譚芝文，戴亦軍，陳燈強，雷 軍，李水生，趙晨陽

(1.中建隧道建設有限公司，重慶 401320；2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004；3.中南大學土木工程學院, 湖南 長沙 410075)

本文依托重慶軌道交通9號線何家梁—石盤河區(qū)間隧道近距離側(cè)穿相距極近的滬蓉線和鄭渝線寸灘特大橋工程，擬采用數(shù)值模擬方法分析隧道近距離側(cè)穿施工對相距極近橋梁變形的影響特性，并提出施工控制技術，相關研究成果可為類似工程施工提供指導。

1 工程概況

1.1 工程背景

重慶軌道交通9號線是重慶市軌道交通的重要組成部分，該線路的何家梁—石盤河區(qū)間隧道先后下穿多條鐵路線，如圖1所示。其中，該隧道側(cè)穿滬蓉線寸灘雙線特大橋(5跨連續(xù)梁)42～44號墩，與3個橋墩的水平最小距離分別為8.65，9.9，7.17m；側(cè)穿鄭渝線寸灘雙線特大橋(5跨連續(xù)梁橋)30～31號橋墩，與2個橋墩的水平最小距離分別為3，14m。滬蓉鐵路和鄭渝鐵路寸灘雙線特大橋通行列車較多，受保護程度要求高。

該區(qū)間隧道場區(qū)為構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，地層主要為素填土、第四系全新統(tǒng)殘坡積層、侏羅系中統(tǒng)砂溪廟組砂巖和砂質(zhì)泥巖。場地周邊存在較大匯水區(qū)域，大氣降雨向場區(qū)內(nèi)溝谷地帶匯集，故溝谷地帶及裂隙較發(fā)育的基巖中地下水較發(fā)育。隧道洞身穿越地層主要為人工填土、粉質(zhì)黏土和強風化基巖，隧頂上覆填土層厚28.0～31.3m，為Ⅵ級淺覆巖隧道。

1.2 支護設計與施工方案

何家梁—石盤河區(qū)間隧道側(cè)穿滬蓉線及鄭渝線寸灘特大橋區(qū)段的隧道支護形式如圖2所示。側(cè)穿施工期間，采用臺階開挖預留核心土法進行施工。上臺階施工過程中，采用管棚及注漿導管方式進行超前加固；下臺階施工過程中，采用超前注漿小導管對土體進行加固。隧道底部設置梅花形布置的灌注樁，樁體直徑0.5m，橫、縱向間距分別為12.25，6.5m，樁體嵌巖深度為3m。

圖2 隧道支護結(jié)構(gòu)設計

1.3 控制標準

根據(jù)橋梁保護要求，擬定施工期間滬蓉線和鄭渝線寸灘特大橋的相關變形控制標準如表1所示。

表1 橋墩位移控制標準 mm

2 側(cè)穿施工對橋墩影響分析

2.1 分析模型

為分析重慶軌道交通9號線側(cè)穿施工對滬蓉線和鄭渝線寸灘特大橋變形的影響，結(jié)合實際情況建立如圖3所示三維有限元模型。模型中各部分均按實際尺寸進行建模，橋墩下方樁基參數(shù)如表2所示。

圖3 計算模型(單位：m)

表2 樁基參數(shù)

2.2 分析方法

模型中，采用等效剛度的方法考慮鋼拱架的作用，即將鋼拱架的剛度等效折算給噴射混凝土，折算方式為：

(1)

式中：E為折算后混凝土彈性模量；E0為原混凝土彈性模量；Sg為鋼拱架截面積；Eg為鋼材彈性模量；Sc為混凝土截面積。

采用等效方法考慮超前小導管、錨桿、管棚等加固措施在改善地層性質(zhì)方面的效果。將樁體與土體2部分視為復合土體，采用復合模量來評價復合土體的壓縮性。根據(jù)樁土變位相等可得到如下公式：

Ec=mEp+(1-m)Es

(2)

式中：m為復合地基面積置換率；Ec為復合地基彈性模量；Es為土體彈性模量；Ep為樁體彈性模量。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料和相關規(guī)范，確定模型中主要計算參數(shù)取值，如表3所示。

表3 主要計算參數(shù)

模型中，采用接觸算法模擬各實體間的相互作用。接觸可分為切向與法向2個方向。切向采用庫侖摩擦定律，臨界切應力為：

τcrit=μp

(3)

式中：τcrit為臨界切應力；μ為摩擦系數(shù)；p為法向接觸壓強。

采用罰函數(shù)模型模擬接觸面間的法向作用：

(4)

式中：p為接觸法向應力；h為嵌入量；kin為接觸面嵌入懲罰剛度；f為懲罰函數(shù)。

模型中，簡支梁上部荷載以均布荷載形式施加于橋墩頂支座處。支座反力的計算考慮梁體自重、二期恒載及列車活載的組合作用。列車荷載參照TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規(guī)范》中的中華人民共和國鐵路標準活載進行計算，包括最不利靜活載和動力沖擊系數(shù)。

動力沖擊系數(shù)計算式為：

(5)

式中：L為橋跨長度；h為路基填充高度，h取0.5m。

結(jié)合鄭渝線及滬蓉線寸灘特大橋的設計圖紙，確定各橋墩支座反力如表4，5所示。模型中列車縱向制動力根據(jù)規(guī)范要求按車輛靜載的10%進行計算。除上表面外，土體其他邊界面采用法向位移約束。

表4 鄭渝線寸灘特大橋墩頂支座反力 kN

表5 滬蓉線寸灘特大橋墩頂支座反力 kN

2.3 橋墩位移

模型中，順橋向為x軸、橫橋向為y軸、豎向為z軸，坐標原點為相應線路分析橋墩位移時墩臺的中心位置，具體方位和正負關系如圖4所示。圖5～6分別給出何家梁—石盤河區(qū)間開挖過程中，滬蓉線及鄭渝線寸灘特大橋5個橋墩頂部的位移變化情況。

圖4 坐標系統(tǒng)

圖5 滬蓉線寸灘特大橋橋墩位移曲線

圖6 鄭渝線寸灘特大橋橋墩位移曲線

從中分析可知：

1)順橋向水平位移主要產(chǎn)生于施工至距橋墩群樁前后約2D(D為隧道洞徑)范圍內(nèi)，31號橋墩施工期間的順橋向水平位移最大，約4.3mm，未超過允許值。

2)施工面到達橋墩結(jié)構(gòu)群樁基礎時，橫向位移達到最大，變形曲線呈U形分布。43號橋墩橫向變形最大，為3.6mm，未超過允許值。

3)各橋墩的豎向位移變化量均≤1mm，豎向相對沉降滿足施工控制要求。

3 施工控制措施建議

1)隧道開挖至距橋墩±2D范圍時，應加強對橋墩變形的監(jiān)測。新建隧道左、右洞施工縱向間距應控制在5倍單洞跨度以上。

2)施工監(jiān)控量測中，應制定嚴密的監(jiān)測方案和實施計劃，并重點加強順橋向水平位移指標的監(jiān)測。具體線下監(jiān)測指標宜包括橋梁墩頂、墩底及墩臺附近土體三維位移。

3)建議采用較大外插角或全環(huán)增加長3.0m的φ25中空注漿錨桿以加固圍巖和封堵地下水，加固圈厚度宜≥3.0m。

4)在確保單層初期支護能有效控制圍巖松弛變形的前提下，建議將雙層初期支護調(diào)整為單層初期支護，以使得施工效率更高。

5)側(cè)穿施工期間，嚴格遵循既有的“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測、速反饋”施工原則。應注意加強既有鐵路橋梁樁基和中間巖柱的保護。加強超前注漿施作與質(zhì)量檢驗，嚴格控制循環(huán)進尺和超欠挖，禁止爆破。

4 結(jié)語

1)重慶軌道交通9號線下穿滬蓉線及鄭渝線寸灘特大橋期間，鄭渝線寸灘特大橋31號橋墩順橋向水平位移最大，約4.3mm，變形未超出容許值，滿足施工控制要求。

2)順橋向水平位移主要產(chǎn)生于施工至距橋墩群樁前后約2D范圍，該范圍內(nèi)施工時應加強對橋墩變形的監(jiān)測。新建隧道左、右洞施工的縱向間距應控制在5倍單洞跨度以上。

3)建議采用較大外插角或全環(huán)增加長3.0m的φ25中空注漿錨桿以加固圍巖和封堵地下水，加固圈厚度宜≥3.0m。在確保單層初期支護能有效控制圍巖松弛變形的前提下，建議將雙層初期支護調(diào)整為單層初期支護。