大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)段掘進(jìn)對(duì)近接既有地鐵橋梁的影響分析*

王 軍

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

地下交通越來越成為緩解城市交通擁堵的最佳選擇[1-3]，盾構(gòu)隧道因其對(duì)周圍環(huán)境干擾小而得到廣泛應(yīng)用[4-6]。然而，盾構(gòu)施工過程中會(huì)不可避免地造成鄰近建(構(gòu))筑物的擾動(dòng)，這就是所謂的盾構(gòu)近接施工。盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有橋梁樁基亦屬于盾構(gòu)近接施工中1類需要重點(diǎn)關(guān)注的施工重難點(diǎn)。此時(shí)，鄰近運(yùn)營橋梁樁基將受到盾構(gòu)隧道開挖掘進(jìn)較大的影響[7-8]。

為了確保盾構(gòu)近接橋梁樁基安全施工，國內(nèi)諸多學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)近接橋梁結(jié)構(gòu)掘進(jìn)施工開展了相關(guān)研究。辛振省[9]針對(duì)既有橋墩樁基在盾構(gòu)隧道近距離穿越影響下的力學(xué)行為開展了數(shù)值模擬研究。史淵等[10]以武漢市地鐵7號(hào)線某隧道區(qū)間盾構(gòu)側(cè)穿滬蓉漢高鐵橋梁為工程背景，通過建立數(shù)值模型分析了隔離樁對(duì)橋梁樁基變形的控制效果，指出隔離樁可有效減小盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)鄰近橋梁樁基的影響規(guī)模。賴金星等[11]針對(duì)盾構(gòu)穿越群樁基礎(chǔ)開展了三維有限元?jiǎng)討B(tài)仿真模擬，將群樁基礎(chǔ)水平位移的增長過程分為了盾構(gòu)到達(dá)前、穿越時(shí)以及注漿階段3個(gè)階段。孫雪兵[12]以武漢地鐵3號(hào)線盾構(gòu)機(jī)下穿鐵路橋梁施工為工程背景，以樁基礎(chǔ)與隧道之間凈距為變量，通過數(shù)值計(jì)算分析了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表沉降及橋梁結(jié)構(gòu)變形的影響。成煒康等[13]以鄭州某盾構(gòu)隧道在粉細(xì)砂地層下穿建筑物樁基為工程背景，建立了三維實(shí)體模型，分析了盾構(gòu)下穿建筑物樁基礎(chǔ)引起位移與內(nèi)力的變化規(guī)律。

許世偉等[14]采用FLAC3D軟件對(duì)盾構(gòu)隧道鄰近市政橋梁的施工過程進(jìn)行了仿真分析，有效地對(duì)盾構(gòu)開挖掘進(jìn)對(duì)既有橋梁的影響程度進(jìn)行了預(yù)測，并提出了有針對(duì)性的防護(hù)措施。黃新民[15]針對(duì)鄭州地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿人行天橋樁基礎(chǔ)，介紹了采取“頂托+加固”確保人行天橋安全營運(yùn)的方法。李幸發(fā)[16]針對(duì)廣佛線盾構(gòu)隧道穿越橋梁樁基的工程案例，介紹了盾構(gòu)施工過程中的防護(hù)措施及相關(guān)施工要點(diǎn)，為相似工程提供了參考與借鑒。王哲等[17]針對(duì)盾構(gòu)穿越6根大直徑橋柱的工程需求，開展了磨樁技術(shù)研究，結(jié)合有數(shù)值模擬對(duì)刀具的角度開展了相關(guān)分析，并提出了合理的刀具布置形式。徐前衛(wèi)等[18]以北京地鐵8號(hào)線某隧道側(cè)穿橋梁基礎(chǔ)為施工背景，建立了動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真模型，得到了盾構(gòu)穿越導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律，并給出了針對(duì)性控制方案。

目前很多學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場試驗(yàn)的方法對(duì)盾構(gòu)隧道穿越既有橋梁的影響開展研究并取得了許多有意義的成果，但是針對(duì)大直徑盾構(gòu)，特別是大直徑泥水平衡盾構(gòu)的研究相對(duì)較少。盾構(gòu)始發(fā)段是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，需要確保盾構(gòu)始發(fā)安全施工。本文依托京張高鐵清華園隧道工程3#～2#盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)段為工程背景，建立三維精細(xì)化有限元數(shù)值模型，對(duì)大直徑盾構(gòu)始發(fā)段施工掘進(jìn)對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)及地表沉降的影響規(guī)律進(jìn)行分析研究，并給出有針對(duì)性的防控措施，結(jié)合信息化智能監(jiān)控保障盾構(gòu)始發(fā)段安全掘進(jìn)，可為今后類似工程提供有效的依據(jù)和可靠的工程借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

清華園隧道全長約6 km，為北京至張家口城際高速鐵路中的重點(diǎn)控制工程，其中盾構(gòu)段長4 448.5 m，3#～2#盾構(gòu)段起訖里程為DK18+200～DK16+459，2#～1#盾構(gòu)段起訖里程為DK16+317.5～DK13+610。隧道拱頂最大埋深為28.7 m，最小埋深為6.8 m，平均埋深約18 m。隧道工程區(qū)地層主要為粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、中砂、卵石土。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，該地層中粉土及粉質(zhì)黏土超過50 μm顆粒含量占比約15%，粒徑在50～20 μm范圍內(nèi)的顆粒含量占比約50%，粒徑在20 μm以下顆粒含量占比約35%。卵石土地層中，粒徑在2～6 cm的卵石含量占比為60%，卵石最大粒徑約15 cm，詳見圖1。

圖1 清華園隧道盾構(gòu)掘進(jìn)段地質(zhì)剖面

1.2 盾構(gòu)近接橋梁施工概況

清華園隧道全線近距離并行側(cè)穿北京地鐵13號(hào)線，其與地鐵13號(hào)線橋梁樁基的位置關(guān)系如圖2所示。在清華園隧道施工期間，地鐵13號(hào)線載客正常運(yùn)營，故其安全性需要可靠的保障。五道口高架橋全長1 232 m，采用的截面是單箱單室，橋梁結(jié)構(gòu)為墩柱式，箱梁高1.4 m，頂板和底板的厚度均為0.2 m。橋梁采用矩形截面雙柱式橋墩，2個(gè)橋柱間距為2.0 m，墩身截面橫向?yàn)?.12 m，縱向?yàn)?.40 m，橋梁樁基通過直徑為1.0 m混凝土灌注樁進(jìn)行施工。

圖2 清華園隧道與地鐵13號(hào)線位置關(guān)系

五道口高架橋盾構(gòu)區(qū)間隸屬于3#～2#盾構(gòu)區(qū)間，該區(qū)間采用泥水平衡盾構(gòu)開挖掘進(jìn)，盾構(gòu)開挖直徑為12.64 m。管片外徑為12.2 m，內(nèi)徑為11.1 m，厚度為0.55 m，管片環(huán)寬為2 m。相對(duì)于一般盾構(gòu)近接施工而言，長達(dá)6 020 m的清華園隧道并行正在運(yùn)營的北京地鐵13號(hào)線，清華園隧道距離北京地鐵13號(hào)線3.4～32 m。盾構(gòu)近接施工對(duì)周邊環(huán)境極為敏感，地鐵13號(hào)線道岔區(qū)沉降變形控制要求高，盾構(gòu)近接橋梁施工難度與復(fù)雜程度大。因此，十分有必要針對(duì)盾構(gòu)長距離近接橋梁施工引起的地層擾動(dòng)和樁基變形位移進(jìn)行有限元計(jì)算和分析，進(jìn)而采取必要防控措施，確保隧道施工及地鐵運(yùn)營安全。

2 數(shù)值計(jì)算三維模型的建立

由于盾構(gòu)在砂卵石地層掘進(jìn)引起的地層擾動(dòng)控制難度大，并且始發(fā)階段更易發(fā)生安全事故，此處選取京張高鐵清華園隧道3#～2#區(qū)間始發(fā)段盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)鄰近地鐵橋梁樁基礎(chǔ)的影響進(jìn)行數(shù)值仿真。

2.1 幾何模型參數(shù)

通過有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行建模和模擬計(jì)算，模型尺寸為142 m×120 m×45 m，總共有計(jì)算節(jié)點(diǎn)782 110個(gè)、計(jì)算單元762 036個(gè)，如圖3所示。土體的本構(gòu)模型基于摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，橋墩、地下連續(xù)墻、基坑結(jié)構(gòu)、管片、盾構(gòu)機(jī)等結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。其中，土層、墩身及承臺(tái)通過三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，而灌注樁采用pile結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行建模。

圖3 三維數(shù)值模型

與清華園隧道近距離并行的地鐵13號(hào)線橋梁屬于簡支橋梁，每段簡支橋梁長度為25 m。橋墩的實(shí)際尺寸為隧道線路縱向1.4 m、隧道橫向1.0 m，墩高為1.5 m(埋于土中)+3.3 m(外露)，承臺(tái)尺寸為2.8 m(隧道線路縱向)×5.0 m(隧道橫向)?？紤]始發(fā)豎井基坑的支護(hù)對(duì)始發(fā)段土體的約束不屬于完全約束邊界條件，因此建立部分基坑模型進(jìn)行計(jì)算。

模型的頂面為自由邊界，模型底面限制XYZ 3個(gè)方向的位移，模型的四周施加垂直于該面的位移約束。由于模型中的地下水位位于地表以下10 m處，且由于施工過程的時(shí)間較短，故在數(shù)值模擬中忽略土體自身固結(jié)的影響，并且地下水對(duì)數(shù)值模擬的影響也不是本文研究的內(nèi)容，故不考慮。

2.2 模型材料參數(shù)

為了能夠有效模擬盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)鄰近橋梁的影響并與現(xiàn)場實(shí)際施工相吻合，數(shù)值模型的土體參數(shù)采用清華園隧道地質(zhì)勘查得到的數(shù)據(jù)材料，橋梁結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)參數(shù)也采用工程中的實(shí)際數(shù)據(jù)。

對(duì)于天然土層，計(jì)算模型土層自上向下共分為5層，分別是粉土、粉質(zhì)黏土1、砂卵石土1、粉質(zhì)黏土2、砂卵石土2，計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)于加固區(qū)土體，使用高壓旋噴法進(jìn)行土體加固后的參數(shù)與天然土體參數(shù)有較大的差別，加固區(qū)土體參數(shù)依據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際加固方案以及孫星亮等[19]、張彥斌[20]的研究進(jìn)行選取，加固區(qū)土體的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 土體加固區(qū)物理力學(xué)參數(shù)

通過將盾構(gòu)機(jī)段的注漿層單元參數(shù)從土體參數(shù)換為鋼材參數(shù)模擬盾構(gòu)機(jī)，并加大單元密度，使得盾構(gòu)機(jī)段的視比重同實(shí)際情況類似。盾構(gòu)機(jī)段后為隧道段，此時(shí)注漿層單元的參數(shù)由盾構(gòu)機(jī)段轉(zhuǎn)換為注漿層物理力學(xué)參數(shù)，注漿層的強(qiáng)度不考慮時(shí)間因素。隧道結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)如表3所述。

表3 隧道結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

橋墩實(shí)體單元部分與基坑結(jié)構(gòu)采用相同的計(jì)算參數(shù)，橋墩基礎(chǔ)的鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)單元參數(shù)采用表4中的數(shù)值。簡支梁計(jì)算重量750 t，通過對(duì)墩身頂部單元施加等效面力模擬。

表4 橋墩與基坑結(jié)構(gòu)及鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)單元物理力學(xué)參數(shù)

2.3 盾構(gòu)施工過程模擬

隧道開挖引起的空間效應(yīng)(時(shí)間效應(yīng))及其產(chǎn)生的地層應(yīng)力路徑效應(yīng)是三維模擬中必不可少的。在盾構(gòu)隧道三維開挖模擬中，通過精細(xì)化建模，可以有效地實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的全過程動(dòng)態(tài)模擬。全過程動(dòng)態(tài)模擬包含更多信息，更利于工程人員開展相關(guān)預(yù)測和設(shè)計(jì)。為了盡可能多地考慮盾構(gòu)開挖掘進(jìn)的施工因素，以求與實(shí)際工程更為接近，盾構(gòu)開挖掘進(jìn)過程模擬涉及3個(gè)階段的初始地應(yīng)力平衡。

由于該模型涉及盾構(gòu)始發(fā)、豎井開挖、洞門破除等復(fù)雜步驟，其初始地應(yīng)力需要達(dá)到有效的平衡。數(shù)值計(jì)算中，三維模型的初始應(yīng)力場分為3個(gè)階段進(jìn)行計(jì)算，采用最后得到的最終應(yīng)力場進(jìn)行下一步的盾構(gòu)開挖計(jì)算。第1階段，使用原生土體參數(shù)對(duì)模型地層賦參數(shù)，計(jì)算應(yīng)力場，該階段計(jì)算得到的應(yīng)力場，如圖4(a)所示；第2階段，首先對(duì)第1階段所得模型進(jìn)行位移、速度清零，激活橋墩模塊，并施加面力，該階段的自重應(yīng)力場如圖4(b)所示；第3階段，對(duì)第2階段所得模型進(jìn)行位移、速度清零，開挖基坑，該階段的自重應(yīng)力場為最終采用自重應(yīng)力場，如圖4(c)所示。

圖4 初始地應(yīng)力場的生成

3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論分析

3.1 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證三維仿真模型的有效性，首先針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的周圍土體地層擾動(dòng)進(jìn)行分析。如圖5所示為盾構(gòu)掘進(jìn)74 m后的地層豎向位移云圖，由圖5可以看出隧道上方土體的最大沉降約為18 mm，隧道下方最大隆起約為12 mm。隧道上方云圖顏色較淺，呈現(xiàn)出土體向隧道洞身沉降的趨勢，隧道下方顏色較深，呈現(xiàn)出土體向隧道洞身隆起的趨勢。可以看出，隨著盾構(gòu)機(jī)向前開挖施工，隧道周圍的土體趨向于擠入隧道內(nèi)，云圖范圍擴(kuò)大發(fā)展。

圖5 地層豎向位移云圖

如圖6所示，給出盾構(gòu)開挖模擬結(jié)束后隧道軸線上方地表位移曲線與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析，由圖可以看出，在盾構(gòu)始發(fā)初期的加固區(qū)內(nèi)，地表位移相對(duì)較小，由于地層加固的影響，地層擾動(dòng)得到了有效控制，后期地表沉降主要由盾構(gòu)脫環(huán)后盾尾空隙和盾尾注漿導(dǎo)致的。數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測得到的2條曲線的沉降趨勢大致相同，但2條曲線的左半部分差異較大，這是因?yàn)槎軜?gòu)掘進(jìn)剛離開加固區(qū)，靠近加固區(qū)的土體仍然受到加固區(qū)的影響，所以沉降很??；同時(shí)，為避免事故的發(fā)生，現(xiàn)場施工仍處于高度謹(jǐn)慎的狀態(tài)，因此前30 m內(nèi)的地表沉降相對(duì)較小。由圖5～6的地層擾動(dòng)計(jì)算結(jié)果分析可以看出，本文所采用的三維數(shù)值計(jì)算模型是合理有效的，可以基于該模型進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)引起的鄰近橋梁結(jié)構(gòu)擾動(dòng)影響分析。

圖6 隧道軸線上方地表沉降對(duì)比分析

3.2 近接橋梁結(jié)構(gòu)施工擾動(dòng)分析

如圖7所示，為盾尾通過3號(hào)橋梁結(jié)構(gòu)后的地表位移云圖，由圖7可以看出，隧道頂部正上方的沉降最大，左右兩側(cè)亦有沉降區(qū)域產(chǎn)生。北京地鐵13號(hào)線既有橋梁橋墩也在影響區(qū)范圍內(nèi)，靠近隧道側(cè)所受影響較為嚴(yán)重，距離隧道越遠(yuǎn)影響越小。同時(shí)，可以看出由于地鐵13號(hào)線樁基的影響，隧道兩側(cè)區(qū)域的變形特性有著明顯的不同。

圖7 盾尾通過3號(hào)橋梁結(jié)構(gòu)后的地表位移云圖

為了對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的鄰近橋梁結(jié)構(gòu)變形影響進(jìn)行分析，本文定義在盾構(gòu)施工過程中，樁基和橋墩會(huì)在z方向(豎直方向)產(chǎn)生位移向下為正，在x方向(水平橫向)發(fā)生向隧道擠壓的側(cè)移為正，y方向(盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向)發(fā)生與掘進(jìn)方向一致的側(cè)移為正。

如圖8所示，給出了橋梁2側(cè)樁基頂部中心節(jié)點(diǎn)位移隨盾構(gòu)掘進(jìn)的變化曲線。同時(shí)為了研究盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響，選取橋墩頂部中心節(jié)點(diǎn)，同樣做出橋墩頂點(diǎn)沉降隨盾構(gòu)掘進(jìn)的變化曲線，如圖9所示。

圖8 盾構(gòu)掘進(jìn)過程引起的3號(hào)橋梁樁基變形

圖9 盾構(gòu)掘進(jìn)過程引起的3號(hào)橋墩變形

如圖8所示可以看出，當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)監(jiān)測斷面前，產(chǎn)生的樁基位移均較小，當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)監(jiān)測斷面后，樁基位移開始大幅增加，x方向變形有趨于穩(wěn)定的趨勢，y方向變形先正向增大后減小并產(chǎn)生負(fù)的位移，而z方向變形遠(yuǎn)隧道側(cè)的樁基有趨于穩(wěn)定的趨勢，近隧道側(cè)樁基并沒有體現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢。

對(duì)于樁基x方向橫向位移，管片上下2部分在外荷載作用下向內(nèi)變形，左右兩側(cè)向外變形。 同時(shí)，由于盾尾注漿壓力的效果，隧道兩側(cè)的土體會(huì)遠(yuǎn)離隧道，導(dǎo)致樁基底部發(fā)發(fā)生橫向位移；另一方面，盾構(gòu)掘進(jìn)造成的地層損失會(huì)導(dǎo)致隧道上方土體向下發(fā)生擠壓位移。土體的移動(dòng)會(huì)帶動(dòng)樁基上半部分發(fā)生與下半部分方向相反的移動(dòng)趨勢。

樁基在盾構(gòu)機(jī)推力的影響下會(huì)產(chǎn)生y方向(掘進(jìn)方向)的水平位移。從圖10可以看出，樁基在y方向的水平位移小于在x方向的水平位移。隨著盾構(gòu)機(jī)靠近監(jiān)測斷面，盾構(gòu)機(jī)推力對(duì)樁基的影響越來越大，導(dǎo)致樁基在y方向的側(cè)斜越來越大，形成先增大后減小的位移變化趨勢，且位移發(fā)生了反向變化，這是由于后期盾尾脫環(huán)后管片拼裝和注漿壓力造成的。

圖10 3號(hào)樁基沿埋深的最終變形

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)以及地層豎向擾動(dòng)的影響下，樁基將在z方向(豎直方向)產(chǎn)生較大的位移。由于樁基與地層之間形成了1個(gè)整體，地層的擾動(dòng)必將帶動(dòng)樁基產(chǎn)生位移。隨著樁基埋深的增加，豎向位移變小，地表處位移變形最大，這與土體的擾動(dòng)規(guī)律基本是一致的。

總體來看，近隧道側(cè)的樁基和橋墩的變形普遍大于遠(yuǎn)隧道側(cè)，這說明近隧道側(cè)受到盾構(gòu)掘進(jìn)的影響明顯要大得多，應(yīng)針對(duì)近隧道側(cè)樁基和橋墩添加防護(hù)措施，確保地鐵13號(hào)線的正常安全運(yùn)行。

4 盾構(gòu)側(cè)穿橋梁施工三位一體防護(hù)

地層變形是隧道施工引起鄰近建(構(gòu))筑物擾動(dòng)傳遞的媒介。為了減小盾構(gòu)開挖掘進(jìn)對(duì)鄰近既有橋梁樁基礎(chǔ)的影響，可采用“加固”、“屏障”及“智能監(jiān)控”3種方式相結(jié)合的三位一體防護(hù)方法控制施工擾動(dòng)的傳遞，進(jìn)而對(duì)近接橋梁結(jié)構(gòu)施工起到有效的保護(hù)作用。

4.1 地層加固

地層加固是通過壓力注漿排出土顆粒之間的水和空氣，并用水泥漿充填孔隙，待水泥漿固化一段時(shí)間后，水泥漿液將松散的土顆?；蛄芽p膠結(jié)成1個(gè)整體。注漿具有固化泥沙與土體、充填膠結(jié)和劈裂加固的作用。采用注漿加固盾構(gòu)隧道與既有橋梁樁基礎(chǔ)之間的地層，改變巖土體物理力學(xué)參數(shù)，封堵地下水，改變樁土接觸面性質(zhì)，控制地層松動(dòng)范圍，減小地層變形，從而減少盾構(gòu)隧道下(側(cè))穿施工對(duì)既有橋梁樁基的影響[8]。注漿加固是常用的隧道工程防護(hù)技術(shù)之一，對(duì)減小地層擾動(dòng)及控制擾動(dòng)傳播十分有效，地層加固示意如圖11所示。

圖11 地層注漿加固示意

4.2 地層擾動(dòng)阻隔方案

地層擾動(dòng)阻隔方案是在隧道與既有橋梁樁基之間設(shè)置非直接受荷的隔離樁或隔墻，如圖12所示，利用阻隔結(jié)構(gòu)與地層的相互作用阻斷或減弱地層擾動(dòng)的傳遞，使地層附加應(yīng)力通過阻隔結(jié)構(gòu)傳遞到下部持力層，從而控制樁周土體的變形，達(dá)到保護(hù)相鄰既有橋梁的目的[8]。阻隔結(jié)構(gòu)可以將盾構(gòu)施工引起的大部分地面變形限制在隔離樁和墻內(nèi)。此時(shí)，既有橋梁樁基的附加變形主要是由于阻隔結(jié)構(gòu)本身的變化以及其外側(cè)土體的松動(dòng)下沉引起的。

圖12 地層變形阻隔示意

4.3 信息化智能監(jiān)控

為了保障清華園隧道安全穿越高風(fēng)險(xiǎn)敏感區(qū)，建立高鐵大直徑盾構(gòu)隧道數(shù)字化、可視化、智能化監(jiān)控預(yù)測平臺(tái)，如圖13所示。采用可視化透明施工技術(shù)，提前模擬施工工況，不斷對(duì)比盾構(gòu)機(jī)實(shí)際施工數(shù)據(jù)并預(yù)測變形值，進(jìn)行數(shù)值反算修正，優(yōu)化施工參數(shù)推薦值，進(jìn)而提高對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源變形的控制效果。該系統(tǒng)被成功應(yīng)用于清華園盾構(gòu)隧道施工掘進(jìn)對(duì)鄰近地鐵13號(hào)線橋梁結(jié)構(gòu)的影響的監(jiān)控量測中，起到至關(guān)重要的作用。

圖13 清華園隧道信息化智能監(jiān)控系統(tǒng)

5 結(jié)論

1)以清華園隧道盾構(gòu)始發(fā)側(cè)穿既有地鐵13號(hào)線橋梁結(jié)構(gòu)為工程背景，基于FEM法建立三維精細(xì)化數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對(duì)比分析盾構(gòu)始發(fā)引起的地表沉降，驗(yàn)證所采用的數(shù)值模型的有效性和合理性，可以基于此開展后續(xù)側(cè)穿橋梁樁基的研究。

2)在盾構(gòu)始發(fā)施工過程中，當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)監(jiān)測斷面前，盾構(gòu)掘進(jìn)導(dǎo)致的鄰近樁基位移較??；當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)監(jiān)測斷面后，樁基位移開始大幅增加，水平橫向變形有趨于穩(wěn)定的趨勢，水平縱向變形先正向增大后減小，遠(yuǎn)隧道側(cè)的樁基豎向位移有趨于穩(wěn)定的趨勢，而近隧道側(cè)的樁基豎向位移并沒有表現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢。在始發(fā)段，當(dāng)盾構(gòu)離開監(jiān)測斷面3D(D為開挖直徑)之后，橋梁樁基的變形趨于穩(wěn)定。

3)盾構(gòu)在始發(fā)段掘進(jìn)引起的橋梁結(jié)構(gòu)水平橫向位移要遠(yuǎn)大于水平縱向位移，近隧道側(cè)的樁基和橋墩的變形均大于遠(yuǎn)隧道側(cè)，這說明近隧道側(cè)受到盾構(gòu)掘進(jìn)的影響明顯要大得多，應(yīng)針對(duì)近隧道側(cè)樁基和橋墩添加防護(hù)措施。橋墩的變形被橋梁樁基變形影響較大，可在樁基和橋墩之間重點(diǎn)進(jìn)行變形防護(hù)。

4)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果提出盾構(gòu)始發(fā)段地鐵橋梁結(jié)構(gòu)防護(hù)保障措施，綜合運(yùn)用地層加固、阻隔防護(hù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測等技術(shù)，形成源頭控制、路徑阻隔、對(duì)象加固、預(yù)警修正四位一體的大直徑盾構(gòu)側(cè)穿橋梁結(jié)構(gòu)施工安全控制技術(shù)，最終將盾構(gòu)始發(fā)引起橋梁結(jié)構(gòu)的位移控制在規(guī)范規(guī)定值范圍內(nèi)，可為類似工程提供參考。