富水砂卵石地層盾構下穿頂管箱涵數值分析研究

辛振省

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富水砂卵石地層盾構下穿頂管箱涵數值分析研究

辛振省

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

針對富水砂卵石地層盾構下穿營運公鐵兩用頂管箱涵的工況，采用三維模擬計算分析、理論分析、經驗類比等方法進行研究，提出對應的加固方案和關鍵施工參數，經過對施工過程的嚴密監控佐證研究成果的有效性，通過以上研究得出，盾構下穿敏感建構筑物過程中適合工程實際的地層加固范圍的計算方法；用實踐證明了某些經驗的偏差；積累了關鍵參數，為后續工程的設計施工提供了重要的參考。

盾構下穿；頂管箱涵；地基加固；監控量測

1 工程概況

某地鐵區間線路線間距14～15 m，隧道埋深約11.9～20.3 m。區間穿越京包鐵路里程：K20+940～K21+065，隧道埋深20.1 m。

區間穿越既有營運鐵路與市政道路共用的預制頂管箱涵，箱涵分東西兩個頂管箱體，兩涵間距離為3.77 m。為鋼混結構，預制頂管法施工，西側結構外包尺寸為43.15 m×8.75 m×29.73 m，東側結構外包尺寸為43.15 m×7.8 m×31.06 m。箱涵底板厚1.05 m，側墻厚1.05 m，頂板厚1.0 m。箱體的南北兩側局部（兩端及兩箱體接口）設置護坡樁，樁長為14 m，樁上設置了29 m長的錨索。箱涵兩端出入口為U形鋼筋混凝土結構，47.95 m×8.9（7.95）m×10 m，箱涵底板厚1.0 m，側墻為梯形厚3.2（2.86）～0.5 m。頂管箱涵為2003年建成，目前正常使用。營運鐵路上面現有5條線路正常通行，車輛密度為42輛/天。

盾構隧道上覆土厚度約11.9～20.3 m，隧道洞身主要穿越為粉質粘土、中粗砂、圓礫卵石。盾構隧道掘進斷面大部分為富水砂卵石地層，局部地段弱承壓。

2 三維數值計算分析

2.1 模型的建立

針對勘察報告所提供的地質資料參數及盾構隧道與箱涵的相對位置建立三維模型如圖1所示，箱涵高度為5.8 m，跨度為20 m，盾構開挖直徑為6 m，隧道襯砌厚度為300 mm。根據圣維南原理，為了使得邊界約束條件不對開挖真實情況造成人為的影響，土層模型足夠大，兩側邊緣各距離隧道外邊緣的距離均大于3倍的開挖直徑，使得本仿真計算完全依照現場施工情況進行。為了能詳細突出盾構在開挖推進的過程中，整個仿真模擬過程從距離箱涵外邊緣48 m處開始，兩隧道分布開挖，開挖推進間距80 m，開挖及支護以8 m為一個循環，開挖的同時進行支護，先開挖箱涵下面的隧道，后開挖箱涵側面的隧道，從而充分體現盾構下穿箱涵的完成過程中圍巖土體的力學場變化及箱涵的變化情況，為施工加固提供充分的依據，保證施工安全，同時做到加固有的放矢，達到經濟、安全、高效的目的。模擬過程的地層分布完全按照勘察報告提供的地層分布于試驗力學參數，由于其對稱性，只對其一半進行計算，如圖2所示。

圖1 盾構下穿箱涵剖面尺寸圖（單位：m）

圖2 盾構下穿箱涵的三維仿真模型

2.2 數值計算分析

針對勘察報告所提供的地質資料參數及盾構隧道與箱涵的相對位置建立三維模型，箱涵高5.8 m，跨度為20 m，盾構開挖直徑為6 m，隧道襯砌厚度為300 mm。由于兩隧道盾構開挖在推進方向存在80 m間距，因此下面將從盾構未掘進開始總共分階段進行分析說明。依次為盾構機1掘進下穿頂管箱涵，盾構機2掘進下穿箱涵兩個階段進行分析。

2.2.1 第一臺盾構開挖至箱涵下方施工

盾構在開挖至箱涵后，由于箱涵上方鐵路的載荷突然增加，箱涵處的地層應力向盾構開挖方向釋放，形成十分明顯的應力釋放痕跡，同時，由于隧道的開挖，起到一個卸壓的作用，可以看作一個卸壓孔，因此鐵路載荷使得箱涵中間的支撐墻所受的應力明顯加大，形成應力集中，這是從數值計算得出的較為合理的規律，為后期加固施工提供了有力的依據。第二臺盾構下穿箱涵過程中應力場、位移場、塑性區分布情況如圖3所示。

盾構在箱涵下方施工開挖時，位移范圍逐漸擴大，盾構隧道的頂部位移無論是范圍還是量值都明顯增大，且箱涵下方土體位移隨著盾構開挖推進相應的沿縱向向前發展，從模擬數據看出盾構正上方地表下沉9～13 mm。整個位移場的最大位移仍然發生在盾構后方路面。

當盾構開挖至箱涵下方時，從模擬結果的破壞區分布與發展來看，塑性區與一般施工段相比差別很大，規律也十分明顯，破壞在隧道周邊的分布有所增大，尤其頂部范圍有明顯的增大，塑性區向著箱涵下方發展延伸，主要是由于箱涵下土層壓應力明顯增大，應力釋放明顯。從目前工況看，塑性區還沒有發展到箱涵下方地表。

2.2.2 第二臺盾構開挖下穿箱涵施工

第二臺盾構下穿箱涵過程中應力場、位移場、塑性區分布情況如圖4所示。

圖4 第二臺盾構下穿箱涵過程中應力場、位移場、塑性區分布情況

從隧道2掘進至箱涵下直至穿越箱涵整個過程的應力云圖可以看出，隧道2穿越箱涵時，與隧道1穿越箱涵時的應力比較，應力明顯增加，主要是由于上面的鐵路載荷的影響所致，所以，再次進行盾構掘進時，需要實時進行加強支護。同時，箱涵中間的支撐墻應力集中有明顯的減弱，這是由于隧道2的開挖使應力進一步釋放，從而將部分力轉移到隧道1與隧道2之間的土體中。此時，兩隧道中間的土體所受力將加大，在進行支護時應有意識地加強支護。

隧道2穿越箱涵時，與隧道1掘進全過程及隧道2穿越箱涵前的位移比較，此時位移有明顯增加，主要還是由于鐵路載荷、公路載荷及土體重力影響所致，同時，最大位移的分布區域明顯增加，從剛開始最大位移發生在公路中間向隧道測延伸擴大，而鐵路路基最大位移的區域也同樣在增加，從靠近盾構測向遠離盾構測偏移。此時，應做好監測工作，不能有任何疏忽。從地表整體塑性區發展與分布圖來看，縱向箱涵底部塑性區發展亦是隨著隧道2盾構推進而相應地向前發展，破壞區發展最為快速、劇烈，主要由于盾構二次擾動過后露出管片，超挖空隙暴露，給地層的應力重分布及地層位移破壞創造了條件。

3 盾構下穿施工預加固范圍計算及措施

3.1 盾構下穿影響范圍確定

采用理論計算并結合盾構下穿施工三維數值計算分析，預估盾構下穿頂管箱涵的整個過程中可能發生破壞的區域。隧道施工影響范圍為開挖面沿著50°線向上延伸至地面，即可得到需要加固的范圍。該處盾構預開挖隧道頂部埋深20.1 m，隧道凈距為8 m，隧道直徑6.0 m。

南北方向預加固范圍為：=14+（20.5+6.0+1.25）×tan50°×2=80.14 m，取81 m。

東西向影響范圍如下：=88.22+（20.5+6.0）tan50°×2=151.38 m，取152 m。

扣軌加固保護范圍示意圖如圖5所示。

3.2 加固措施-道床保護技術

在現有軌道的兩軌枕之間，進一步加枕木，然后枕木和現有軌道要加墊塊，以保證軌道受壓力后，能夠及時均勻地把壓力傳遞到枕木上，枕木的長度以兩端超過原軌枕30 cm為準。為了進一步增強加固枕木的整體性并使道床均勻受力，沿軌道方向，兩側用剛度較大的扣軌法把枕木連起來，如圖6所示。

圖5 扣軌加固保護范圍示意圖（單位：m）

圖6 道床保護加固

3.3 加固措施——道床下深層地層加固

盾構施工前，預計影響范圍內的道床下地層采用袖閥式二重管進行地層深層注漿加固，采用高壓力把漿液注（壓）入巖土層內部，以提高地層的承載力和強度。

4 現場監控量測

盾構下穿營運鐵路頂管箱涵在本工程屬特級風險源，穿越營運鐵路的過程中加強盾構推進過程中的監控測量，及時向設計、施工方反饋周邊環境的動態變化信息，使之能迅速調整、優化施工方法，確保工程和鐵路行車安全。主要監測對象有穿越段盾構區間以及下穿范圍內的地表、箱涵、軌道、擋土墻。具體如圖7所示。

監測結果為：隧道穿越頂管箱涵過程中，掌子面前方約20 m內的土體開始有擾動下沉，屬于收斂性下沉，基本穩定在1 mm/d。地層位移速度有正有負，說明土體有隆起和下沉，一般掌子面前方5 m內會有少許隆起，刀盤通過后開始下沉。根據本次監測數據的分析此次加固方案效果明顯，方法得當。

圖7 軌道及箱涵監測

5 結論

根據現場施工及前期理論分析和監控量測數據結果，盾構土艙壓力應該根據附加荷載及地層壓力計算得到，本工程設定的土艙壓力0.236 MPa是合適的，因此現在業內采用的過建筑物的過程中要“輕推慢跑”的說法是沒有理論依據的。根據現場施工及監測數據總結得到，下穿過程中土體擾動波及范圍是以45°+向上延伸，并非以45°，加固范圍和監測范圍按照此范圍進行確定是合理的，相比常規的45°進行影響范圍確定和加固方法材料和工期較明顯，經濟效益突出。從整個施工過程看，同步注漿漿液的注漿量為超挖空隙的1.5倍是合理的，漿液初凝時間以4～6 h為佳，同步注漿壓力設置在0.21～0.26 MPa，能在很大程度上減少地層沉降。

［1］劉國棟，袁馮丹，許超.軟土地層盾構穿越密集房屋群水平定向注漿加固技術［J］.隧道建設，2018，38（07）： 1228-1235.

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2095－6835（2019）02－0151－03

U455.43

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.151

辛振省（1980—），男，2007年畢業于北京科技大學工程力學專業，碩士研究生，高級工程師，現主要從事隧道及地下工程和科研工作。

〔編輯：張思楠〕