近距離并行高架時盾構施工防護技術

趙風嶺，李強

（1.中國鐵路北京局集團有限公司工程質量監(jiān)督站，北京 100860；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

隨著城市化的推進，城市地下空間的開發(fā)利用越來越成為熱點話題，特別是大中城市的土地資源越來越緊缺，越來越成為城市經(jīng)濟社會發(fā)展的重要制約因素之一，因此空間資源開發(fā)利用方向也越來越向地下發(fā)展[1-4]。在密集的城市軌道交通線網(wǎng)中，新建市政管線、軌道交通、地下通道、綜合管廊等不可避免地會下穿既有軌道交通結構，引起既有結構發(fā)生變形，導致結構損傷或影響軌道交通的正常運營[5-7]。因此，下穿工程是目前城市地下工程建設中風險最高、難度最大的工程。

目前，國內外以隧道施工對既有結構影響為主旨，開展了一定的研究。譬如通過解析解方法，分析了隧道開挖引起的地層位移、沉降，采用小比尺試驗和離心模型試驗進行隧道施工引起相鄰地層位移影響的分析，開展工程案例現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，推演施工對既有建筑物的影響[8-11]。相關研究取得了一定進展，為盾構下穿既有結構物的研究做出了貢獻。在現(xiàn)有研究中，盾構隧道并行既有地鐵高架基礎的研究較少。本文基于鐵路隧道工程實例，對并行高架基礎時的工程防護技術及其效果進行了分析，提出了可靠的防護方案，為后續(xù)并行工程提供了理論經(jīng)驗。

1 工程情況概述

1.1 場地情況

新建北京至張家口鐵路工程清華園隧道位于北京市海淀區(qū)，隧道全長6 020 m，采用明挖+盾構法施工，其中，盾構段長4 448.5 m，分2個區(qū)間組織施工，2—1盾構區(qū)間長2 707.5 m，3—2盾構區(qū)間長1 741 m。清華園隧道3號井—2號井區(qū)間西側緊鄰地鐵13號線，與13號線呈平行狀態(tài)、間距均勻，盾構機距地鐵13號線承臺凈距14.5耀14.8 m、隧道邊界距13號線承臺凈距14.7耀15.0 m。盾構機始發(fā)后，水平以直線、豎向以1.25%下坡向小里程掘進，隧道埋深由6.8 m增加到11.3 m（對應盾構機覆土深度為6.6耀11.1 m）。

地鐵13號線采用高架橋形式沿清華園隧道西側鋪設，橋墩基礎為直徑1 m鉆孔灌注樁，單樁長22 m，2~4樁承臺，承臺上為混凝土方形柱墩。地鐵13號線軌道結構型式為60 kg/m鋼軌，1 435 mm標準軌距，無縫線路，整體倒床。

3號井—2號井盾構區(qū)間穿越的土層自上而下分別為雜填土層、粉質黏土層、粉土層、粉質黏土層、卵石土層，盾構施工穿越的土層為粉質黏土層、卵石土層，局部夾雜少量粉、細砂層。北京地區(qū)第四系地層中的松散巖類孔隙水按埋藏條件分為上層滯水、潛水和承壓水。局部分部少量上層滯水，分部無規(guī)律，僅局部分布，該層水位埋藏深度一般在3.4~5.7 m左右；層間潛水，水位埋深為22.0~24.0 m左右，含水層為卵石土層、粉土層、粉砂層、細砂層、中砂層、粗砂層等。

1.2 防護方案設計

為了確認不同防護結構的防護效果，在3—2區(qū)間始發(fā)段盾構隧道與高架之間設置鉆孔灌注樁、復合錨桿樁、跟蹤注漿3種不同形式的防護結構對地鐵13號線高架進行防護，通過采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析不同結構的防護效果，從而選擇最優(yōu)的防護措施。試驗段（DK18+200—DK17+825）總長375 m。前200 m（DK18+200—DK18+000）為始發(fā)試驗段，主要用于測試盾構機自身性能，調整合理的施工參數(shù)；剩余175 m（DK18+000—DK17+825）為防護措施試驗段，基于穩(wěn)定的掘進參數(shù)基礎上，對3種防護措施的效果進行試驗，如圖1所示。

圖1 防護試驗段防護措施整體平面布置圖Fig.1 Overall layout of the protecting plans in protective test section

在175 m范圍內對地鐵13號線防護措施由強至弱逐漸遞減。DK17+985斷面布置方案：準800@1 200 mm鉆孔灌注樁1排，鉆孔灌注樁打入隧底以下2 m，單樁長22.23 m，鉆孔灌注樁距離盾構隧道邊界最小距離1.5 m；DK17+885斷面采用復合錨桿樁，布置方案：準180復合錨桿樁，3排梅花形布置，間距0.8 m伊0.5 m，復合錨桿樁打入底板以下3 m，距離盾構隧道邊界最小距離2.0 m；DK17+835斷面采用跟蹤注漿的防護加固措施，注漿管采用了42 mm袖閥管，間距1.5 m伊2 m布置，袖閥管打入隧底以下2 m，注漿半徑0.8 m。由于DK17+985、DK17+885和DK17+835斷面所對應的鄰近橋墩皆為4樁承臺，因此在后續(xù)分析中重點介紹了不同防護方案下，4樁承臺的變形情況。

2 防護方案的數(shù)值仿真分析

采用PLAXIS進行數(shù)值模擬分析，模型整體尺寸為200 m伊80 m伊70 m，采用樁單元模擬橋樁，采用實體單元模擬土層。采用靜力分析步驟，模擬不同開挖階段防護樁和橋墩的變形情況。把3種不同的防護措施放在一個模型中，整體分析不同防護措施的影響。隧道拱頂埋深9.3 m，橋樁與隧道中線最小距離為14.8 m。

分別對DK17+985、DK17+885、DK17+835三個斷面進行模擬分析，計算相應的地層和結構變形。

通過計算可知，采用鉆孔灌注樁進行防護的DK17+985斷面，地表沉降最大值為9.12 mm，鉆孔灌注樁橫向最大位移為4.91 mm，橋樁最大橫向位移為1.85 mm，從變形可以看出，盾構開挖前布置鉆孔灌注樁，對變形傳遞有一定的阻隔效果，能夠有效降低橋樁的沉降變形。采用復合錨桿樁進行防護的DK17+885斷面，地表沉降最大值為10.25 mm，復合錨桿樁橫向最大位移為4.75 mm，橋樁最大橫向位移為1.79 mm。同鉆孔灌注樁相比，復合錨桿樁對阻隔橫向變形傳遞效果相差不大，但對減小地表沉降的效果不如鉆孔灌注樁。采用跟蹤注漿進行防護的DK17+835斷面，計算可知，地表沉降最大值為11.53 mm，橋樁最大橫向位移為1.75 mm。同其他防護措施相比，注漿層防護效果最弱，對減小地表沉降變形效用最低。

將3種防護措施處理后地表沉降情況匯總，如圖2所示。圖中虛線為橋樁所在位置。

圖2 不同斷面地表沉降曲線Fig.2 Surface settlement curves of different sections

防護結構與隧道中心線相距8~10 m，從圖中曲線能夠明顯看出該位置地表沉降曲線有拐點，這表明采用防護樁或復合錨桿樁，都能夠有效隔斷地層變形傳遞，保護13號線橋梁結構不受隧道開挖的影響。

3 防護措施現(xiàn)場試驗

3.1 監(jiān)測布置

以DK17+985斷面為例進行分析，監(jiān)測斷面布置5個地表測點監(jiān)測地表沉降，1個模擬樁（包含4個測斜管）監(jiān)測樁頂沉降及樁身水平位移，1排鉆孔灌注樁（包含3個測斜管）監(jiān)測樁頂沉降及樁身水平位移，監(jiān)測布置如圖3所示。

圖3 DK17+985斷面監(jiān)測點布置圖Fig.3 Locations of the monitoring points on the section DK17+985

3.2 地表沉降

以DK17+985斷面為例進行地表沉降觀測，如圖4所示。

圖4 DK17+985斷面地表沉降圖Fig.4 Surface settlement of the section DK17+985

由圖4可以看出，測點隨著掘進距離的增加，在前20 m范圍內沉降值明顯增大。本監(jiān)測斷面的地表沉降點總體來說量值很小，沉降速率在開挖面到達測點的時候接近最大值，而后由于盾尾同步注漿及二次注漿會使沉降得到補償，最終沉降在14 mm以內。從圖中還可以看出，樁側土體的沉降最小，不到2.2 mm，其分布仍然可用高斯曲線近似模擬，鉆孔灌注樁有效地阻隔了變形的傳遞。

3.3 防護樁頂沉降

以DK17+985斷面為例進行防護樁頂沉降觀測，如圖5所示。

圖5 DK17+985斷面防護樁頂沉降圖Fig.5 Settlement of the protecting pile on the section DK17+985

由圖5可以看出，樁的沉降非常小，最大值僅為2.1 mm，由于樁相對于土體而言，剛性較大，其樁頂沉降與樁底沉降基本相等，而隧道底部的沉降已經(jīng)很小，所以樁頂部的沉降較小。

3.4 防護樁水平位移

以DK17+985斷面為例，監(jiān)測防護樁的水平位移，呈現(xiàn)出向隧道外側頂?shù)淖冃我?guī)律，如圖6所示。其中變形穩(wěn)定階段的水平位移整體變形趨勢和量值較到達前、切口到達和盾尾脫出3個階段的變化大，最大變形值在1~2 mm范圍內。

圖6 DK17+985斷面防護樁水平位移圖Fig.6 Lateral displacement of the protecting pile on the section DK17+985

4 評價指標及分析評價

防護措施的作用主要是隔斷變形的傳遞過程，即土體變形在防護結構兩側表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。為了定量化地體現(xiàn)防護結構的這種防護效果，基于防護結構橫斷面變形穩(wěn)定階段的地表變形曲線，通過公式（1）計算得到變形斜率相對減小率濁。

式中：K0為選取變形曲線防護結構外側曲線斜率；Ki為防護結構內側曲線斜率。

將選取防護段每個斷面穩(wěn)定階段的地表沉降曲線計算評價指標濁，并通過對比濁的值來評價3種防護措施的效果。計算結果見表1。

表1 防護措施效果評價表Table 1 Evaluation on the defending effect of protecting measures

從表1可以看出：防護試驗段3種防護措施效果強弱順序如下：鉆孔灌注樁>復合錨桿樁>跟蹤注漿。

5 結語

本文采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗相結合的方法，對近距離并行高架的盾構施工過程進行了分析，研究了不同防護方案下盾構施工引起的臨近建筑變形，主要結論如下：

1）3種防護措施在盾構隧道施工中，都起到有效阻隔地層變形的效果。防護樁的水平位移呈現(xiàn)出向隧道外側頂?shù)淖冃我?guī)律，其中變形穩(wěn)定階段的水平位移整體變形趨勢和量值較到達前、切口到達和盾尾脫出3個階段的變化大。

2）防護措施對地層損失的影響較小，防護措施的作用主要是隔斷變形的傳遞過程。防護試驗段的3種防護措施對地層變形均具有一定的隔斷作用，鉆孔灌注樁較復合錨桿樁的好，地層跟蹤注漿加固防護措施的效果最弱。

3）從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來看，目前試驗段盾構施工參數(shù)控制較好，地表最終沉降在14 mm以內，樁的沉降量僅為2.1 mm。防護樁的水平位移向隧道外側頂，最大變形值在1~2 mm范圍內。