地鐵盾構隧道穿越既有橋樁及排水渠的施工影響與對策

艾國平，陳 剛，劉維正，孫 康，李英偉

(1. 中交一公局集團有限公司，北京 100024；2. 中南大學 土木工程學院，長沙 410075)

在城市地鐵的建設過程中，盾構隧道下穿既有橋樁等建(構)筑物的現象十分普遍，施工時隧道開挖會使周圍地層變形，導致鄰近橋樁產生位移和附加內力，進而影響橋梁上部結構的穩定性。該類工程施工風險和難度較大，因此有必要研究盾構隧道開挖對鄰近橋樁的影響，制定相應的施工對策，減小施工對樁基的擾動，以保證橋梁及上部結構的穩定和安全。

近年來，國內外學者對于盾構隧道穿越鄰近樁基造成影響的研究方法主要有理論分析、數值模擬及試驗研究。在理論分析方面，于晨昀[1]、李進軍等[2]根據兩階段分析法，分別采用簡化分析方法和位移控制有限元進行分析；袁海平等[3]基于橋樁結構耦合彈簧力學計算原理和有限差分方法對樁基受力和變形進行研究。在數值模擬方面，王凈偉等[4]對盾構施工進行數值模擬，研究了在隧道逐步開挖的過程中，橋樁的附加軸力和所受外力的變化情況；趙坤等[5]通過建立數值模型研究了地層在注漿加固后橋梁樁基的變形受力情況；Li等[6]通過數值模擬對地層和盾構施工參數進行敏感性分析，并利用修正后的計算參數研究了隧道施工對復合地層中地表沉降和樁基礎沉降的影響。

在試驗研究方面，李林[7]根據實際工程對地層沉降與傾斜進行了現場試驗；武鈺翔[8]以相似理論為基礎設計了9組模型試驗，對土體沉降進行可視化分析；張治國等[9]設計了一種模型試驗裝置，用于研究盾構管片襯砌注漿對樁基礎的影響。

針對盾構下穿橋梁樁基的施工對策，一般從地層變形控制、樁基變形控制以及盾構掘進參數控制三個方面進行研究。Wu等[10]、Liu等[11]通過對地層進行注漿加固，達到控制地層沉降的目的；王永軍等[12]、劉恒等[13]從樁基變形著手，采用注漿加固、隔離樁保護和樁基主動托換等方法，有效地控制樁基變形，保證橋梁安全；盾構掘進參數控制一般與其他方法一起使用，如王效文[14]、徐源等[15]綜合了隔離樁加固、盾構施工參數控制及信息化監測等方法，對樁基進行保護。目前對于盾構隧道穿越橋樁的研究中，隧道與橋樁的凈距大部分在2 m及以上，且大多數沒有考慮橋下其他建(構)筑物的影響，隧道與橋樁凈距越小，相鄰建(構)筑物越多越復雜，施工擾動就越大，施工風險和難度也相應越大。

本文以長沙地鐵6號線盾構隧道小凈距(1.0 m)下穿楊家山立交橋橋樁及橋下排水渠為工程背景，采用ABAQUS有限元軟件模擬盾構施工過程，在未采取措施、設置臨時支墩和采用克泥效工法三種工況下，分析地層沉降規律和橋樁及橋下排水渠的受力和變形規律，通過數值模擬確定合適的施工參數，提出相應的施工對策。

1 工程概況

長沙地鐵6號線朝陽村站-芙蓉區政府站區間長度約1.62 km，主要由西向東敷設，區間隧道于YDK37+235～YDK37+265處正交穿越楊家山立交橋，橋下地表處有一條垂直于隧道的排水箱涵團結渠，隧道與立交橋及團結渠的位置關系如圖1所示。

圖1 隧道與立交橋及團結渠的位置關系(單位：m)

立交橋橋樁為人工挖孔樁，樁長17 m，樁徑1.8 m，樁端擴大端直徑為2.2 m，持力層位于中風化泥質粉砂巖，橋樁距離隧道結構邊線水平凈距最近為1.0 m，樁底位于隧道軸線上方，垂直距離為1.9 m。團結渠的結構尺寸為12.3 m×3.5 m，距離隧道頂部12.0 m。

區間隧道采用土壓平衡盾構法施工，盾構直徑6.4 m，管片外徑6.2 m，厚度0.35 m，每一環管片寬1.5 m。盾構隧道埋深16 m，左右線軸線間距為13.0 m，穿越段位于中風化泥質粉砂巖，隧道所處土層的物理力學性質及相關材料計算參數如表1所示。

表1 隧道所處土層的物理力學性質及相關材料計算參數

地下水類型以孔隙潛水為主，水量豐富，局部水量中等，部分為承壓水，承壓水頭約1.0～4.0 m，屬強透水性地層；以基巖裂隙水為輔，為承壓水，含水量貧乏，局部水量中等，總體上基巖屬弱透水層。混合水初見水位埋深0.90～9.20 m，混合水穩定水位1.70～6.50 m。

2 盾構開挖數值模擬

2.1 計算模型

本文利用ABAQUS有限元軟件模擬盾構隧道穿越楊家山立交橋橋樁施工過程。模型尺寸選取為：80 m×40 m×60 m，即模型橫向長度為80 m、豎向深度為40 m，隧道開挖方向為60 m。為簡化分析，盾構隧道一次開挖3 m，單線開挖分20步完成，左右線總共需要40個開挖步。

模型邊界利用位移約束進行控制，其中頂面為自由邊界，側面限制水平位移，底面完全約束。模型中盾殼部件的單元類型采用殼單元S4R，其余部件選用八節點線性六面體單元C3D8R。

2.2 計算參數

計算過程中土體的本構模型采用Mohr-Coulomb(屈服準則)模型，橋梁結構、團結渠、樁基、盾構管片、盾殼以及注漿體均采用線彈性模型。考慮到凝固時間，注漿體按初凝和終凝分為兩種彈性模量不同的材料。盾殼的密度則由模擬時盾殼單元的厚度和土壓平衡盾構機主體的質量換算而成。相關材料參數如表1所示。

參照施工資料，盾構機掘進過程中，盾尾注漿壓力取0.22 MPa，土倉壓力取0.14 MPa。

2.3 施工模擬

利用ABAQUS有限元軟件中的單元生死功能，可以實現土體開挖和盾構機掘進的模擬，在開始模擬之前，首先應平衡模型初始地應力，使其應力狀態更加符合真實情況。隧道開挖模擬先完成左線的開挖，再進行右線開挖。其具體步驟如下：

第1步：移除模型中的盾殼、襯砌和注漿層，對模型施加重力，利用導入odb文件的方式反復平衡地應力，直至模型位移小于0.1 mm。

第2步：移除左線0～3 m內的土體單元，激活盾殼單元，并對開挖面施加支護壓力。

第3步：移除0～3 m內的支護壓力，施加注漿壓力并激活注漿層單元和管片單元；同時移除3～6 m 內的土體單位，激活盾殼單元并施加支護壓力。

第4步：移除0～3 m內的注漿壓力；移除3～6 m 內的支護壓力，施加注漿壓力并激活注漿層單元和管片單元；同時移除6～9 m內的土體，激活盾殼單元并施加支護壓力。

模擬過程分3部分，即前3 m開挖，中間3 m注漿支護安裝管片，后3 m移除注漿壓力；之后的開挖只需重復第4步，直至雙線隧道開挖完成。

2.4 模擬工況設置

為分析盾構隧道穿越既有橋樁時不同施工因素造成的影響，本文針對臨時支墩以及克泥效工法等因素設置了3種不同工況：

工況1：未采取措施，施工時注漿壓力取 0.22 MPa，土倉壓力取0.14 MPa。

工況2：設置臨時支墩，在橋梁橋墩兩側設置臨時支墩，分擔橋梁上部結構的部分荷載，施工參數同工況1。

工況3：采用克泥效工法，對盾殼周圍土體進行同步注漿，施工參數同工況1。

3 模擬結果分析

3.1 地層變形分析

左右線開挖完成后，工況1下地層整體沉降云圖如圖2所示，地層變形最大處位于雙線隧道周圍，其中隧道拱頂處地層最大沉降值為4.83 mm，隧道底部地層發生隆起，變形值為4.67 mm，地層沉降從拱頂向上延伸至地表。

圖2 工況1下地層整體沉降云圖

取模型中橋梁下方的地表作為研究對象，3種工況下的地表沉降曲線如圖3所示，從圖中可以看出，地表最大沉降發生在雙線隧道中心線上方，最大沉降值為2.23 mm，地表沉降形狀基本符合Peck的正態分布曲線。其中，工況2與工況1沉降曲線接近重合，工況3的最大沉降為1.56 mm，相比工況1減小了約30%，說明采用克泥效工法進行同步注漿能有效控制地表沉降。

圖3 3種工況下的地表沉降曲線

3.2 橋樁變形分析

3.2.1 橋樁沉降變形分析

根據左右線盾構隧道掘進時穿越的先后順序，對橋樁進行編號，分別為1～4號。工況1下橋樁沉降云圖如圖4所示，從圖中可以看到橋樁沉降沿樁身深度方向變化不大，但在X方向上靠近隧道一側沉降明顯大于遠離隧道一側沉降，最大沉降值為0.99 mm。

圖4 工況1下橋樁沉降云圖

3.2.2 橋樁水平變形分析

隧道開挖完成后，工況1下1～4號橋樁X方向變形沿樁深的變化曲線如圖5所示，從圖中可以看到，橋樁上部13 m范圍內均出現了向隧道方向的傾斜，X方向的變形沿樁深均勻變化，最大變形均發生在樁頂部位，最大變形值為3.37 mm，其中1、2號橋樁X方向變形大于3、4號橋樁，這是因為1、2號橋樁距離隧道更近，凈距僅為1.0 m，受隧道開挖影響較大。

圖5 工況1下1～4號橋樁X方向變形沿樁深的變化曲線

在設置臨時支墩(工況2)和采用克泥效工法(工況3)后，為分析橋樁變形的影響，以1號橋樁為例，繪制了3種不同工況下橋樁X方向變形沿樁深的變化曲線，如圖6所示。從圖中可以看到，工況2設置臨時支墩后，1號橋樁的最大變形值由3.13 mm 減小到2.99 mm，變形減小了約5%，工況3采用克泥效工法后，1號橋樁的最大變形值減小到1.28 mm，變形減小了約60%。由結果分析可知，采用克泥效工法相比設置臨時支墩而言，能更多地減少橋樁的變形。

圖6 3種不同工況下橋樁X方向變形沿樁深的變化曲線

3.3 橋樁受力分析

3.3.1 橋樁軸力分析

以1號橋樁為例，3種工況下橋樁軸力沿樁深的變化曲線如圖7所示。從圖中可以看出，工況1和工況3情況下橋樁軸力變化不大，兩條曲線基本重合，說明采用克泥效工法對橋樁的受力影響不大。而在工況2設置臨時支墩后，橋樁軸力顯著減小，最大軸力由6 323 kN減小到5 859 kN，減小了約7%。

圖7 3種工況下橋樁軸力沿樁深的變化曲線

3.3.2 橋樁彎矩分析

圖8是工況1下1～4號橋樁Y方向附加彎矩沿樁深的變化曲線。附加彎矩是指橋樁在盾構隧道未開挖和開挖后的彎矩變化。從圖中可以看出，1號和2號橋樁附加彎矩值為正，3號和4號橋樁附加彎矩值為負，表示橋樁都向隧道方向彎曲。橋樁附加彎矩的變化規律為沿樁深自上而下逐漸增大，最大附加彎矩值為46.2 kN·m，各橋樁之間附加彎矩絕對值相差不大。

圖8 工況1下1～4號橋樁Y方向附加彎矩沿樁深的變化曲線

以1號橋樁為例，在工況2和工況3情況下橋樁最大附加彎矩值分別為34.1 kN·m和21.3 kN·m，相比工況1而言分別減小了26%和54%，說明設置臨時支墩和采用克泥效工法都能較好地改善橋樁彎矩情況，但采用克泥效工法的效果更好。

3.4 排水渠變形受力分析

3.4.1 排水渠變形分析

圖9是工況1下排水渠沉降云圖，從圖中可以看出，排水渠的沉降呈現出中間大、兩邊小的規律，這與地表沉降規律類似，沉降主要發生在雙線隧道中心線上方，最大沉降發生在排水渠的底部，其值為2.28 mm。

圖9 工況1下排水渠沉降云圖

3.4.2 排水渠受力分析

圖10是工況1下排水渠最大主應力云圖，其中最大主應力的正值表示受拉，負值表示受壓，分別對應最大拉應力和最大壓應力。從圖中可以看出，排水渠的最大壓應力主要分布在上表面，最大拉應力主要分布在下表面，且都位于排水渠中間部位。

圖10 工況1下排水渠最大主應力云圖

表2是不同工況下排水渠最大主應力值，其中工況2的最大主應力值與工況1相差很小，工況3相比工況1，最大拉應力和最大壓應力值分別減小了7%和5%，說明采用克泥效工法能較好地改善排水渠的受力狀態。根據《混凝土結構設計規范GB 50010—2010》(2015年版)的規定，C30混凝土的抗拉強度設計值為1.57 MPa，抗壓強度設計值為16.7 MPa，表2中不同工況下的最大應力值均小于規定的設計值，滿足強度要求。

表2 不同工況下排水渠最大主應力值 (MPa)

4 施工對策

4.1 設置臨時支墩

盾構穿越橋樁前，在橋梁和地表之間采用臨時支墩進行加固，這種方法是從改變樁基外部荷載的角度出發，將既有橋梁樁基礎承受的部分荷載通過臨時支墩傳遞到地層中去，待盾構順利通過橋樁影響范圍后，逐步拆除臨時支墩體系。

實際工程中設置臨時支墩的主要流程包括臨時支墩混凝土基礎施工、鋼構件安裝施工、體系受力調整和臨時支墩體系拆除。根據盾構在推進過程中的需要，結合地面監測情況，對橋梁穩定性情況進行分析，確定是否需要通過千斤頂來增大壓力，保證橋梁體系安全。

在本文的數值模擬結果中，對比設置臨時支墩前后橋樁的狀態可知，設置臨時支墩能有效控制橋樁的受力情況，其軸力減小了約7%，其彎矩減小了約26%，數值模擬的結果表明臨時支墩加固的效果顯著，為實際工程中臨時支墩的具體應用提供了依據。

4.2 采用克泥效工法

克泥效工法本質上是一種盾構注漿施工技術，其原理是特殊黏土與強塑劑以一定的比例混合后，瞬間形成高黏度、不會硬化的可塑性黏土。一般盾尾同步注漿的注入點在盾尾處，而克泥效工法則是對盾體周圍的土體進行注漿。混合后的克泥效材料通過前端盾構機外殼上的注漿孔注入周圍土體中，可以有效填充刀盤開挖輪廓與盾構產生的間隙，利用克泥效材料止水、支撐和充填的特性，阻止土體的變形并控制地表沉降。

克泥效的特殊黏土材料由合成鈣基黏土礦物、纖維素衍生劑、膠體穩定劑和分散劑構成，強塑劑主要為水玻璃。在本工程中，克泥效采用A、B雙液，特殊膨潤土漿液(A液)比例為膨潤土∶水=1∶2，水玻璃液(B液)比例為水玻璃∶水=1∶1(體積比)，其中B液添加率為5%～6%，每環1.5 m寬注入克泥效混合液體積為0.604 m3。

通過分析本文數值模擬結果可知，采用克泥效工法能有效地控制橋樁水平位移，相比未采取任何措施而言，橋樁水平位移減小了約60%，附加彎矩減小了約54%，除此之外，排水渠的應力狀態也得到一定程度的改善。對于盾構隧道以小凈距穿越的情況，或其他對變形控制要求高的盾構掘進工程，采用克泥效工法能很好地控制地層變形，滿足工程要求。

4.3 盾構掘進控制

將盾構穿越前100 m設為試掘進段，盾構機掘進前，先對各種施工參數進行計算，然后根據計算結果，設定施工參數。在正常掘進階段施工中，根據設定施工參數的應用效果，結合地表監測的結果對各種參數進行調整、優化，使各項參數的設定達到最佳。

盾構掘進參數主要包括土倉壓力、推進速度及刀盤轉速、注漿壓力，在本工程中，土倉壓力的設定值根據隧道埋深取為開挖面平衡土壓0.14 MPa，推進速度在穿越段控制在15 mm/min內，刀盤轉速不大于1.3 r/min，注漿壓力根據隧道埋深及地質情況設定在0.2～0.3 MPa之間。

另外，壁后注漿采取同步注漿和二次補充注漿兩種方式，同步注漿通過同步注漿系統隨掘進同時注入，二次補充注漿利用補充注漿系統通過管片注漿孔進行注漿。注漿作業時，嚴密注意注漿壓力和注漿量變化，以注漿壓力控制為主、注漿量控制為輔，且注漿作業與盾構推進同步進行，其注入速率應與掘進速度相適應。

4.4 施工監測

為保證施工過程中橋梁和排水渠的使用安全，了解施工過程中現場的實際情況，必要時對設計方案或施工過程進行修正，從而實現動態設計及信息化施工，需要對現場進行嚴密的施工監測。

盾構開挖影響的范圍隨開挖進度的增加而增大，本工程取盾構開挖的隧道邊緣向外2倍開挖深度范圍內的地表沉降、橋墩沉降以及排水渠沉降作為監測對象，其中地表沉降的監測點沿隧道縱向推進軸線布置，測點間距為5～10 m，要求每個橋墩至少布置1個橋墩沉降的監測點。

各監測項目在盾構施工影響前應連續觀察2～3次，取其穩定值的平均值作為監測項目初始值。當變形超過有關標準或場地條件變化較大時，應加密觀測；當大雨、暴雨或盾構邊載條件改變時應及時監測；當有危險事故征兆時，應連續跟蹤觀測。監測項目控制值如表3所示。

表3 監測項目控制值

地表縱向沉降施工監測數據如表4所示，根據表4，地表最大沉降值為2.87 mm，平均值為2.02 mm，監測數據的地表沉降平均值與模擬結果中的最大沉降值2.23 mm相差約9%，誤差在工程可接受的范圍內，同時也證明了模型的有效性。

表4 地表縱向沉降施工監測數據

5 結論

本文以長沙地鐵6號線穿越楊家山立交橋工程為背景，采用數值模擬方法研究了盾構隧道穿越橋樁產生的影響，并根據模擬結果提出相應的施工對策，得出以下結論：

(1) 盾構隧道穿越橋樁過程中，橋樁會產生向隧道中心方向的傾斜，樁頂的水平位移最大值達到3.37 mm；各橋樁軸力隨樁深的增加而增加，彎矩沿隧道中心線呈對稱分布，最大彎矩發生在樁端部位；排水渠應力狀態表現為上表面受壓、下表面受拉。

(2) 在工況2(設置臨時支墩)情況下，橋樁軸力和彎矩相比工況1(未采取措施)分別減小了約7%和26%；在工況3(采用克泥效工法)情況下，橋樁水平變形和彎矩分別減小了約60%和54%。采用工況2、工況3兩種施工措施后，橋樁以及排水渠的變形滿足監測控制值，有效地降低了盾構開挖風險，保證了既有結構的穩定性。

(3) 結合數值模擬結果和工程實際，提出了4條相應的施工對策，分別是設置臨時支墩、采用克泥效工法、盾構掘進控制以及施工監測，通過4種施工對策的合理運用，保證橋梁及橋下排水渠的正常使用。