復合地層盾構隧道近距離下穿橋基施工控制技術

盧澤霖，王旭春，馮 磊，朱 珍

(青島理工大學 土木工程學院，青島 266033)

截止到2019年底，我國共有40個城市開通了城市地鐵(不含港澳臺地區)，總運營里程達6736 km，比2018年新增運營里程975 km[1].在地鐵隧道施工中，盾構法因為其掘進安全性能高、掘進速度快已經逐漸成為了主流的施工方法.隨著地面交通路網的日益完善，盾構機在施工過程中不可避免地需要穿越各種構筑物，使得盾構隧道掘進對施工控制技術提出更高的要求.

對于盾構穿越橋梁基礎方面，國內眾多學者也進行了大量的研究[2-5]，如朱連臣等[6]結合長沙軌道交通3號線盾構隧道下穿京廣鐵路框架橋工程，提出了袖閥管注漿加固與深層二次注漿措施，并探討了地層加固前后盾構下穿鐵路框架橋及地表變形特征；黃新民[7]依托鄭州地鐵1號線下穿人行天橋基礎工程，提出了“頂托+加固”的方法對人行天橋進行保護，并采用數值分析對不采取保護措施、僅采取頂托保護和“頂托+注漿”3種工況的橋基位移和應力進行對比，得到“頂托+加固”能顯著改善隧道的施工條件；高志剛等[8]采用FLAC3D對南京地鐵S8線某段盾構隧道下穿既有寧啟鐵路進行分析，并提出了對鐵路路基采取地基注漿加固的處理措施.由此可見，目前文獻在研究盾構隧道下穿橋基時，大多數是對地層注漿加固效果的研究，而對下穿段盾構掘進參數控制的研究較少.

本文依托青島地鐵某盾構隧道區間，采用三維數值模型研究復合地層無加固措施時盾構隧道近距離下穿橋基的可靠性，并結合盾構掘進參數提出隧道下穿橋基的施工控制措施，最后通過現場橋基沉降監測驗證施工控制技術的有效性.

1 工程概況

1.1 工程及地質概況

青島地鐵某盾構區間盾構隧道為雙線平行圓形斷面，右線里程為YK66+994.530—YK68+350.080，長度為1355.550 m；左線里程為ZK66+994.530—ZK68+350.080，長度為1369.091 m；平面線間距為14 m.區間縱斷面整體呈“V”字形，最大縱坡為18‰，豎曲線半徑為3000 m，區間結構覆土厚度為9.0～16.6 m，圍巖等級為VI級.

隧道上覆地層從上到下依次為素填土、粉質黏土、中粗砂、強風化安山巖、中風化安山巖以及微風化安山巖，區間縱斷面基巖起伏面較大，軟硬不均.縱斷面總體上呈現上軟下硬，屬于典型的復合地層結構.另外，隧道在穿越虹子河橋區段上覆砂土為強透水層，粉質黏土力學指標一般，自穩性能較差，易蠕動變形.

1.2 盾構設備型號及參數

該區間采用CTE6250土壓平衡復合式盾構機，最大開挖直徑6.28 m，刀盤選用復合式(輻條+面板)結構形式，開口率為35%，中心開口率為38%，刀具的主要參數如表1所示.設備最大推力為39 000 kN，最大扭矩為6650 kN·m，脫困扭矩為8100 kN·m.

表1 盾構刀盤主要技術參數

1.3 隧道與虹子河橋位置關系

虹子河橋始建于1995年，結構為3孔簡支板橋，橋墩為漿砌石橋墩.該橋為南北走向，橋面寬50.00 m，橋長24.88 m.橋基為擴大條形基礎，基礎距隧道拱頂5.60 m.據現場實地調查發現，該橋梁墩臺存在局部開裂.

圖1 下穿段地質縱斷面

隧道走向與虹子河橋走向一致，盾構機左線由北向南先行掘進，與右線隧道掌子面間隔約50 m.隧道下穿段管片環號為885—905環，洞身段地層從上往下依次為：第⑨層中粗砂地層(揭露層厚約為3.00 m)、第-9層強風化安山巖(揭露層厚約為1.00 m)、第-9層中風化安山(揭露層厚約為2.00 m)，下穿段地質縱斷面見圖1.

2 無加固措施盾構隧道近距離下穿橋基可靠性研究

2.1 數值模型建立

結合隧道埋深及橋梁總長，確定模型的寬度為57.12 m，高度為19.28 m，總長度為51.00 m.為了防止橋臺靠近模型邊界而造成局部應力集中，設置兩側橋臺距離模型邊界為11.00 m.由盾構機開挖參數可知，隧道開挖直徑為6.28 m，管片內徑為5.40 m，外徑為6.00 m，每環管片寬度為1.50 m，同步注漿厚度為0.14 m，隧道開挖面與管片拼裝面步距為6.00 m.隧道左右線凈距為8.00 m，因左右線隧道掌子面間距較遠，本模型僅模擬左線隧道開挖.

查閱虹子河橋相關資料，橋梁基礎寬度2.00 m，高度為1.00 m，相鄰兩墩臺之間間距為7.00 m，條形基礎長度為50.00 m.橋梁荷載采用正常使用極限狀態下的標準荷載組合(考慮橋梁自重、行車荷載以及人群荷載)進行計算，相當于50 kPa的豎向應力作用在橋基上.

2.2 巖層參數選取

假定巖層變形服從摩爾-庫倫定律，橋梁基礎變形服從彈性變形假定.隧道管片可以看作是較大剛度的均質圓環柱，管片背后同步注漿假定為線彈性材料.根據地質資料，可以得到各巖層的物理力學參數，如表2所示.

表2 巖層和襯砌材料物理力學參數

2.3 無加固措施盾構下穿橋基可靠性研究

按照模型尺寸及巖體相關參數，建立盾構隧道下穿橋基的數值模型.為了監測橋基的變形沉降，分別在隧道拱頂正上方北側橋臺、北側橋墩、南側橋墩以及南側橋臺底部，沿隧道掘進方向設置變形監測點1—4，模型測點布置如圖2.對模型巖體的初始應力進行計算，得到模型的最大不平衡力趨于收斂，可以認為模型的初始應力基本平衡.

對隧道進行循環開挖(循環進尺為1.50 m)，可以得到橋基的豎向位移云圖和橋基監測點1—4的沉降曲線，如圖3和圖4所示.

由圖3可知，隧道進行循環開挖時橋臺的豎向位移比橋墩的豎向位移大，其中北側橋臺監測點1的沉降終值為48.11 mm，南側橋臺監測點4沉降終值為42.34 mm.由圖4可得，監測點1—4的最大沉降值分別為51.61，23.39，22.65，48.29 mm.橋基沉降達到最大值后，隨著管片拼裝和同步注漿施工，監測點1—4均出現了不同程度的上升，橋臺基礎比橋墩基礎上升更為顯著，其中監測點4上升幅度最大，沉降值回升了3.50 mm.

根據《城市軌道交通工程監測技術規范》(GB 50911—2013)的規定，地表沉降監測控制值取20 mm[9].由此可知，在不采取加固措施的前提下，盾構隧道近距離下穿橋基時無論是橋墩基礎還是橋臺基礎的沉降量都遠超過了規范要求，故在復合地層中盾構隧道在近距離下穿橋基時必須對下穿段采取有效的加固措施.否則，在盾構掘進過程中不僅會使橋基沉降嚴重超限，危及橋面行車安全，而且也存在因地層擾動河水倒灌入土倉，導致隧道內出現螺旋機噴涌、管片開裂、上浮及滲漏水等施工隱患.

圖3 橋基豎向位移云圖(單位：m)

3 盾構隧道下穿橋基施工控制

鑒于該橋梁建設年限較長，且在橋梁墩臺處出現局部開裂等情況，為了確保掘進期間橋梁結構的穩定性以及隧道施工安全，對該復合地層區段采用“地層加固+橋梁加固+掘進控制”的施工控制方法.

3.1 袖閥管地層加固

隧道下穿橋基段拱頂地層主要為中粗砂，透水性較強.為了確保地層的加固效果，擬對該橋梁墩臺之間采用袖閥管注漿加固.袖閥管采用Φ50硬質PVC管，能承受的最大注漿壓力為3.0 MPa.注漿采用分段后退式注漿方式，漿液采用水泥與水玻璃雙液漿，體積配比1∶1.

注漿孔采取梅花形布置，各墩臺之間分別布設注漿點位5個，每個斷面布設15個.注漿孔孔間距為1.00～1.20 m，注漿深度為6.12 m，垂直注漿孔編號為1—15.靠近墩臺側2個注漿點位分別搭設斜孔，孔底垂直深度分別為3.12，6.12 m，斜注漿孔編號為1′—15′.整個加固區域長為26.54 m，寬度為12.00 m(隧道左右邊界各外擴3.00 m)，加固高度為5.00 m，袖閥管地層加固布置方式如圖5所示.袖閥管注漿加固完成后，需要嚴格檢驗地層加固效果.

圖5 袖閥管地層加固布置(單位：mm)

3.2 滿堂腳手架橋梁結構加固

為了避免橋梁自重及橋面荷載完全集中在橋基上，采用滿堂腳手架支撐橋面板不僅可以分擔橋梁的上部荷載，而且在盾構隧道掘進過程中還能減小因地表沉降而引起的橋梁不均勻沉降，確保橋梁結構的安全和橋面正常通行.

由于虹子河地下水位較淺，故在河床上進行簡單的地面硬化后，采用滿堂腳手架對橋面板進行加固.腳手架鋼管采用Φ48 mm×3.00 mm，立桿、橫桿橫向間距和縱向間距均為0.60 m.腳手架頂部和底部設置可調節托座，最大可調范圍為450 mm，頂部托座上方設置100 mm×100 mm方木，沿河道走向布設，間距為0.60 m.腳手架縱橫向每隔4.5 m左右設置剪刀撐，剪刀撐底端與地面頂緊，跟地面夾角約為45°～60°.

3.3 下穿段盾構掘進控制

盾構隧道近距離下穿虹子河橋基掘進控制可以分為3個控制時段，即盾構下穿前、盾構下穿時以及掘進完成后.

盾構下穿橋基前，需要對河道及周邊地質情況進行補勘，充分了解下穿段地層情況.掘進至下穿段前，在地層情況較好地段對盾構機刀具磨損情況進行評估，對磨損嚴重的刀具提前進行更換，確保盾構機在下穿橋基時不停機、不換刀.

盾構下穿橋基的過程中，需要根據掘進地層控制合理的掘進參數，尤其是盾構的土倉壓力、每環出土量、同步注漿量和同步注漿壓力等對地層沉降影響較大的掘進參數.

土倉壓力可以根據式(1)進行確定：

ptu=Ktuγh

(1)

式中：ptu為土倉壓力；Ktu為土倉計算側壓力系數；γ為土體容重；h為隧道埋深.

由于隧道埋深較小，為5.6 m，為了確保地表沉降較小，土倉計算側壓力系數Ktu取值需要介于靜止土壓力系數K0和被動土壓力系數Kp之間，取Ktu=0.50～3.00.為了確保掘進效率，本工程取Ktu=0.80～1.00，即將盾構機土倉壓力嚴格控制在120～150 kPa，盾構隧道下穿段掘進實時土倉壓力實測值如圖6所示.

每環出土量可以按照式(2)計算：

(2)

式中：V實為實際出土量；k為巖石的膨脹系數；V理為理論出土量；D為盾構機開挖直徑；L為隧道每環進尺.

盾構機開挖直徑為6.28 m，每環進尺為1.5 m，巖石的膨脹系數k=1.18～1.39，則本工程盾構每環出土量需嚴格控制在55～65 m3，每環實際出土量如圖7所示.

圖6 土倉壓力實測值

圖7 每環實際出土量

其他對地表沉降影響較小的因素確定方法，可以參考盾構下穿前的掘進參數選取.即，刀盤轉速控制在1.50 r/min左右，刀盤扭矩控制在1500～3000 kN·m，盾構總推力控制在10 000～15 000 kN，掘進速度控制在45～65 mm/min.

掘進完成后，及時對脫出盾尾的管片進行同步注漿，采用注漿量和注漿壓力的雙控指標確保盾構管片外壁與圍巖之間填充密實.注漿量可以根據公式(3)確定：

(3)

式中：V漿為實際注漿量；K為擴大系數；V為理論注漿量；D1為盾構開挖直徑；D2為管片外徑；L為每環開挖進尺.

表3 每環注漿壓力值與注漿量

盾構開挖直徑為6.28 m，管片外徑為6.00 m，每環進尺為1.5 m，考慮到當前地層為中粗砂層，漿液易流入周邊地層，故適當提高注漿量，取擴大系數K=1.73.經計算，下穿段同步注漿量應控制在7 m3左右.

一般來說，注漿壓力根據靜止水土壓力值確定，宜取1～1.5倍的靜止水土壓力.因下穿橋基段地層為中粗砂，可以適當提高注漿壓力，建議注漿壓力控制在150～250 kPa，下穿段每環注漿壓力值與注漿量見表3.同步注漿完成后，及時查驗管片外壁填充情況.對于填充不密實或者存在管片滲漏水等情況，需及時采取二次補漿措施.總而言之，在盾構隧道近距離下穿橋基時宜采取“恒土壓，勻掘速，勤注漿，嚴出土”的施工控制方法.

4 隧道下穿橋基施工控制措施有效性驗證

4.1 采取施工控制措施后模型數值計算

由于預先對下穿段進行袖閥管地層加固、滿堂腳手架橋梁加固、盾構掘進控制等處理，則模型地層參數、下穿段橋基邊界條件以及施工參數均相應地發生改變.取加固區地層密度為2300 kg/m3，彈性模量為540 MPa，泊松比為0.28，內摩擦角為30°，黏聚力為24 kPa.橋梁及橋面荷載可以看作是16 kPa豎向應力均勻作用在河床表面.盾構機土倉壓力取150 kPa作用在開挖掌子面上，及時對開挖隧道進行同步注漿和管片拼裝，循環開挖進尺為1.5 m.通過模型計算，得到采取施工控制技術后橋基的豎向位移云圖和橋基監測點1—4沉降曲線，如圖8和圖9.

圖8 采取施工措施后橋基豎向位移云圖

由圖8和圖9可知，采取施工控制措施后，橋基監測點1—4的沉降終值分別為2.07，1.78，1.77和2.04 mm.從模擬結果來看，采取“地層加固+橋梁加固+掘進控制”的施工控制技術能滿足盾構隧道近距離下穿橋基的沉降要求.

4.2 隧道下穿段橋基沉降監測

4.2.1 沉降監測點布置

在虹子河橋北側橋臺、北側橋墩、南側橋墩以及南側橋臺基礎附近設置4條監測線，分別為JGC01，JGC02，JGC03和JGC04，測線之間相互平行，分別對應隧道內環號為886環、891環、897環和902環.每條測線布置5個監測點，各測點之間間距為7 m，由東向西布置，以JGC01為例，監測點分別為JGC01-01，JGC01-02，JGC01-03，JGC01-04和JGC01-05.其中，監測點JGC01-02位于右線隧道正上方，監測點JGC01-04位于左線隧道正上方.以測線JGC01為例，測線橫斷面布置如圖10所示.

圖10 測線橫斷面布置(單位：mm)

4.2.2 橋基測點監測結果

在盾構到達下穿段之前(掘進環號為877環處)開始對地表橋臺和橋墩的4條測線進行監測，監測頻率為3～4 h/次，得到測線JGC01(886環)、測線JGC02(891環)、測線JGC03(897環)和測線JGC04(902環)的現場沉降監測結果，如圖11所示.

圖11 現場沉降監測結果

由圖11監測結果可知，當盾構到達橋基測線正下方之前，地表存在輕微的局部隆起，特別是監測點JGC03-03和JGC02-05，最大隆起值達1.57 mm.盾構刀盤到達監測橋基正下方時，測線JGC01—JGC04的監測點03—05均產生明顯的沉降，其中監測點04的沉降速率最大.當管片脫出盾尾后隨著同步注漿的施工，測線JGC01—JGC04的監測點03—05沉降值均有些許回升，隨后沉降值又逐步下降，最后慢慢趨于平緩.另外，橋臺地基的沉降終值要略大于相鄰橋墩的沉降值，這與數值計算中的結論一致.測線JGC01—JGC04的監測點01和監測點02因為布置在靠近隧道右線的緣故，左線隧道掘進過程中對測點沉降值影響不大，監測結果表現出無關聯性.但是，測線JGC03在同步注漿后監測點JGC03-02隆起值較大，可能是由于注漿壓力較大引起的地表隆起.

結合圖11可知，測線JGC01—JGC04最大沉降終值均發生在監測點04的位置，最大沉降終值分別為-2.17，-1.70，-0.80，-1.29 mm.將現場實測的沉降結果與數值模擬的結果對比可知，數值模擬結果與現場沉降實測值較為接近，同時也證明了數值計算的準確性.根據《深圳市軌道交通工程周邊環境調查導則》(SJG 23—2012)規范要求，對于靜定結構的橋梁基礎，墩臺均勻沉降量允許值為30 mm，橋梁縱向相鄰墩臺均勻沉降量之差允許值為20 mm[10].經過對測線JGC01—JGC04各測點的沉降終值進行計算，得到相鄰墩臺沉降量最大沉降差分別為2.20，2.38，2.38，1.97 mm，該下穿段相鄰墩臺沉降量最大僅為2.38 mm，遠小于規范規定的要求.綜上所述，監測結果表明“地層加固+橋梁加固+掘進控制”施工控制技術在盾構下穿橋梁基礎的施工中能有效地控制橋梁基礎的沉降，確保盾構機的正常掘進和橋梁的正常安全通行.

5 結論

本文依托青島地鐵某盾構區間工程，采用三維數值模型分析方法研究了復合地層無加固措施情況下盾構隧道近距離下穿橋基的可靠性，并提出了復合地層隧道近距離下穿橋基的施工控制技術，最后對盾構下穿橋基沉降進行現場監測，得到如下結論：

1) 在復合地層中，盾構隧道近距離下穿橋基時，橋臺基礎處沉降終值要略大于橋墩基礎處的沉降終值，橋臺基礎處的沉降監測可以作為橋基沉降控制的重點監測對象.

2) 盾構機在近距離下穿橋基時，宜采取“恒土壓，勻掘速，勤注漿，嚴出土”的施工控制方法.

3) 采取“袖閥管地層加固+滿堂腳手架橋梁加固+盾構掘進控制”施工控制技術能有效地控制盾構隧道近距離下穿橋基的沉降，保證隧道安全穩定掘進和橋面正常通行.