摘要：本文以郑州地铁一号线下穿南水北调干渠项目为例，利用有限元软件FLAC3D对该工程项目进行数值模拟分析，模拟盾构施工条件下隧道下穿南水北调干渠对桥桩造成的影响。最后根据实际监测数据，对盾构施工引起南水北调桥桥桩沉降变形、盾构施工引起某断面地表沉降变形、盾构隧道洞内衬砌收敛变形量、南水北调桥表面沉降变形进行对比分析，得到该盾构施工的快速稳定掘进可以保证南水北调干渠、桥桩的正常使用。
1区间侧穿南水北调干渠及桥桩施工影响预测分析
1.1计算模型
本次计算采用美国Itasca公司的Flac3D软件进行三维数值模拟，按照实际工况及地层参数进行建模，模型尺寸100m×50m×40m（长×宽×高），本构关系采用摩尔-库伦本构关系，地层、渠底垫层及盾构管片结构等采用六面体单元进行模拟，共30225个单元，33072个节点。
区间左线隧道于里程左K5+162.380处侧穿南水北调桥，距离南水北调桥台最近处约为6.96m。针对区间侧穿高架桥桩进行了数值模拟分析。模型计算选取距离桥桩最近的区间左线为对象，计算范围取：50m×40m×50m（宽×长×高）。站前大道跨南水北调公路桥桥梁全长158.2m，跨径组合为152m，桥梁全宽61.1m。全桥梁共有88根桩基、32个承台、8个桥台、8根墩柱，桥梁上部结构为（42+68+42）m三跨预应力混凝土变截面连续箱梁。计算模型包括左行线桥的44根桩与16个承台。每个承台分别作用有超载：F=10000N/m2。
1.2施工荷载选取：
①地面超载为10kPa；
②盾构掘进模拟中，开挖面支护压力取修正值，为150kPa；
关于盾构掘进过程模拟如下：
①在隧道开挖面施加支护压力模拟盾构推力；
②每次开挖进尺为管片宽度1.5m，包括管片部分和内部土体；
③开挖该环土体后，在管片外围施做壳体shell单元，赋以盾壳力学参数，用于模拟盾壳对围岩的支撑作用；
④隧道开挖5环后，开始施做盾构管片，并将shell单元赋以注浆体1的参数，用于模拟盾尾注浆的凝固过程，再开挖5环后，将shell单元赋以注浆体2的参数，用于模拟盾尾注浆完全硬化，盾构管片、注浆体等力学参数。
1.3模拟过程不同工况及阶段说明
工况1：干渠内没有水流，即不在干渠表面设置水压力；
工况2：干渠内有水流，水深为7m，模拟过程中向干渠表面添加水压
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斜坡面到干渠底面的高度。
左线盾构隧道施工完成设为阶段1；双线盾构隧道施工完成设为阶段2。
1.4模拟预测结果分析
1.4.1南水北调干渠三维沉降云图
从模拟结果图中可以看出，在工况1即不考虑水压时，施工引起的地表沉降最大发生在盾构下穿南水北调干渠开始位置以及结束的位置，最大沉降为9.5mm；在工况2即考虑水压时，最大沉降量发生在干渠底面，最大沉降量约为10.5mm，盾构下穿开始及结束位置的沉降变形量变化不大。按照地表沉降曲线反弯点法确定沉降槽范围为距离结构中心18.4m，即沉降槽范围为36.8m。
1.4.2南水北调干渠沉降曲线云图
两种工况在左线（先施工）施工完成得到的沉降曲线趋势相似，均为关于左线隧道拱顶对称的单峰状沉降曲线槽，不考虑水压情况下干渠底面沉降最大值约为6mm，在考虑水压后，最大沉降变为8mm左右；而左右双线隧道施工完成在两种不同工况下的沉降曲线差异较大：工况1掘进施工形成的沉降曲线为关于双线隧道中间对称的单峰沉降曲线槽，最大沉降值约为8mm，符合Peck地表沉降曲线规律；而添加水压后沉降曲线变为关于双线隧道中间对称的双峰沉降曲线，最大沉降位于左右线中心线正上方，沉降值为10.5mm左右。
规范给出的干渠渠底允许位移控制值，所模拟的两种工况施工引起的变形值均小于允许变形值，能够保证南水北调干渠正常输送水的状态。
1.4.3南水北调桥桩变形
通过计算结果可看出，区间掘进完成后，桥桩的最大侧向变形为2mm，最大沉降为4.2mm，位于桥桩变形安全范围内。盾构掘进不会影响桥桩的使用安全。
2监测结果分析
限于篇幅，本文给出部分监测数据，盾构施工引起南水北调桥桥桩沉降变形、盾构施工引起某断面地表沉降变形、盾构隧道洞内衬砌收敛变形量、南水北调桥表面沉降变形如下内容所示。
2.1桥桩沉降监测
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图1桥桩测点布设示意图
采用冲击钻在桥墩的基础或墙上钻孔，孔径要大于测点直径，孔深根据墙体厚度决定；置入L型特殊钢元件，四周用水泥砂浆填实。钢元件可以为螺纹钢筋；统一进行编号，并在监测点旁边标清晰点名，定期巡视检查测点，损坏及时修补；不允许条件下，构筑物的测点可以采用胶粘法进行埋设，布设形式类同。
曲线图2中可以看出，两监测点的模拟曲线与实测曲线的趋势基本一致，这说明预测方法能够较好地预测出盾构侧穿桥桩施工引起的桥桩变形趋势，同时制定的措施能有效控制南水北调桥桩的变形。随着施工天数的推移，桥桩两监测点的变形值不断增大，JGC-1监测点在三周后沉降达到2.8mm左右，之后变形渐趋稳定；JGC-2监测点类似于监测点JGC-1，最大值趋近于5mm，均满足规范要求。
2.2马道沉降监测分析
图3为对马道地面沉降实测和模拟值的对比曲线图。
分析图3可知，该监测断面下的地面距隧道拱顶距离15.9m，所以该断面下的隧道为浅埋隧道，所以隧道开挖对该处地表沉降影响较大，通过对比分析两曲线可知，模拟预测曲线变化趋势与实测地面沉降曲线基本类似，其中模拟预测的最大沉降值为9.19mm，现场实测的最大沉降值为7.05mm，两曲线最大差值为2.14mm，均小于规范要求的12mm，误差率为23.3%。
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图2桥桩变形曲线
2.3桥面竖向位移监测
桥面沿隧道轴向方向的纵向位移实测数据与模拟分析对比可知，现场实测最大沉降值为4.2mm，模拟监测最大沉降值为4.5mm，误差为6.7%，均满足控制值10mm的沉降要求。
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图3监测断面地层沉实测与模拟数据对比
3结论
通过对盾构下穿南水北调干渠做出预测，对比分析桥面沿隧道轴线方向现场实测与数值模拟，现场实测最大沉降值为8.8mm，模拟监测最大沉降值为8mm，误差为9.1%，均满足控制值10mm的沉降要求。既保证了盾构的快速稳定掘进以及南水北调干渠、桥桩的正常使用，也为其他类似的工程提供了参考。
论文作者:田洪肖1,王君霞2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/3/13
标签：桥桩论文; 盾构论文; 干渠论文; 南水北调论文; 隧道论文; 曲线论文; 工况论文; 《基层建设》2019年第29期论文;