盾构下穿施工对高铁连续梁桥沉降和变形的影响

王 霆 韩高孝 郑 军

(1.南京地铁建设有限责任公司,210017，南京; 2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,201804，上海∥第一作者，研究员级高级工程师)



盾构下穿施工对高铁连续梁桥沉降和变形的影响

王 霆1韩高孝2郑 军1

(1.南京地铁建设有限责任公司,210017，南京; 2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,201804，上海∥第一作者，研究员级高级工程师)

以南京地铁机场线盾构隧道近距离穿越高速铁路连续梁桥为背景,通过现场监测和有限元计算,研究盾构下穿施工对桥梁上部结构的影响。研究结果表明:由于盾构隧道所处的地层较好、埋深较大，且盾构隧道施工对于地层的扰动较小,所以盾构隧道施工对于桥梁下部结构的影响很小；由盾构隧道施工引起的梁体附加变形很小,均满足控制要求；盾构隧道施工引起的桥梁附加内力既对桥梁的受力起到好的作用也有不良作用,且附加力的量值很小,不会对桥梁的正常使用产生影响。

盾构隧道下穿施工; 高铁桥梁; 沉降; 变形

First-author′s address Nanjing Metro Construction Limited Liability Company, 210017,Nanjing,China

随着城市规模和人口密度的不断增大,地铁的规模也在不断扩大。由于线路走向的限制,在施工中出现了地铁盾构隧道穿越既有铁路桥梁的情况,且这种情况将会越来越多。

地铁开挖不可避免地会引起周围地层产生一定的位移,这些位移又进一步作用在邻近的桥桩上,引起邻近桥桩的各种反应并最终导致桥梁结构的变形和受力的改变。高速铁路要求线路具有高度的平顺性,如果桥梁的变形过大，将会导致行车舒适性降低，严重的会威胁行车安全,而桥梁受力的改变也可能导致桥梁结构的破坏。因此,正确、合理地评价盾构隧道施工对高速铁路桥梁的影响显得尤为重要。目前，国内外学者通过理论分析、数值模拟、离心试验，就盾构隧道施工对邻近既有桩基的影响开展了一系列的研究[1-9],但研究盾构施工对桥梁上部结构的影响却比较少见。本文以南京地铁机场线为背景,利用现场测量和有限元软件进行分析计算,研究盾构穿越施工对桥梁上部结构的影响。

1 工程背景

盾构隧道直径6.2 m,左右线隧道隧顶埋深均为28 m左右。盾构穿越某客运专线铁路高架桥,穿越段桥梁上部结构为四跨(20 m+34 m+34 m+20 m)预应力钢筋混凝土连续箱梁,桥上设正线2条,盾构隧道从中间两跨穿越。自盾构隧道左线向右线方向各桥墩下分别设12根直径1 m、11根直径1.25 m、12根直径1.25 m、11根直径1.25 m和12根直径1 m的钻孔灌注桩,桩长分别为18 m、27 m、28 m、28 m和21.5 m。左线隧道与桩基的水平最小净距为9.41 m,隧底高于桩端3.49 m;右线隧道与桩基的水平最小净距为8.46 m,隧底高于桩端2.15 m。如图1所示。

图1 盾构下穿桥跨示意图

该范围内自上而下，土层分别为人工填土、粉质黏土、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩,各土层参数见表1。桩端位于中风化泥质粉砂岩中,盾构隧道主要穿越该层。

2 盾构施工对桥墩沉降的影响

为研究盾构下穿施工时桥墩的沉降变形,在下穿施工过程中对桥墩的变形进行了观测。由于桥梁两端的桥墩距离隧道较远,盾构施工对其影响可忽略,故只对39#、40#和41#桥墩进行观测(见图1)。在盾构隧道施工前于上述桥墩上设置观测棱镜,在施工过程中每天对桥墩变形进行2次观测，观测结果如图2～图4所示。

图2 39#桥墩沉降观测结果

图3 40#桥墩沉降观测结果

图4 41#桥墩沉降观测结果

由图2～图4可知,盾构隧道下穿施工过程中桥墩沉降呈现逐渐增大的趋势并最终趋于稳定。首先,40#桥墩位于左右线隧道之间,故隧道施工对其影响最大,最大沉降达到0.6 mm,而39#和41#桥墩的沉降则相对较小，均约为0.5 mm。其次,盾构隧道施工对于地层的扰动较小,而且盾构隧道所处的地层较好、埋深较大,桥梁桩端位于中风化泥质粉砂岩中(可视为端承桩),所以盾构隧道施工对于桥梁下部结构的影响很小。

3 盾构施工对桥梁上部结构变形的影响

3.1 研究方法

首先,利用MIDAS Civil有限元软件建立桥梁上部结构模型,考虑到列车运营的影响,按照支反力影响线进行Z-K活载的最不利布载(见图5、图6),计算出在桥梁恒载和列车荷载作用下桥梁上部结构的内力和变形。其次,计算由于基础沉降引起的桥梁结构的变形和内力的改变。桥梁基础的沉降值以实际观测值为准施加在支座上,在计算时均取最大值。

四跨连续梁桥上部结构的有限元模型长108 m,桥梁支座采用一般支撑进行模拟(见图7),截面尺寸如图8所示。桥梁采用线弹性梁单元模拟,弹性模量E为32.5 GPa,泊松比μ为0.2。

图5 两边桥墩支反力影响线

图6 中间桥墩支反力影响

图7 上部结构有限元模型

3.2 计算结果

在既有荷载作用下和由于桥墩墩顶竖向沉降引起的梁体竖向变形如图9、图10所示。由图可看出，竖向静活载引起的梁体最大竖向变形发生在中间两跨梁的中部，为10 mm,边跨梁体的竖向变形则较小，为3 mm,且整个连续梁桥的变形对称于最中央的桥墩；由于墩顶下沉引起的梁体的最大竖向变形位于桥梁最中央的桥墩处,为0.6 mm,且整个梁体的变形也不对称。相对于静活载引起的变形而言,墩顶沉降引起的变形很小。由于既有荷载和墩顶沉降引起的连续梁桥梁端最大转角θ为0.4‰,相邻两孔梁之间最大转角θ1+θ2为1.2‰。上述变形满足规范要求。

图8 梁体横截面图

图9 竖向静荷载作用下梁体竖向变形

图10 墩顶沉降引起的梁体竖向变形

在既有荷载作用下的主力弯矩包络图和支座沉降导致的附加弯矩图如图11、图12所示。因支座沉降产生的最大正弯矩为325.1 kN·m,位于中央桥墩处,使此位置主力产生的最大负弯矩由-64 336 kN·m减小到-64 011 kN·m,相对减小0.5%;中间两跨跨中最大正弯矩由20 181 kN·m增加到20 420 kN·m,相对增加0.84%;支座沉降产生的最大负弯矩为-74.5 kN·m,位于左边第二个桥墩处,相对此位置主力产生的最大负弯矩增加0.16%。由以上分析可看出，因墩顶沉降引起的梁体的附加弯矩既能对梁体的受力起到好的作用，也能起到不良作用,且弯矩的改变量很小,桥梁结构完全可以满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求。

图11 主力弯矩包络图

图12 支座沉降引起的附加弯矩

在既有荷载作用下的主力剪力包络图和支座沉降产生的附加剪力如图13、图14所示,支座沉降产生的最大附加剪力为11.8 kN,使此位置主力产生的最大剪力由10 329 kN增加到10 340.8 kN,相对增加0.11%。同样，因墩顶沉降引起的梁体的附加剪力既能对梁体的受力起到好的作用也能起到不良作用,且剪力的改变量很小,荷载满足规范所规定的承载能力极限状态、正常使用极限状态要求。

图13 主力剪力包络图

图14 支座沉降引起的附加剪力

4 结语

(1) 由于盾构隧道施工本身对于地层的扰动较小,且盾构隧道所处的地层较好、埋深较大,桥梁桩端位于中风化泥质粉砂岩中,所以盾构隧道施工对于桥梁下部结构的影响很小。

(2) 隧道开挖引起的梁体附加变形很小,均满足控制要求。

(3) 隧道开挖引起的桥梁附加内力，既对桥梁的受力起到好的作用，也有不良作用,且附加力的量值很小,不会对桥梁的正常使用产生影响。

[1] 王占生,王梦恕.盾构施工对周围建筑物的安全影响及处理措施[J].中国安全科学学报,2002,12(2):45.

[2] 李永盛,黄海鹰.盾构推进对相邻桩体力学影响的实用计算方法[J].同济大学学报,1997,25(3):274.

[3] 孙吉主.盾构机掘进对基桩影响的工程分析法[J].武汉理工大学学报,2003,25(3):56.

[4] 王炳军,李宁,柳厚祥,等.地铁隧道盾构法施工对桩基变形与内力的影响[J].铁道科学与工程学报,2006,3(3):35.

[5] 杨超,黄茂松,刘明蕴.隧道施工对临近桩基影响的三维数值分析[J].岩石力学与工程学报,2007,26(增1):2601.

[6] 于宁,朱合华.盾构施工仿真及其相邻影响的数值分析[J].岩土力学,2004,25(2):293.

[7] 朱逢斌,杨平,ONG C W.盾构隧道开挖对邻近桩基影响数值分析[J].岩土工程学报,2008,30(2):299.

[8] 傅雅莉.盾构隧道下穿市政桥梁的施工影响数值分析[J].城市轨道交通研究,2014(7):76.

[9] LOGANATHAN N,POULOS H G,STEWART D P.Centrifuge model testing of tunnelling-induced ground and pile deformations[J].Geotechnique,2000,50(3):283.

[10] JACOBSZ S W,STANDING J R,MAIR R J,et al.Centrifuge modelling of tunneling near driven piles[C]∥Proceeding of the 3rd International Organizations Symposium:on Geotechnical Aspect of Underground Construction in Soft Ground.France:Toulouse，2002:89.

Influences of Undercrossing Shield Tunneling on the Settlement and Deformation of Continuous Beam Bridge of High-speed Railway

WANG Ting, HAN Gaoxiao, ZHENG Jun

Taking a shield tunneling project as the background, which crosses under a bridge of high-speed railway on the Nanjing Metro Airport Line, and based on field monitoring and finit element calaculation, the influences of undercrossing shield tunneling on the superstructure of continuous beam bridge are studied. The result indicates that, due to the big burial depth, the small strata disturbance of shield tunnel and the better geological conditions, the shield tunnel construction has minor influences on the substructure of bridge; additional deformations of the beam caused by tunnel construction are very obvious and thus could meet the control requirements. Besides, the additional internal forces of bridge caused by tunnel construction have both plus and minus effects on the substructures of continuous bridge, the magnitude of additional internal forces is rather small, therefore it would not affect the normal operation of the bridge.

undercrossing shield tunneling; high-speed railway bridge; settlement; deformation

TU 433∶U 448.21+5

10.16037/j.1007-869x.2016.04.009

2014-08-08)