基于數值模擬的盾構近距離穿越箱涵施工技術

周 舟 李乾峰 谷海華 徐書偉 蔡攀攀

中建三局集團有限公司工程總承包公司 湖北 武漢 430061

1 工程概況

1.1 箱涵概況

長沙地鐵4號線某區間隧道長855.202 m，埋深8.00～18.00 m，線間距15 m。隧道左、右線先后各2次橫穿雨水箱涵和過水箱涵（圖1）。雨水箱涵沿福元路大橋敷設，與隧道垂直凈距離為0.96 m，隧道頂部埋深10 m。過水箱涵橫跨瀟湘北路，兩端敞口，與隧道垂直凈距離1.84 m，隧道頂部埋深15.4 m。2個箱涵是截面尺寸、壁厚相同的現澆鋼筋混凝土框架結構，截面尺寸7.2 m×3.7 m，壁厚600 mm。

圖1 區間隧道與箱涵的下穿關系

1.2 工程地質概況

雨水箱涵位置的地層情況為：雜填土（厚5.8 m）、粉質黏土（厚1.6 m）、黏土（厚0.8 m）、強風化巖（厚6.2 m）和中風化巖。洞身范圍內為強、中風化板巖。

過水箱涵位置地層情況為：雜填土（厚12.6 m）、黏土（厚1.4 m）、強風化巖（厚2.6 m）、中風化巖（厚2.4 m）和微風化板巖。洞身范圍內為強、中、微風化板巖。

2 施工勘察與箱涵現場調查

2.1 施工勘察

過水箱涵位置的地貌為原天然的排水溝，存在淤泥層或軟弱土層，修建時需要進行地基處理，如果是采用拋石擠淤方法，則箱涵與隧道之間的土體大部分為塊石。盾構刀盤切削塊石層，容易導致拱頂塊石松動或坍塌，增大了盾構下穿風險。為了解過水箱涵位置的地層情況，對箱涵兩側進行施工勘察?？辈禳c共設4個，布置在箱涵兩側0.8 m的位置，且都在隧道平面外，深度為隧道底以下3 m。勘察結果與詳勘報告基本相同，無塊石層。

2.2 箱涵現場調查

箱涵的實際位置與設計圖紙的位置存在施工誤差或者施工偏差，當偏差較大時，箱涵與隧道之間垂直距離可能更小，甚至侵入隧道內。施工、技術和測量人員對箱涵的位置、標高進行測量，確定了實際位置與設計位置基本相同，并請專業蛙人下井調查了箱涵的結構形式、尺寸、沉降縫位置、水流量。

經調查，雨水箱涵在隧道左右50 m范圍內有3處井蓋，箱涵內水位高1.1 m（底部積淤厚度0.8～0.9 m）。箱涵內部未發現施工縫及沉降縫，在YS6井西側7 m處箱涵北側側墻上有1條斜向裂縫（長約1 m），未形成貫通裂縫，裂縫位于隧道右線輪廓線以西1 m（圖2）。

過水箱涵兩頭開放，全長70.2 m，箱涵內常水位水深0.7 m，水流平緩。過水箱涵每隔約14 m有1道施工縫，其中有1道施工縫位于右線隧道軸線西側2 m處（圖3）。

圖2 雨水箱涵裂縫位置示意

圖3 過水箱涵施工縫位置示意

3 箱涵模擬模型建立

為預測盾構下穿箱涵產生的影響，采用數值模擬軟件FLAC3D進行了數值模擬，分析隧道施工對箱涵變形及地表的沉降。結合盾構施工過程，分4個階段進行模擬：盾構機刀盤臨近箱涵，盾構刀盤位于箱涵正下方，盾尾脫出箱涵，盾尾遠離箱涵。下穿箱涵的三維模型長寬高為42 m×50 m×22.24 m（圖4），隧道軸線埋深13.04 m，箱涵位于模型中部，為一整體實體單元，對模型相應位置施加20 kPa均布荷載，模擬地表受荷情況。巖土體、雨水箱涵均采用基于Mohr-Coulomb本構模型的實體單元進行模擬，盾殼、管片均為彈性殼單元（Shell）。

圖4 盾構下穿箱涵模型

經計算，箱涵沉降主要發生在第2、3階段，約占總沉降的80%，過水箱涵最大沉降為6.8 mm，雨水箱涵最大沉降為3.2 mm。

4 箱涵加固方案

在無預加固措施的條件下，盾構下穿箱涵存在一定的風險，為化解可能出現的風險，采用預埋袖閥管和二次注漿的應急預案措施。當沉降數據報警時，立即進行地面袖閥管跟蹤注漿，同時在洞內成型管片背后進行二次注漿，以確保箱涵和地面沉降趨于穩定[1-4]。

4.1 預埋袖閥管

在箱涵兩側1 m的位置各預埋1排袖閥管（圖5），袖閥管間距1 m，埋設深度為箱涵下2 m。袖閥管施工時注意預埋管方向，避免打入隧道范圍內，對盾構施工造成影響。預埋袖閥管主要是一種應急措施，即當累計沉降大于30 mm時，對袖閥管進行注漿，防止沉降進一步擴大而造成安全事故。

圖5 袖閥管埋設位置設計示意

4.2 二次注漿

在盾構機連接橋上放置注漿機、水泥、水玻璃等設備及材料，出現沉降過大、隧道漏水等異?，F象時，立即進行二次注漿。注漿材料為水泥漿、水玻璃的混合雙液漿，水泥漿與水玻璃的體積比1∶1，漿液初始凝結時間控制在20～48 s。水泥漿現場拌制，水泥與水質量比為1∶1。

4.3 取消鋼套管加固

原設計對箱涵施工縫位置進行鋼套管加固，但考慮箱涵都位于城市主干道正下方，早晚高峰期車流量大，且進入雨水箱涵僅有直徑1 m的檢查井，材料放入困難，以及箱涵內部淤泥厚約1 m，作業環境惡劣，風、水、電接入困難等一系列難題，鋼套管施工的實施難度相當大。基于箱涵的實際情況和FLAC3D模擬分析結果，項目組織盾構、結構、地質方面的專家和建設、設計、地勘、監理等單位人員，對箱涵取消鋼套管加固進行評審，專家一致認為：在做好應急預案、優化掘進參數、加強信息化施工和監控量測的前提下，可取消鋼套筒加固。

5 盾構掘進施工方案

5.1 箱涵掘進前準備工作

1）工程部、技術部、測量人員提前10～30環開始收集、分析掘進參數和監測數據，根據沉降數據動態優化掘進參數。

2）保證現場至少20環合格的管片、注漿材料、防水材料、盾構機耗材及零配件等。

3）清空渣土池，保證盾構掘進通過箱涵前一環時渣土池至少有20環倒渣容量。

4）檢查盾構機及后配套設備的日常維修保養，確保掘進通過箱涵時設備運轉正常。

5.2 掘進參數控制

掘進參數控制主要是沉降數據、土倉壓力和出渣量。當單次沉降值大于1 mm時，應該減少出渣量，提高土倉壓力，每環土倉壓力提高值不超過50 kPa，直至單次沉降數據在1 mm內；當單次隆起大于0.5 mm時，應該加大出渣量，降低土倉壓力，每環土倉壓力降低值不超過50 kPa。

5.3 施工過程控制

1）推進過程應保持盾構機有良好的姿態，嚴禁對盾構機糾偏過急，造成姿態劇烈起伏變化，水平前端控制在20～30 mm，垂直前端控制在設計軸線以下10～30 mm。

2）加強注漿管理，在盾構通過后3～5環立即進行二次注漿，臺車通過后對箱涵位置再次補充注漿。

3）加強沉降監測，如發現地表沉降值大于30 mm時，對箱涵進行袖閥管注漿，盾構機操作手在停機前應確保頂部土壓力在120 kPa以上。

4）保證泡沫管暢通，本段掘進過程原則上要求全過程加注泡沫劑溶液，注入泡沫時為避免過大的氣流量，造成噴涌或土倉氣壓丟失產生壓力驟減，可采用手動模式調節空氣流量、調小泡沫槍流量及調整泡沫槍注入路數等措施，以降低土倉內的空氣壓力。

5）掘進施工過程中派專人對地面進行巡視。發現地面有裂縫等異?，F象時，立即上報至工作群，由值班領導組織人員制訂處理措施。

6 施工監測方案及結果分析

6.1 監測點布設及監測頻率

1）箱涵埋深大，而且入口很小，在箱涵內部設置監測點困難，人員進行監測更加困難。一般的地面沉降監測點不能快速反映箱涵的沉降變形，為更加準確地測量箱涵沉降情況，在箱涵與隧道交叉的位置加密布設4個監測點，監測點埋設深度至箱涵頂板，要求套管和鋼筋底端都要與箱涵頂板相接觸，并灌入細沙填充，以提高監測點的測量靈敏度（圖6、圖7）。

圖6 加密監測點平面布設示意

2）盾構穿越箱涵過程中，每30 min進行沉降監測，測量數據上傳至工作群，并標明是否正常。

6.2 監測結果分析

圖7 加密監測點橫截面布設示意

1）雨水箱涵。區間右線穿越雨水箱涵，盾構刀盤到達箱涵時對應的掘進環號為14環，盾尾脫出對應環號為20環，沉降主要集中在14～24環，最大累計沉降為7.13 mm，與模擬結果的最大累計沉降6.80 mm相近，且符合設計及規范要求。

2）過水箱涵。區間右線穿越過水箱涵，盾構刀盤到達箱涵時對應的掘進環號為134環，盾尾脫出對應環號為140環，沉降主要集中在134～144環，最大累計沉降為2.93 mm，與模擬結果的最大累計沉降3.20 mm相近，且符合設計及規范要求。

7 結語

1）根據數值模擬結果和現場實際沉降數據，盾構在下穿箱涵的過程中，刀盤穿過箱涵和盾尾脫出箱涵2個階段出現的沉降最大，約占總沉降的80%。施工中要重點加強這2個階段的控制。

2）雨水箱涵和過水箱涵累計沉降分別為－7.13、－2.93 mm，不同的條件下產生不同的沉降。箱涵的最終沉降與埋深、地質、土倉壓力及箱涵與隧道之間土體厚度等因素有關，埋深越深、土倉壓力越大、與隧道之間土體越厚，沉降越小。需要注意的是，土倉壓力設置太大，會引起箱涵隆起，也是一種不利的情況，施工過程中應該合理控制土倉壓力大小。

3）在取消鋼套管加固的基礎上，盾構通過了箱涵，不僅節約了人工、材料的成本，而且減少加固施工臨時占用城市道路的時間，降低對交通的影響。

4）本工程左、右線盾構先后4次安全順利穿越箱涵，相關的施工技術措施，對盾構下穿大截面鋼筋混凝土且箱涵和隧道土體預加固施工困難的工程具有參考意義。