盾构隧道施工对既有桥梁影响及施工监测分析

饶靖鹏,陈道政

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

盾构施工对既有桥梁的影响是一个十分突出的问题。盾构施工会引起既有桥梁桩基附近土体的扰动,产生地表沉降,从而会减小临近桥桩的侧摩阻力,进而引起桥墩的沉降和侧向位移等。目前对于临近既有桥梁的盾构隧道施工所产生的影响,主要研究方法有理论分析和数值模拟分析。由于盾构施工情况和地质情况十分复杂,使用数值模拟的方法能较为全面和简便地模拟盾构施工的过程,分析由于盾构施工所引起的既有桥梁的桥墩沉降与侧向位移。

文献[1]运用数值模拟与监测数据相结合的方法,对盾构施工穿越临近桥桩的桩体沉降、桩体侧向位移与地表沉降进行研究,证明对盾构施工穿越临近桩基的影响模拟是可靠的;文献[2]采用Midas GTS/NX对实际盾构工程进行模拟,结果表明,通过注浆加固等控制措施可以有效控制桥梁的变形;文献[3]以盾构区间下穿京开高速立交桥桩为例,利用FLAC3D软件进行建模研究,计算结果表明,桥桩最大沉降量和地面沉降量与监测结果较为吻合;文献[4]通过有限元软件在盾构施工前对桥梁变形进行预测,通过优化施工参数与实时监测,控制盾构隧道施工对上层桥梁的影响;文献[5]采用数值模拟方法研究盾构隧道侧穿既有建筑群的基础沉降特性,并与现场实测数据进行对比分析,揭示盾构隧道侧穿既有建筑群施工中软弱地层的扰动特性;文献[6]研究砂卵石地层盾构穿越多样风险源工程施工措施,并以研究成果指导工程实践,取得良好效果;文献[7]以实际工程为背景,采用现场实测、数值模拟、理论分析相结合的方法,研究郑州粉土地层中盾构隧道施工对临近既有桩基的影响;文献[8]采用现场监测和数值模拟相结合的方法,对盾构隧道穿越高铁高架桥桩基础的变形与受力规律进行系统研究;文献[9]结合实际工程项目,运用有限元软件Midas GTS/NX建立三维实体模型,按照实际施工情况,对盾构隧道下穿既有高铁桥梁桩基及普铁路基的变形规律进行数值模拟分析;文献[10]以杭州地铁2号线双线盾构隧道下穿凤起桥为例,通过Midas GTS/NX数值模拟软件,模拟双线盾构隧道穿越凤起桥桩基的过程,观察桥梁沉降变化和受力情况,在盾构隧道穿越桥梁桩基前、后,进行测点布置并监测桥梁变形情况,与数值模拟进行对比分析。

本文以合肥市地铁5号线北二环路站—丽水路站某区间内侧穿既有桥梁工程为例,运用Midas GTS/NX有限元软件建立数值分析模型,模拟盾构施工的工况,研究盾构施工引起的既有桥梁的桥墩沉降、桥墩侧向位移和地表沉降等问题。

合肥地铁5号线北二环路站—丽水路站某区间隧道侧穿既有桥梁,盾构隧道在既有桥梁下方,埋深为24.925 m,既有桥梁两侧各30 m为影响范围,盾构机单线侧穿长度为145 m(97环),盾构机的掘进速度为10 m/d,左线先行施工,右线后行施工,左、右线盾构隧道距离桥墩水平距离各为5.73 m。施工中在既有桥梁处建立监测桥梁变化和地表变化的自动化监测系统,确保盾构隧道侧穿既有桥梁的施工安全。在数值模拟中以该区间隧道盾构侧穿既有桥梁为工程实例,对盾构隧道下穿既有桥梁所引起的桥墩沉降、桥墩侧向位移和地表沉降3个指标进行模拟分析,最后将模拟结果与实测结果对比,以验证建立数值计算模型和参数选择的合理性、可靠性。

1 模型建立及参数选择

本文运用Midas GTS/NX有限元软件进行建模时,桩体采用弹性模型,桩径为1.5 m,1号桩基群长均为43.5 m,2号、3号桩基群长均为34.5 m;盾构机外壳外径6.0 m,外壳厚0.15 m;隧道管片也采用弹性模型,外径5.7 m,管片厚0.3 m;注浆层厚度0.15 m。桥墩、盾构机外壳、衬砌管片及注浆液等模型材料及其力学性质参数见表1所列。

表1 模型材料及其力学性质参数

桥梁与盾构隧道的模型及其位置关系如图1所示,盾构施工模型如图2所示。

岩土体采用修正摩尔-库伦弹塑性本构模型,根据地层分布的特点,计算模型将岩土体从地表向下简化为5层,即地层1～地层5。将桥梁上部荷载转换为成桥荷载1 850 kN/m2,通过3D单元面加载到桥墩顶面上,来模拟桥梁上部荷载对桥墩的作用。岩土体模型如图3所示,桥墩监测点如图4所示,地层岩土体力学性质参数见表2所列。

图1 桥梁桥墩与隧道模型及其位置关系

图2 盾构施工模型

图3岩土体模型

图4 桥墩监测点分布

表2 地层岩土体力学性质参数

2 计算结果与分析

2.1 既有桥梁桥墩沉降

在左、右线盾构施工穿越既有桥梁时对桥墩沉降进行了全程监测,时间从2020年6月2日至2020年7月11日(下面图表中的日期表示为月-日)。盾构施工穿越既有桥梁时,92D1监测点的桥墩沉降模拟值与实测值如图5所示,其余5个监测点的实测值与模拟值对比见表3所列。

当左线盾构隧道穿越既有桥梁后,桥墩监测点的模拟沉降约为-0.08～-0.61 mm,当左、右线盾构隧道全部侧穿既有桥梁后,桥墩监测点的模拟沉降约为-0.12～-0.69 mm,右线盾构隧道穿越既有桥梁后桥墩的沉降值明显大于左线隧道穿越既有桥梁后桥墩的沉降值;桥墩沉降的实测值和模拟值之间差距很小,2组数据比较吻合。

图5 92D1监测点模拟值与实测值时程曲线对比

表3 盾构施工侧穿既有桥梁时桥墩5个监测点沉降实测值与模拟值对比 单位:mm

从图5可以看出,92D1监测点桥墩沉降的模拟值和实测值相差很小,吻合较好,数值模拟模型参数的选取能较好地模拟盾构施工对既有桥梁桥墩沉降的影响。

2.2 既有桥梁桥墩侧向位移

左、右线盾构隧道侧穿既有桥梁后,桥墩的X、Y向侧向位移云图分别如图6所示。

从图6可以看出:当左、右线盾构隧道全部侧穿既有桥梁后,桥墩的X、Y向侧向位移约为0～0.41 mm;桥墩X、Y向侧向位移的分布规律差异比较大,靠近左线盾构隧道一侧的桥墩X向侧向位移较大;在左、右线隧道之间的桥墩Y向侧向位移较大。

分别选取在X、Y向上侧向位移最大的监测点90D1和91D1,对比其侧向位移模拟值与实测值,如图7所示。

图6 桥墩X、Y向侧向位移云图

图7 2个监测点X、Y向最大侧向位移模拟值与实测值对比

当左、右线盾构隧道侧穿既有桥梁后,模拟值与实测值的曲线基本重合,桥墩的侧向位移随着盾构施工的进行逐渐增加,模拟值与实测值吻合较好。

2.3 既有桥梁附近地表沉降

左、右线盾构隧道侧穿既有桥梁后,既有桥梁周边岩土体的沉降云图分别如图8所示。

图8 左、右线隧道侧穿后岩土体沉降云图

从图8可以看出:当左线隧道侧穿后,桥梁附近岩土体的模拟沉降约为0～-4.30 mm;当右线隧道侧穿后,桥梁附近岩土体的模拟沉降约为0～-4.41 mm;隧道侧穿既有桥梁后,隧道上方岩土体的模拟沉降值大于其他部位岩土体的模拟沉降值。

左、右线盾构隧道侧穿既有桥梁后,桥梁周边地表沉降的实测值与模拟值对比见表4所列。

由表4可知,盾构隧道侧穿既有桥梁后地表沉降的模拟值与实测值相差不大,8个监测点中模拟值与实测值相差最大的是DB3-3,监测点处沉降的相对误差为9.52%,差距仍然不大。

通过比较既有桥梁桥墩沉降、侧向位移及既有桥梁周边土体沉降的模拟值与实测值发现,这3个指标的模拟结果与实测结果相差不大,吻合度较高,验证了本文数值分析模型和参数选取的可靠性,证明运用有限元数值分析方法分析盾构隧道侧穿对既有桥梁的影响是可行的。

表4 地表沉降实测值与模拟值对比 单位:mm

3 结 论

(1) 盾构隧道侧穿既有桥梁桥墩的实测沉降最终累计值在-0.10～-0.70 mm之间,桥墩沉降监测数据处于正常状态,施工完成后,桥墩的沉降逐渐趋于稳定。左、右线隧道侧穿既有桥梁后桥墩的沉降值明显大于左线隧道侧穿既有桥桥后桥梁的沉降值。

(2) 左、右线盾构隧道侧穿既有桥梁后,桥墩的X、Y向侧位移约为0～0.41 mm。靠近左线盾构隧道一侧的桥墩X向侧向位移较大;在左线盾构隧道和右线盾构隧道之间的桥墩Y向侧向位移较大。

(3) 左、右线盾构隧道侧穿既有桥梁后,周围岩土体的沉降值分别约0～-4.30 mm、0～-4.41 mm,隧道上方岩土体的沉降量大于其他部位岩土体沉降量。

本文建立的盾构隧道侧穿既有桥梁的数值计算模型,针对桥墩沉降、桥墩侧向位移和既有桥梁周边土体沉降3个指标,将模拟结果与实测结果进行对比,结果表明3个指标的模拟值与实测值吻合较好,所建模型有很好的适用性,也证明了运用本文的数值计算方法可以预测类似的盾构隧道侧穿既有桥梁施工引起的桥墩沉降、桥墩侧向位移及周边地表沉降的结果。