盾构隧道下穿既有高架桥工程措施及施工影响分析

赵 伟

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

城市地铁区间下穿既有桥梁可能对既有桥梁产生不利影响，国内一些学者对此进行了一些相应研究：赵青[1]、胡众[2]等对盾构隧道施工过程有限元模拟进行了研究，赵岩[3]、丰土根等[4]对盾构隧道下穿桥梁对桥梁基础的影响进行了研究。采用有限元计算的方法，对沈阳地铁四号线南五马路站-砂阳路站盾构隧道下穿南八马路高架桥的影响进行分析，为项目建设提出了合理建议，确保既有桥梁的安全。

1.1 区间下穿高架桥工程概况

沈阳地铁四号线南五马路站-砂阳路站区间采用盾构法施工，盾构掘进地层主要为中粗砂、砾砂，盾构隧道下穿既有南八马路高架桥，侧穿桥桩。盾构隧道外径6m，内径5.4m，隧道衬砌厚300mm。衬砌管片分为6块，每环的宽度为1200mm，管片采用错缝拼装。区间右线下穿高架桥位置桥跨为14.5m，区间左线下穿高架桥位置桥跨为17.5m。隧道结构与桥桩最小水平净距3.4m，竖向净距约13.21m。隧道与高架桥位置关系见图1、图2。

图1 盾构隧道与高架桥位置关系平面图

图2 盾构隧道与高架桥位置关系剖面图(单位：mm)

南八马路高架桥为双向两车道高架桥，区间下穿位置上部结构为钢筋混凝土现浇单箱单室连续梁，箱梁顶面宽9m，底面宽4m，悬臂板长2.5m。桥墩采用混凝土现浇独柱Y型墩，区间下穿位置桥墩高度约5.0～5.1m。桥桩采用人工挖孔桩，桩径为1.5m，桩长9m，采用两桩抬一柱的形式，两桩采用承台连接，承台平面尺寸为2.5m×6.5m，厚度1.5m。

1.2 区间下穿高架桥保护措施

(1)盾构区间下穿高架桥主要通过控制盾构施工参数减小施工对高架桥的影响，具体措施如下：

①穿越前根据前期得到的各项参数制定出最优掘进参数，并完成刀具检查，避免在穿越段进行开仓换刀，确保盾构以最佳姿态穿越建筑物地段。

②加强下穿段的同步注浆及二次注浆，施工中同步注浆应及时跟进并根据监测情况调控注浆量，保证填充密实，缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间，并改良浆液配比，缩短浆液凝固时间。根据监测情况及时进行二次补强注浆，合理控制注浆压力，严格控制盾尾沉降和盾尾空隙沉降。

③穿越期间，采用“适当推进力，均速通过”的方式组织盾构施工，设定合理的土仓压力、出土量等掘进参数，尽量减少盾构施工造成的地层变形，根据地表监测数据及时调整盾构掘进参数。控制结构变形及保证高架桥的安全。

④加强监测，根据监测数据加强掘进参数的调整和盾构姿态的控制，及时调整盾构掘进参数，减小地层变形。

⑤当地表、高架桥变形值即将超过预警值，危及其安全时，可采取地面跟踪注浆加固、洞内补充注浆等行之有效的措施控制结构变形，保证既有市政高架桥的安全。制定并执行其它相关应急预案。

(2)根据相关规范及高架桥现状，对高架桥采用严格的变形控制指标，控制指标见表1。

表1 南八马路高架桥评估变形控制指标

2.1 三维有限元计算模型

模型分析南五马路站～砂阳路站区间施工对南八马路高架桥的影响。建立考虑南五马路站-砂阳路站区间，既有南八马路高架桥的三维地层—结构有限元模型。模型长120m，宽48m，高55m。地层结构模型中土层单元采用实体单元模拟，摩尔库伦材料模型；
既有南八马路高架桥桥墩、承台、混凝土箱梁采用实体单元模拟，弹性材料模型，桥桩采用梁单元模拟，弹性材料模型；
新建南五马路站-砂阳路站区间盾构隧道衬砌及盾构盾壳采用板单元模拟，弹性材料模型；
盾构壁后注浆采用实体单元模拟，弹性材料模型。在模型底部施加竖向约束，模型四个侧面分别施加垂直于侧面方向的水平位移约束。模型施加重力荷载，高架桥路面施加均布荷载。模型见图3、图4。

图3 计算整体模型

图4 结构模型详图

2.2 计算模型主要参数

(1)岩土参数

区间下穿高架桥位置土层自上而下依次为：①杂填土、④-1粉质黏土、④-3中粗砂、④-4砾砂、⑤-3中粗砂、⑤-4砾砂。土体参数见表2。

表2 地层参数表

(2)结构参数

模型中的结构主要有盾构区间及高架桥。结构构件力学参数见表3。

表3 结构构件力学参数表

2.3 施工过程模拟

南五马路站-砂阳路站区间施工模拟之前进行地应力平衡，激活南八马路高架桥结构，模型位移清零。盾构从南五马路站盾构井始发，在砂阳路站盾构井接收，区间采用两台盾构机施工，左线盾构先始发，右线盾构后始发。盾构隧道推进过程模拟分为土体开挖、盾构机的顶进、衬砌环的拼装、推进面压力模拟及壁后注浆模拟等[5]。

2.4 计算结果分析

(1)盾构正常施工工况既有高架桥结构变形分析

承台最大沉降量发生在③号承台，施工完成最大沉降量为5.60mm，见图5。②号及④号承台沉降量较大，②号承台最大沉降量为3.00mm，④号承台最大沉降量为3.73m，①号及⑤号承台沉降量较小。相邻承台最大差异沉降为3.51mm，为④号承台与⑤号承台沉降差。承台沉降随施工步变化见图6。

图5 施工完成高架桥基础沉降云图(单位：mm)

图6 基础沉降随施工步变化曲线

区间施工完成时承台最大水平变形发生在④号承台，最大水平变形为1.12mm，②号承台水平变形也较大，最大水平变形约0.90mm，见图7。承台水平变形随施工步变化见图8。

图7 施工完成高架桥基础水平变形云图(单位：mm)

图8 基础水平变形随施工步变化曲线

区间全部施工完成时，桥墩顶部及底部水平变形见图9，④号桥墩倾斜最大，最大倾斜为0.202‰，②桥墩倾斜也相对较大，最大倾斜为0.192‰，①号桥墩及⑤号桥桥墩倾斜约为0.1‰。桥墩倾斜随施工步变化情况见图10。

图9 施工完成桥墩水平变形云图(单位：mm)

图10 桥墩倾斜随施工步变化曲线

(2)盾构施工引起地面沉降与高架桥沉降变形关系分析

地下工程施工存在较大的不确定性，盾构区间下穿风险源施工参数通过试验段确定。通过调整盾构背后注浆体弹性模量施工参数，计算不同施工参数下模型地面沉降量、承台沉降及承台差异沉降，绘制承台沉降量及承台差异沉降量与地面沉降量关系曲线，见图11。结果显示承台沉降量及承台差异沉降量与地面沉降量近似呈线性关系，可以通过盾构区间试验段地面沉降监测结果，预测盾构区间下穿高架桥时承台沉降结果。根据计算结果，地表沉降为9mm时，承台最大沉降量达到10mm，地表沉降为7.5mm时，承台最大差异沉降达到5mm。因此盾构区间试验段，应确保地表沉降量小于7.5mm。

图11 高架桥承台沉降与地表沉降关系曲线

采用有限元计算方法分析南五马路站-砂阳路站区间施工对既有南八马路高架桥的影响，分析了高架桥承台及桥墩变形随施工步的变化情况，获得了高架桥承台变形与地表沉降的关系，得出如下结论：

(1)本工程盾构正常施工高架桥承台最大沉降量为5.60mm，最大差异沉降量为3.51mm，最大水平变形量为1.12mm，桥墩最大倾斜为0.202‰，满足规范要求，可以保证高架桥安全。

(2)本工程承台沉降量及承台差异沉降量与地面沉降量近似呈线性关系，因此可以通过盾构区间试验段地表沉降预测承台沉降量及承台差异沉降量，从而对承台沉降及差异沉降提前进行预判和管控。本工程试验段地表沉降量不得大于7.5mm，否则承台最大差异将超标，需提前对高架桥桥桩及其下方土体进行注浆加固。

(3)盾构区间下穿高架桥工程，应在管片上部预留注浆孔，当变形达到报警值时，应对高架桥进行封闭，并进行洞内注浆，对土体进行加固。

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