地鐵隧道施工對既有橋梁變形控制技術研究

王博，張保圓

(1.寧夏建設職業技術學院，銀川 750021;2.中鐵十二局第二工程公司，太原 030024)

地鐵隧道施工對既有橋梁變形控制技術研究

王博1，張保圓2

(1.寧夏建設職業技術學院，銀川 750021;2.中鐵十二局第二工程公司，太原 030024)

以西安地鐵二號線十五標段穿越長安立交橋段區間隧道為依托，采取理論分析、現場監測與數值模擬相結合的方法，對城市淺埋暗挖隧道施工對既有橋梁的變形控制技術進行了研究，針對實際工程提出了合理的控制橋梁變形的措施。

暗挖區間隧道 橋基變形 FLAC模擬 控制技術

城市地鐵的大量修建必然受到城市既有建筑環境的制約，導致許多新建的地鐵線只能沿著既有立交橋路線延伸，交織穿行于立交橋的基礎樁群之間。如何在當前的地鐵區間隧道建設中保證隧道上方橋梁、房屋等建筑的安全和正常使用，已經成為一個十分重要的問題。開展淺埋地鐵區間隧道暗挖施工對既有橋梁的變形控制技術的研究，可以為地鐵區間開挖過程中鄰近建筑物的安全使用提供科學依據，具有重要的工程應用價值。

1 工程背景

西安地鐵二號線區間隧道左、右線在YDK16+ 610—YDK16+690段長80 m下穿長安路立交橋，隧道開挖拱頂距橋梁主跨基礎底面為7.21～7.94 m。

長安立交橋橋面總寬51.5 m(包括護欄)。基礎為擴大基礎，下采用1.5 m厚片石混凝土處理。根據已收集到南二環立交橋的竣工資料，初步估算基底承載力為140 kPa。長安立交橋建于1994年，由于地裂縫的活動及人為過量開采地下水的影響，長安立交橋已經發生了不均勻沉降且變形明顯，最大處梁體錯臺已達到22 cm，基本接近危橋狀態。

擬建區間場地位于黃土梁洼區，地表分布有厚薄不等的全新統人工填土();其下為上更新統風積()新黃土及殘積()古土壤;第一層古土壤下部在黃土梁區為中更新統風積()老黃土、殘積()古土壤及沖積()粉質黏土、砂土等，在洼地區為上更新統沖積()粉質黏土、砂土及中更新統沖積()粉質黏土、砂土等地層。

本區間地下水埋深介于6.70～10.90 m，地下水高程介于401.35～405.21 m之間。

2 開挖施工方案的FLAC模擬優化設計

本文運用FLAC模擬了兩種可行的地鐵隧道開挖施工方案，最后確定可以有效控制橋基變形的隧道施工方案。

長安立交橋區間為雙線雙洞隧道，線間距15.0 m，大部分為直線段。區間隧道為五心圓結構，隧道在開挖前采用小導管周壁預注漿，初期支護與二襯背后進行回填注漿。

擬建隧道拱頂距橋梁基礎約6.3 m，對長安立交橋區間設置長管棚并對其進行注漿。本文主要對長管棚的設置與否進行對比分析。

2.1 模型的建立

隧道開挖(礦山法)施工采用短臺階法開挖，隧道高6 500 mm，寬6 280 mm，隧道左線中線與隧道右線中線相距15 m，拱頂距地表9.718 m。本文選取隧道1－1斷面進行模擬，選取段如圖1所示，選取50 m×1 m×27.5 m(長×寬×高)的區域建立FLAC計算模型(圖2)，模型產生單元數9 408，節點數12 848。

2.2 開挖模擬

本文應用殼體單元模擬超前支護的作用，以襯砌單元模擬初期支護的作用，應用錨桿結構單元模擬錨桿的作用。模型建立完成之后，進行開挖計算。計算模型模擬過程分為五個步驟進行:①初始地應力計算;②隧道超前支護;③進行上部開挖;④施作初期復合式襯砌;⑤下部開挖并施作下部初期復合式襯砌。

模擬過程與施工過程同步，長管棚設置超前小導管注漿，進行簡化模擬，方法是長管棚打設及管棚注漿簡化殼體單元，殼體單元厚度為2倍長管棚注漿擴散半徑，同時將管棚的彈性模量折算給殼體單元，管棚的作用采用等效方法予以考慮，計算方法為

圖1 模擬斷面在隧道中的位置

式中，E為折算后殼體單元的彈性模量;E0為原殼體單元彈性模量;Eg為管棚的彈性模量;Sg為管棚支護等效截面面積;Sc為支護斷面的截面面積。

超前小導管注漿主要簡化方法為增大超前小導管周圍土體的參數。

2.3 計算結果分析

圖3給出了無超前預支護條件下，隧道開挖時地層的豎向位移云圖。此工況中對地層未進行超前管棚注漿及超前小導管注漿，土層性狀未改變，隧道周圍土層抗壓及黏結強度較低;上部隧道開挖后，拱頂沉降最大421 mm，橋基沉降最大值達到200 mm，均大大超過拱頂沉降及橋基沉降允許值。

圖4給出了超前預支護條件下，隧道開挖時地層豎向位移云圖。由于對開挖隧道上拱進行了大管棚的設置，以及超前注漿小導管的設置，地層的變化最大值較圖3地層變化最大值為小。圖4中隧道拱頂部位產生一個小面積的局部大變形(拱頂沉降)，最大值為40 mm，地表的沉降槽寬度大約為25 m，橋基沉降最大為13 mm;下拱隆起較小;橋基不均勻沉降未超過5 mm，滿足橋梁不返修的條件。

圖3 隧道無超前預支護開挖豎向位移云圖(單位:m)

圖4 隧道超前支護后上部開挖豎向位移云圖(單位:m)

圖5 隧道超前支護后下部開挖豎向位移云圖(單位:m)

從圖5可以看出，隧道圍巖在下臺階開挖第二次擾動后，隧道上部橋基產生的豎向位移云圖形狀未發生大的變化，位移變化區間變為－20～－10 mm和－10～0 mm兩個位移區間，地表的沉降槽寬度增加為31 m;隧道拱頂部位的局部大變形面積擴大，豎向變形值為－40～－20 mm;橋基不均勻沉降最大值為4.3 mm，滿足橋梁不返修的要求。

FLAC計算表明，上下臺階法施工開挖完成后，橋基最大豎向位移為13 mm，同一個橋基不均勻沉降最大值為4.3 mm，拱頂沉降最大值為41 mm，基本符合沉降允許值。

經過以上數值模擬數據的分析，最后確定施作大管棚加超前小導管注漿后上下分步開挖作為施工方案。

3 橋基變形控制措施

3.1 超前大管棚設計

1)設計參數

管棚打設范圍80 m;采用φ159×8 mm鋼管;間距(沿區間隧道拱部輪廓外)400 mm。

2)施工工藝

管棚采用濕鉆法，即膨潤土泥漿護壁水鉆法跟管鉆進，鋼管安裝和鉆機進尺是同一過程。鉆頭采用與鉆管等徑的楔型鉆頭，楔板回轉半徑略大于鉆管半徑，鉆頭前端有φ10～15 mm的風眼，當鉆頭正常回轉鉆進時鉆管沿直線前進。當鉆頭由于某種原因偏離預定軌跡某一方向時，則需要糾偏。糾偏方法是把鉆頭楔面調至已經偏斜的方向，鉆機停止回轉加力頂進，由于斜面的作用鉆頭就會向相反的方向偏斜，以此調整鉆進的方向。

3)注漿參數設計

大管棚注漿采用水泥漿，水灰比為1∶0.8，注漿量根據鋼管內和鋼管外的環狀間隙計算，然后看地層滲漏情況確定每一根鋼管的注漿量。注漿要求管內排出水泥漿后，關閉排漿閥，泵壓控制在0.8～1.2 MPa以內停止注漿，停15～30 min進行二次補漿。

3.2 超前小導管注漿注漿設計

1)施工工藝

為改良工作面前方地層，保證開挖工作面的穩定，隧道開挖時須采用超前小導管注漿加固地層。在一般土層超前小導管采用外徑φ42×3.5 mm焊接鋼管;小導管根據格柵間距一榀或兩榀打設一次，沿隧道縱向搭接長度為1 m，環向間距300 mm;如遇到特殊地層，可根據現場情況一榀打設一次。

2)打設范圍

起拱線以上范圍;若全斷面為砂層則應根據現場情況擴大打設范圍，保證工作面穩定。

3)小導管漿液材料

一般情況下采用改性水玻璃，有水情況下采用水泥-水玻璃雙液漿。注漿量、配比、注漿壓力根據現場試驗確定，要求注漿擴散半徑不小于0.25 m。

4 橋基變形監測

列出橋基沉降JQ1系列監測點累積沉降變形曲線如圖6。

JQ1各點變形規律分析。

JQ1-4:前期變化不穩定，但保持在4～5 mm之間，7月20日以后變形穩定在7 mm左右。

JQ1-7:前期變化同JQ1-4監測點基本吻合，兩個點處于同一橋樁承臺上，兩點沉降差未超過5 mm，變形處于安全范圍內。

JQ1-8:變形曲線于7月25日后漸趨穩定，最大變形穩定在8 mm左右。

圖6 JQ1系列監測點累積沉降變形曲線(單位:mm)

JQ1-11:變形曲線與JQ1-8曲線基本并行，與JQ1-8監測點沉降差基本保持在5 mm，變形穩定在安全范圍內。

區間隧道監測數據與模擬數據對比，發現實際橋基累計沉降量略大于數值模擬中橋基沉降最大值;洞頂沉降與洞內收斂值，實際監測數據小于數值模擬值;說明FLAC計算的模型正確，結果可信并滿足施工要求。

5 結論

以西安二號線十五標段區間隧道為實際工程背景，對所研究的區間隧道的結構特點及施工難點進行了分析。將上下臺階法無超前預支護與上下臺階法施作大管棚加超前注漿小導管，作為擬采用的兩種隧道開挖施工方案，運用FLAC方法對兩種隧道開挖施工過程進行了模擬，預測了兩種施工方案引起橋基變形規律。

根據FLAC計算預測得到的橋基變形規律，建議了施作大管棚加超前小導管注漿和格柵鋼架的聯合施工方法，為區間隧道施工期間控制既有長安立交橋變形的施工方案。監測數據表明該方案合理可行，為今后此類隧道施工提供了參考。

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TU94+1;U456.3+1

B

1003-1995(2011)02-0064-03

2010-08-03;

2010-10-13

王博(1984—)，男，寧夏銀川人，助教，碩士。

(責任審編 孟慶伶)