减小，当弹性模量增大至40 MPa时，最大沉降随着弹性模量的继续增大而不再有明显的变化。

(5)根据分析结果，针对本工程施工时将开挖面角度控制在37°，并对路基注浆加固处理，列车通过时严禁顶进施工，最终框架桥顺利顶进至预定位置，未影响到既有线的正常运营，成功地指导该工法在本工程中的应用。该工法可为类似工程设计提供参考。

[1] 李欣, 刘忠华. 道岔下面斜交大跨度框架桥顶进施工[J]. 华东交通大学学报, 2005, 22(2): 6-9. LI Xin, LIU Zhonghua. Jacking Construction of Skew and Long Span Frame Bridge Under Switch [J]. Journal of East China Jiaotong University, 2005, 22(2): 6-9.

[2] 罗鑫. 几种箱涵顶进施工技术的探讨[J]. 建筑施工, 2010, 32(2): 88-89. LUO Xin. Discussion on Several Construction Technologies for Box Culvert Jacking [J]. Building Construction. 2010, 32(2):88-89.

[3] Allenby D, Ropkins J W T. The use of jacked-box tunnelling under a live motorway[J]. Proceedings of the ICE-Geotechnical Engineering, 2004, 157(4): 229-238.

[4] 朱合华, 李向阳, 肖世国, 等. 软土地层管幕-箱涵顶进工具管网格自平衡设计理论研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(13): 2242-2247. ZHU Hehua，LI Xiangyang，XIAO Shiguo，et al. Study on Self-Balance Design Theory of Culvert Grid Advanced in Pipe-Roof in Saturated Soft Soil Layers [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2005, 24(13):2242-2247

[5] 吴欣之, 胡玉银, 景路, 等. 箱涵顶进双重置换工法及其在某工程中的应用[J]. 地下空间与工程学报, 2011, 7(5): 951-956. WU Xinzhi，HU Yuyin，JING Lu，et al. Application of Dual-Replacement Construction Method of Box Culvert Jacking [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2011, 7 (5):951-955.

[6] 李家稳. 框架桥盾构法施工技术[M]. 北京：中国铁道出版社, 2012. LI Jiawen. Construction Technology of Frame Bridge Shield Method[M]. Beijing: China Railway Publishing House,2012.

[7] 张宇, 吴江敏. 超浅埋大型公路立交桥顶进施工监控[J]. 现代隧道技术, 2005, 42(1): 52-60. ZHANG Yu, WU Jiangmin. Monitoring of the Jacking Process of a Large Shallow-Buried Highway Flyover [J].Modern Tunnelling Technology，2005, 42(1): 52-60.

[8] Wang H, Qin W M, Jiao Y Y. Stability assessment for highway with large-span box culvert jacking underneath: a case study[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2013, 50(6): 585-594.

[9] 张晓峰. 大管棚支护条件下顶进箱涵开挖掌子面土体稳定性分析[J]. 建筑科学, 2007, 23(7): 51-53. ZHANG Xiaofeng. Stability Analysis of Soil Body on Excavating Face Using Box Culvert Jacking with Pipe Roof Support [J]. Building Science，2007, 23(7):51-52．

[10] 李向阳. 大断面管幕-箱涵推进工法中管幕力学作用与开挖面稳定性研究[D]. 同济大学, 2006. LI Xiangyang. Study on Pipe Roof Effect and Face Stability of Large Section Pipe Roof-Box Jacking Method [D]. Tongji University，2006.

Analysis on the Impact on Subgrade Settlement from Bridge-shield Excavation

XIANG Huaiyi1YANG Loucheng1ZHU Chenliang1CHEN Li2

(1.Nanchang Construction Corporation Limited of China Railway 24th Bureau Group,Nanchang 330003,China;2.School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

The impact on the subgrade settlement from the stability of bridge-shield excavation face is studied by adopting ABAQUS finite element numerical simulation method and by building 2D model, combined with a large-span box-culvert jacking project. The results show that a)the range of subgrade settlement is 1.9-fold that of load width when the load is located at right above excavation face; b) the smaller the angle of excavation slope is, the smaller the settlement will be. When the angle is smaller than 37.2°, the settlement value will not be changed; c) increasing the friction between soil and pier wall is beneficial to improve the face stability and reduce the settlement. d) the subgrade needs to be reinforced when soil elastic modulus is less than 40 MPa. According to the result of analysis, the slope angle is controlled at 37°, the subgrade is reinforced by grounting and jacking construction must stop when trains pass through. At last, this technique is successfully applied to the box-culvert jacking project without affecting the running of trains, which provides suggestions for similar projects.

underpass railway; bridge-shield; box-culvert jacked; numerical analysis; subgrade settlement

2015-12-11

向怀轶(1975-)，男，工程师。

1674—8247(2016)01—0046—06

U456.3

A