考慮地層蠕變特性的盾構隧道施工對鄰近橋樁影響和保護措施*

劉欣然，李兆平，張 存，王航飛，孫 程

(1.北京市市政四建設工程有限責任公司，北京 100176；2.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

0 引言

城市軌道交通線網規劃建設一般位于城市中心區域，新建地鐵、車站或隧道不可避免地從既有城市立交橋、人行天橋基樁側面或下方穿越，相關研究表明，地鐵隧道開挖必然擾動周圍地層，引起地層沉降，可能進一步導致一定范圍內鄰近基樁產生不利的負摩阻力，或使其周圍地層松弛而損失摩擦力，最終造成橋梁基礎變形超標，上海、廣州、北京等地鐵隧道工程建設過程中均遭遇類似問題，給設計和施工帶來巨大挑戰[1-8]。

大量鄰近橋樁地鐵隧道施工監測數據表明，地層沉降和橋樁變形相對隧道施工工序表現出一定時間滯后效應，由于地層具有流變特性，在隧道開挖結束后相當長時間內，地層仍在持續變形，對鄰近橋樁產生長期影響。目前研究成果主要集中在隧道開挖對鄰近橋樁影響空間效應方面，而對于隧道周圍地層流變特性導致的時間效應研究尚有不足，相關研究工作深度和研究成果實用性均不能滿足設計與施工要求。近年來，部分學者針對地層流變效應的隧道開挖問題展開研究[9-16]。本文以某地鐵區間盾構隧道為依托工程，在考慮盾構隧道開挖空間效應基礎上，研究隧道周圍地層流變時效特性對鄰近橋樁影響，研究結果可為評估盾構隧道施工對鄰近橋樁影響程度和制定鄰近橋樁保護措施提供參考。

1 盾構區間隧道側穿的鄰近橋梁情況

某地鐵區間隧道采用土壓平衡模式掘進，在里程DK1+631.621～DK2+500范圍內近距離側穿南北二干線橋的橋樁，隧道穿越地層主要為富水粉質黏土地層，該區間隧道巖土工程勘察報告顯示粉質黏土地層具有較明顯蠕變特性，由于開挖擾動和地層長期流變特性疊加影響，降低橋樁側摩阻力和橋樁承載能力，影響橋梁上部結構安全，針對此類型地層，在分析盾構隧道施工對鄰近橋樁影響時必須考慮地層長期蠕變特性的影響。

地鐵1期工程土建施工第二合同段由勞動路站、望花街站～勞動路站區間及勞動路站～望花屯站區間組成，即“1站2區間”，均為地下線，基本呈“S”型敷設。某地鐵土建施工第2標段衛星圖如圖1所示。

圖1 某地鐵土建施工第2標段衛星圖Fig.1 Satellite image of civil construction section 2 of a subway

望花街站～勞動路站區間隧道北起望花街站，區間沿望花北街向南走行，在里程DK1+631.621～DK2+500范圍內側穿南北二干線橋橋樁，穿越橋樁段區間隧道拱頂覆土為10.3 ～16.1 m。

南北二干線工程在望花北街段為高架橋結構，橋梁上部結構為多跨連續箱梁結構，下部結構采用6樁承臺基礎上接π型墩柱型式，橋樁采用機械成孔灌注樁，樁徑1.5 m，樁長46 m，為端部承載+摩擦樁，橋樁外皮距離區間右線隧道凈距離為13～16 m。盾構隧道與南北二干線橋位置如圖2所示。

圖2 盾構隧道與南北二干線橋位置Fig.2 Locations of shield tunnel and north-south 2nd trunk bridge

盾構區間隧道地層主要由第4系全新統和更新統黏性土、砂類土及碎石類土組成，其中盾構隧道穿越部位及上方地層主要為富水粉質黏土地層，巖土工程勘察報告顯示該地層具有“低滲透性、高含水量(天然含水量ω約為26.0%)”特點，地層中細顆粒含量高，粒徑≤10 μm的顆粒占比高達61.23%，為高黏粉含量的黏土地層。

地下水主要有上層滯水和孔隙潛水。上層滯水主要賦存于第4系渾河老扇沖洪積形成的粉質黏土層中，主要受大氣降水及人為活動影響，穩定水位深度1.0～4.8 m；孔隙潛水具有微承壓性水，主要含水層為礫砂層及以下透水性地層，穩定水位埋深為26.5～27.0 m。低于隧道開挖面約1～8 m，區間隧道地質縱斷面如圖3所示。

圖3 望花街站～勞動路站區間地質剖面圖Fig.3 Geological profile of interval between Wanghuajie station and Laodonglu station

2 考慮粉質黏土地層蠕變特性的盾構隧道施工對鄰近橋樁影響分析

2.1 計算模型

本文采用FLAC3D軟件進行模擬計算，橋梁基礎距盾構右線隧道13 m。考慮邊界效應影響，模型上邊界取至地表，下邊界距樁底10 m。模型尺寸為84 m×120 m×60 m，如圖4所示。模型上邊界為自由邊界，模型四周及底部采用法向約束。

圖4 數值模擬計算模型Fig.4 Model of numerical simulation calculation

為確保與實際工程施工工序安排一致，首先模擬盾構右線掘進(鄰近橋樁一側)，待右線盾構隧道掘進結束應力平衡后，開始左線盾構隧道掘進。盾構掘進主要參數為土倉壓力0.15 MPa，同步注漿壓力0.35 MPa，注漿層厚度0.15 m。計算模型物理力學參數見表1。

表1 計算模型的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of calculation model

樁土相互作用采用接觸面單元模擬，盾構掘進模擬方法包括以下4部分：

1)盾構掘進1環(1.2 m)，開挖面施加梯形支護力以模擬土倉壓力。

2)開挖面后5環(6 m)范圍內設置環向盾殼單元，并施加豎向盾構機自重力。

3)盾構向前掘進1環后，將盾尾處盾殼單元刪除，在該處設置管片及等代層單元，施加環向同步注漿壓力，等代層處設置軟漿液參數；待盾構繼續掘進2環后，提高等代層漿液參數以模擬漿液硬化過程。通過等代層單元參數的改變，模擬盾尾空隙同步注漿及漿液硬化過程。

4)繼續盾構掘進，循環模擬，直到設置的計算模型掘進結束。

2.2 盾構穿越部位粉質黏土地層蠕變模型研究

本區間隧道巖土工程勘察報告提供圍壓200，300 kPa情況下黏土地層蠕變試驗結果：

1)試樣加載后產生瞬時變形，所以構建的本構模型應有彈性元件。

2)隨時間增加，應變不斷增大，但蠕變速率逐漸衰減并趨于穩定，因此選用的本構模型應包含黏性元件。

描述地層蠕變特性主要模型包括D-P模型和Burgers模型[17]。Burgers模型可描述粉質黏土地層瞬態蠕變和等速蠕變[18]，由Maxwell模型與Kelvin模型串聯組成，工程盾構隧道穿越黏土地層蠕變包含第1階段的瞬態蠕變和第2階段的等速蠕變，因此本文選擇Burgers模型進行研究。

穿越橋樁段區間隧道拱頂覆土為10.3～16.1 m，深度16.1 m處黏土承受軸壓σ0=γh=19.7×16.1=317 kPa。選擇軸壓300 kPa的蠕變試驗曲線計算蠕變模型參數，見表2。計算設定蠕變時間為10 a，觀測10 a橋梁基礎變形演變規律。

表2 蠕變模型參數Table 2 Parameters of creep model

采用FLAC3D中的CVISC模型，該本構模型在Burgers模型基礎上串聯1個Mohr-Coulomb模型。Mohr-Coulomb模型可模擬黏土地層塑性變形。

2.3 考慮地層蠕變效應的橋樁變形數值計算結果分析

南北二干線橋下部結構為6樁承臺接π型墩柱型式，因此選擇橋梁承臺中心點作為計算結果取值點，重點研究該取值點在盾構掘進階段至設定蠕變計算時間結束期間變形特征及演變規律。

橋梁承臺中心點沉降和水平變形歷時曲線分別如圖5和圖6所示。

圖5 橋梁承臺中心點沉降歷時曲線Fig.5 Settlement duration curve of center point of bridge cap

圖6 橋梁承臺中心點水平位移歷時曲線Fig.6 Horizontal displacement duration curve of center point of bridge cap

圖5中橋梁承臺基礎中心點沉降可分為2個階段：

1)急劇發展階段：盾構掘進通過橋梁至第12個月，橋梁承臺基礎中心點沉降值由2.0 mm急劇增加至10.3 mm。

2)趨于穩定階段：盾構隧道通過12個月以后，橋梁承臺基礎中心點逐漸趨于穩定，12～120個月期間，沉降值由10.3 mm增加到10.8 mm。

圖6中橋梁承臺基礎中心點水平位移大致分為2個階段：

1)急劇增大階段：盾構掘進通過橋梁至第12個月，橋梁承臺基礎中心點水平位移值由4 mm急劇增加至14.7 mm。

2)趨于穩定階段：12個月以后，橋梁承臺基礎中心點水平變形基本不再增加。

計算結果表明，在分析盾構施工對鄰近橋樁影響時必須考慮黏土地層長期變形特性的不利影響，且對橋梁基礎沉降影響持續時間更長。南北二干線工程為多跨連續梁橋，橋梁變形控制標準高，橋梁安全評估報告給出的橋梁墩柱累計沉降值小于8 mm，顯然，在考慮地層蠕變效應時，橋樁絕對沉降值將超過控制指標，因此需要對鄰近橋梁采取保護措施。

3 鄰近橋樁保護措施研究

3.1 對鄰近橋樁影響的定性分析

盾構隧道開挖影響范圍如圖7所示。由圖7可知，盾構隧道掘進對橋梁承臺影響較大，同時對鄰近隧道一側橋樁也會產生一定影響。如果承臺沉降超標，將會在上部蓋梁產生附加應力，影響橋梁安全運營。

圖7 盾構隧道開挖影響范圍Fig.7 Analysis on influence range of shield tunnel excavation

3.2 鄰近橋樁保護措施

根據地鐵隧道與橋樁位置及穿越地層特點，擬定保護措施包括以下2種：

1)施工隔離樁保護措施。在橋樁與盾構隧道間施工隔離樁，采取復合錨桿樁，共設置2排；縱向間距1.5 m，排距0.8 m，擴散半徑0.75 m，樁長27 m，打設角度90°。

2)盾構隧道內徑向注漿。在吊裝孔及管片增設的預留注漿孔中設置一定長度的注漿管，采取徑向注漿方式，對隧道夾土層以及隧道周邊靠近橋樁一側土體進行加固。考慮到地層為粉質黏土，區間隧道粉質黏土中細顆粒較多，中位粒徑6.99 μm，其中粒徑≤10 μm的顆粒占比高達61.23%。因此注漿材料采用超細水泥漿液，以增加可注性。注漿保護措施和隔離樁保護措施如圖8所示。

圖8 地層注漿加固措施和隔離樁保護措施Fig.8 Stratum grouting reinforcement measure and isolation pile protection measure

3.3 隔離樁和洞內徑向注漿措施效果分析

隔離樁能夠有效阻斷隧道施工引起的土體擾動傳播，在一定程度上阻斷因隧道掘進引起的地層變形，起到保護鄰近橋梁樁基的作用。徑向注漿措施能夠有效減少盾構掘進造成的地層損失，從而減少對周圍土體的擾動。采取隔離樁和徑向注漿措施等不同工況下承臺基礎中心點沉降和水平位移曲線如圖9～10所示。

圖9 不同保護措施的橋梁承臺中心點沉降歷時曲線Fig.9 Settlement duration curve of center point of bridge cap with different protection measures

圖10 不同保護措施的橋梁承臺中心點水平位移歷時曲線Fig.10 Horizontal displacement duration curve of center point of bridge cap with different protection measures

由圖9～10可知，在盾構隧道與橋樁之間施作的隔離樁和盾構隧道內徑向注漿加固措施均能將橋樁基礎沉降和水平變形控制在6 mm之內，且橋梁基礎沉降在5個月左右的時間就可趨于穩定。

3.4 對鄰近南北二干線橋樁保護措施的建議

數值模擬計算結果表明，在地表設置隔離樁和盾構隧道對周圍地層實施徑向注漿加固等2種措施，均可有效減少鄰近橋樁的蠕變變形，且兩者保護效果相近。

根據地鐵工程鄰近橋梁風險等級劃分方法,并結合數值模擬結論，盾構隧道與橋梁鄰近等級劃分為“較鄰近”，相應風險等級為“風險較大”,可以采取“邊施工、邊加固”的處理方法。

考慮到盾構隧道側穿的南北二干線為某市南北交通干線，橋下為城市干道，交通流量大，在地表施作隔離樁需進行大量交通導行，對城市交通干擾大。結合現場實際情況，洞內采用徑向注漿可滿足對鄰近橋樁保護要求，具體保護措施包括以下2種：

1)在盾構隧道內實施洞內徑向注漿。在管片上預留注漿孔，通過中空鉆桿內注漿的方法注漿，采用超細水泥+水玻璃雙液漿。鉆孔至底標高時，鉆孔A150 mm內置PVC注漿管，注漿管用PVC專用膠連接，注漿半徑500 mm，豎向間距1 000 mm，橫向間距800 mm；雙液漿水灰比1.2∶1，水玻璃波美度≥35°Bé，雙液漿比例1∶1，注漿壓力控制在0.5 MPa，無壓力后停止注漿，封孔采用雙液漿進行封孔。

2)本工程盾構機刀盤外徑6 190 mm，盾殼外徑為6 160 mm，二者間存在30 mm間隙，注入泥漿可有效填充間隙。

4 結論

1)盾構隧道貫通后，鄰近南北二干線橋的承臺基礎沉降和水平變形持續增加，變形趨于穩定需要1 a時間，且累計沉降值將超過橋梁樁基礎允許沉降值。

2)對鄰近橋樁采取隔離樁和盾構隧道內徑向注漿2種保護措施，2種措施均能將橋樁基礎沉降值和水平變形控制在6 mm之內，且橋梁承臺基礎沉降在5個月左右就趨于穩定。

3)根據計算結果并結合現場實際情況，建議采用盾構隧道內洞內徑向注漿的保護措施，并做好刀盤與盾殼間隙的填充注漿。