大直徑盾構淺覆土下穿鐵路橋涵的影響分析及施工控制

楊俊龍， 門燕青， 廖少明， 高東奇， 蘇逢彬

(1. 同濟大學 地下建筑與工程系， 上海200092； 2. 上海城建置業(yè)發(fā)展有限公司， 上海 200030；3. 濟南軌道交通集團有限公司， 濟南 250101)

“穿越”問題在地下空間開發(fā)過程中不可避免，穿越施工將對周圍土體產生擾動，造成周圍地層損失，引起隧道周圍空間應力場和位移場的變化[1].然而，下穿運營鐵路時引起的地表沉降控制標準往往是根據(jù)施工經(jīng)驗或工程類比而來，具有一定的盲目性[2].因此，大直徑、淺覆土盾構下穿鐵路工程與一般的穿越工程相比，不確定性更大，施工風險更高.

國內外學者針對盾構穿越工程，采用理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測等方法開展了許多卓有成效的研究.廖少明等[3-5]推導了盾構近距離穿越地鐵隧道時地層土壓力的相關理論公式，預測了盾構超近距離穿越地下構筑物施工過程中的地層變形特性.胡群芳等[6]分析對比了盾構兩次近距離下穿越施工的過程和特點，討論了周圍地層土體的沉降變形和規(guī)律.廖少明等[7]對盾構穿越運營地鐵隧道、危舊敏感建筑物等地下空間的盾構選型、微擾動控制等相關參數(shù)進行了分析.宋克志等[8]分析了盾構隧道地表沉降的構成及其機理，推導了地表最大沉降的平均值及標準差.蔣洪勝[9]研究了盾構法隧道穿越地下污水管道時盾構推進與地層移動的相關性.孔祥鵬等[10]采用三維有限元方法從理論上對既有車站的結構變形進行了分析.Liu等[11]分析了在已建隧道上方新建明挖回填式隧道的過程對已建隧道的影響.郭瑞等[12]采用數(shù)值模擬的方法分析了隧道的開挖過程中位移逐漸釋放和應力逐漸釋放的相關關系.

本文結合杭州環(huán)北地下快速路隧道工程實踐，采用數(shù)值分析的方法研究了有、無土層加固的情況下盾構施工對地層、橋涵的位移場和應力場的影響.在此基礎上，分析了盾構穿越鐵路橋涵的施工參數(shù)的變化規(guī)律，提出了盾構施工的控制方法，并對大直徑泥水盾構穿越鐵路橋涵過程中的橋涵沉降進行了現(xiàn)場監(jiān)測分析，以期為大直徑盾構淺覆土下穿鐵路橋涵設計和施工控制提供借鑒和指導.

1 工程概況

環(huán)北地下快速路是杭州市“三縱五橫”快速路的中間一橫.環(huán)北地下快速路隧道工程采用大直徑泥水平衡式盾構法進行施工，分南、北兩線，北線隧道盾構段 1 275 m，南線隧道盾構段 1 410 m.盾構隧道采用預制管片單層襯砌，管片環(huán)采用9等份分塊，外徑D為11.3 m，內徑d為10.3 m，管片厚度0.5 m，環(huán)寬2.0 m.管片之間及管片環(huán)之間均采用斜螺栓連接，管片襯砌環(huán)采用C50鋼筋混凝土，抗?jié)B等級為P12.隧道結構如圖1所示.

圖1 環(huán)北地下快速路盾構隧道斷面圖(mm)Fig.1 Shield tunnel section of Huanbei underground expressway (mm)

盾構始發(fā)后，將近距離斜交下穿建成于1977年的滬杭鐵路橋涵，鐵路線路中心線與盾構隧道中心線的斜交角度為69°9′43″.穿越鐵路橋涵的寬度為12.84 m，為箱型框架結構，橋涵混凝土等級為C30，橋涵上部鐵路軌道為有砟軌道.穿越部位南、北線隧道上覆土厚度分別為8.63和8.84 m，如圖2所示.橋涵底板與引道底板間設置有防止差異沉降的榫槽.

根據(jù)地勘報告，隧道穿越鐵路橋涵區(qū)域上部地層以粉土、粉砂為主，厚度約15 m以內為沖海相砂質粉土夾粉砂及粉砂夾淤泥質粉質黏土(即后文數(shù)值分析所述的第1層土)；中部為厚約18～22 m的高壓縮性流塑狀淤泥質粉質黏土以及厚約20～28 m的軟塑-可塑狀粉質黏土、粉細砂(即后文數(shù)值分析所述的第2層土)；下部為性能較好的圓礫(即后文數(shù)值分析所述的第3層土).盾構穿越橋涵段土層的物理力學指標參數(shù)如圖3所示.

圖2 環(huán)北地下快速路隧道與鐵路橋涵橫剖面關系圖(mm) Fig.2 Cross section of tunnel and railway bridge of Huanbei underground expressway (mm)

圖3 土體分層及巖土參數(shù)變化曲線Fig.3 Variation curves of soil stratification and parameters

2 穿越影響預測

土層加固是減小盾構穿越過程中地表沉降的有效方法[13]，通過加固可以有效提高地基土的承載力，減少地表不均勻沉降和鐵路橋涵的變形.為確保運營鐵路橋涵安全，有效減少盾構穿越施工對運營鐵路橋涵的影響，在進行與不進行高壓旋噴法土體加固的情況下，分別建立了不同的數(shù)值模型以對盾構穿越影響進行計算分析.

2.1 數(shù)值模型的建立

采用ANSYS軟件進行數(shù)值模擬，建立的有限元模型長126.6 m、寬92 m、高41 m，隧道外徑11.3 m、內徑10.3 m，左右邊界與隧道邊緣相距34.3 m，底部邊界與隧道邊緣相距34.35 m.根據(jù)設計資料，地層加固范圍設置為橋涵底板下24 m區(qū)域，同時加固范圍橋涵向前后各延伸8 m，向左右各延伸8 m.有限元模型如圖4所示.

為了反映盾構掘進參數(shù)的影響，在掘削面上施加了0.3 MPa的面荷載以模擬盾構開挖面的頂進壓力；在盾構機與土體間的環(huán)形間隙中向土體施加了0.15 MPa的面荷載以模擬注漿壓力.此外，計算分析中，采用Solid45模型單元進行模擬，通過改變 Solid45 單元的彈性模量、密度等參數(shù)模擬開挖土體、周圍土層、加固土體、盾構隧道管片和橋涵等不同結構.結合區(qū)域內地質條件和隧道工程概況，根據(jù)圖2和3所示的地層參數(shù)指標，對地層參數(shù)指標通過加權平均法進行合理的歸并，計算分析過程中各單元計算參數(shù)如表1所示.表1中：t為厚度；E為彈性模量；μ為泊松比；γ為重度；c為內聚力；φ為內摩擦角.

圖4 數(shù)值分析模型(m) Fig.4 Numerical simulation model (m)

Tab.1Physical-mechanicalparametersofdifferentelements

土層t/mE/MPaμγ/(kN·m-3)c/kPaφ/(°)第1層土1160.22181324第2層土2011.20.32181229.2第3層土10160.36181526等代層12.50.4181030加固土247000.4183030隧道管片0.5340000.1672500——盾構機機殼0.52100000.47850——橋涵—300000.1672500——

2.2 盾構穿越影響的評價

2.2.1直接穿越 圖5所示為南北線隧道直接穿越后的橋涵結構沉降曲線.由圖可見，盾構隧道掘進將引起鐵路橋涵的沉降，南線隧道剛剛到達橋涵時，橋涵最大沉降為3.71 mm；南線隧道剛剛盾構穿越后，橋涵最大沉降為10.89 mm；南線隧道完全盾構穿越后，橋涵最大沉降為16.40 mm.北線隧道盾構通過引起了鐵路橋涵的二次沉降，待北線隧道完全盾構穿越后，橋涵沉降最大值由南線隧道穿過后的16.40 mm增至21.61 mm.

圖6所示為地層未加固時北線隧道完全通過后橋涵的第3主應力分布.由圖可見，在盾構推進過程中，雖然橋涵絕大多數(shù)區(qū)域的拉應力在1.43 MPa以下，但在橋涵中隔墻的頂端和底端產生了應力集中，在橋涵中隔墻的頂端、底端以及底板中部的部分區(qū)域拉應力超出了1.43 MPa.因此，橋涵的受拉能力不完全滿足要求，將產生結構開裂.

圖5 南北線隧道直接穿越后橋涵結構沉降曲線Fig.5 Settlement curves of railway culvert caused by north and south shield tunneling without reinforced soils

圖6 地層未加固時北線隧道完全通過后橋涵的第3主應力(MPa)Fig.6 The 3rd principal stress of the bridge without reinforced soils (MPa)

綜上所述，隧道掘進對橋涵的沉降影響顯著.在橋涵沉降方面，南線隧道盾構穿過后，橋涵最大沉降為16.40 mm，北線隧道盾構穿越后，橋涵沉降最大值增至21.61 mm，超過了鐵路運營安全控制標準(10 mm).在橋涵應力方面，隧道掘進對橋涵結構的應力影響較大，橋涵底板的中間部分、中隔墻的頂端和底端易發(fā)生開裂，這些區(qū)域應予以重點關注以免發(fā)生危險.

圖7 南北線隧道地層加固后橋涵結構沉降曲線Fig.7 Settlement curves of railway culvert caused by north and south shield tunneling with reinforced soils

2.2.2地層加固后穿越 本文通過旋噴樁及注漿的方式對地層進行預加固.縱向加固范圍為橋涵及其前后5 m區(qū)域，加固深度為28 m(從橋涵頂部算起)，加固后土體的28 d無側限抗壓強度不小于0.5 MPa.圖7所示為進行地層加固后南北線隧道穿越導致的橋涵結構沉降曲線.由圖可見，對橋涵下地層進行加固后，南線隧道通過時，隧道中心線上方橋涵區(qū)域最大沉降為4.2 mm；南線隧道盾構通過橋涵后，橋涵不均勻沉降達9.2 mm左右，傾斜率約為 0.018 2%；北線盾構施工至鐵路橋涵時地層的最大沉降為8.525 mm；北線隧道完全盾構穿越后地層的最大沉降9.323 mm，橋涵不均勻沉降達7.5 mm左右，傾斜率約為 0.014 8%.上述沉降均滿足鐵路橋涵最大允許沉降值(10 mm).此外，雖然橋面上各處沉降不均勻，但橋面和橋底的沉降趨勢基本相同.

圖8所示為地層加固后北線隧道完全盾構穿越時橋涵的第3主應力分布.可以看出，地層加固后，大部分區(qū)域的拉應力有所降低，僅在橋涵中隔墻的頂端、底端以及橋涵底板中間部分區(qū)域的拉應力超過1.43 MPa，但超出量極小，不影響隧道結構的安全.

圖8 地層加固后北線隧道完全通過時橋涵的第3主應力(MPa)Fig.8 The 3rd principal stress of the bridge with reinforced soils (MPa)

總體而言，地層加固后盾構隧道下穿引起的橋涵附加應力、變形發(fā)展與地層未加固時盾構下穿相比，均有明顯的減小.實際工程中，應在中隔墻的頂端和底端采取諸如設置加筋肋的加固措施，從而有效地增強這些區(qū)域的抗拉能力，減弱應力集中現(xiàn)象.

3 盾構施工控制效果實測

3.1 施工參數(shù)設定

在盾構穿越的一般區(qū)間，設定切口壓力保持在比靜止土壓力計算值大15 kPa左右的水平.在盾構下穿高鐵橋涵區(qū)段，考慮到加固土體密實度、強度的增大以及橋涵上列車的超載作用，切口壓力適當調高，保持在比靜止土壓力計算值大25 kPa左右的水平.實際切口水土壓力的設定如圖9所示.

圖9 切口水土壓力設置值Fig.9 Pressure setting values of cutting ring

南、北線隧道穿越鐵路橋涵前后盾構機刀盤轉矩和盾構推力的設定情況如圖10所示.隧道穿越橋涵過程中，由于橋涵的上覆土壓力減小，隧道中心荷載的理論計算值降低了21 kPa，比穿越橋涵前減小了約13%，因此盾構施工參數(shù)在穿越過程中作了相應調整，總推力降低了約10%，轉矩降低了約10%.此外，盾尾注漿量大多處于150%～200%之間.

圖10 刀盤轉矩及盾構推力變化曲線Fig.10 Variation of shield torque and thrust

3.2 施工控制效果實測分析

為驗證盾構施工控制效果，在車行橋涵底板的中部和人行橋涵的底板對應隧道拱頂?shù)恼戏轿恢?見圖2)，沿縱向間距8 m，分別布置了QH1～QH4共計4個沉降監(jiān)測點，如圖11所示.盾構穿越橋涵前、后的7 d內均進行了沉降監(jiān)測，監(jiān)測頻率1次/d，QH1～QH4測點隨盾構推進的位移變化如圖12所示，橋涵縱向差異沉降變化曲線如圖13所示.由圖可見，盾構機到達橋涵前，橋涵沉降很小，介于-1～1 mm之間.當盾構機即將穿越橋涵時，4個測點都發(fā)生了3～4 mm的隆起.當盾尾通過后，橋涵測點再次發(fā)生了約4 mm的下沉.上述變形均處于鐵路安全運營規(guī)范允許范圍內.工程實測結果與數(shù)值模擬結果存在微小差異，其產生的原因為數(shù)值模擬分析中未對盾構切口壓力進行調整，而在工程實踐中切口壓力比靜止土壓力計算值大25 kPa，較大的切口壓力導致盾構擠壓土體，造成地面的預隆起.

圖11 測點布置位置Fig.11 Monitoring points arrangement

圖12 盾構推進過程中橋涵各測點的位移值Fig.12 Displacement of monitoring points during shield advancing

圖13 橋涵縱向差異沉降變化曲線Fig.13 Longitudinal differential settlement of bridge during shield advancing

進一步對鐵路橋涵的差異沉降進行分析.根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，盾構機到達橋涵前，橋涵縱向差異沉降很小，基本介于 -0.005%～0.01% 之間.盾構穿越鐵路橋涵過程中，縱向差異沉降逐漸增大，QH2、QH3兩點的差異沉降由 0.01% 增加到 0.02%，QH1、QH4兩點的差異沉降由 -0.001% 增加到 0.017%.盾構機通過3 d后，差異沉降降低并較快趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在 0.01% 左右.

以上研究結果可以說明，在對橋涵下方土體進行旋噴樁加固后，橋涵變形和受力的各項指標均在鐵路安全運營允許的范圍內，盾構穿越施工對運營鐵路橋涵安全性的影響可控.

4 結論

本文結合杭州環(huán)北地下快速路大直徑泥水平衡盾構隧道工程，采用數(shù)值分析的方法對盾構穿越引起的運營鐵路橋涵力學行為進行了預測，并結合工程實測分析了盾構施工參數(shù)的控制方法和實施效果，主要結論如下.

(1) 數(shù)值分析表明：未進行橋涵區(qū)域的土體加固時，直接穿越鐵路橋涵施工將導致橋涵最大沉降達到21.6 mm，且在橋涵中隔墻的頂部和底部出現(xiàn)應力集中，最大拉應力可達1.60 MPa；進行土體加固后，穿越鐵路橋涵施工導致橋涵最大沉降為9.3 mm，部分區(qū)域的最大拉應力為1.46 MPa.

(2) 常規(guī)情況下，切口壓力較靜止土壓力大15 kPa，為確保盾構穿越鐵路橋涵時結構的安全，切口壓力調至比靜止土壓力大25 kPa.此外，考慮上覆水土荷載降低約13%，盾構總推力降低了約10%，轉矩降低了約10%，盾尾注漿量處于 150%～200%之間，可確保穿越鐵路橋涵盾構施工安全.

(3) 現(xiàn)場實測表明：當盾構機即將穿越鐵路橋涵時，橋涵結構將產生3～4 mm的預隆起；待盾構穿越后，將產生約4 mm的沉降；盾構機通過3 d后，差異沉降降低并較快趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在0.01%左右.