復雜立交體系下盾構掘進施工對立交沉降的影響分析

黃顯文

（甘肅鐵科建設工程咨詢有限公司，蘭州 730030）

1 引言

盾構施工可以被簡單地理解為利用圓柱狀鋼組件沿軸向持續推進，在推進的同時完成掘土、襯砌和灌漿等工作。其中，組件外殼又被稱作護盾，可起到支撐隧洞段的作用，為尚未完成襯砌等工序的區域安全提供保證。現階段，該項技術被頻繁用于城市軌道交通區間施工，對需要穿過立交體系的工程而言，引入該項技術既能夠保證施工質量，又可以提升施工速度，其現實意義有目共睹。

2 盾構掘進介紹

盾構施工流程如下：（1）沿隧道一側挖設基坑或是豎井，為安裝盾構提供便利；（2）盾構以基坑、豎井壁所開設孔洞為出發點，沿軸線向另一側孔洞持續推進，推進期間所產生的阻力通常會通過千斤頂到達襯砌結構。作為盾構掘進期間不可或缺的工具，盾構外觀多為矩形或圓形，前端裝有開挖裝置，內置千斤頂，另外，盾尾還留有一定空間，可為拼裝襯砌環提供便利。

3 建立模擬模型

3.1 項目概況

某地政府計劃對軌道交通7號線進行建設，7號線需要穿過位于市區的立交橋。線路總長為26 km，全線共包括24站，其中6站為換乘站。立交橋占地面積約9 hm2，橋梁總面積約3萬m2，共有6個交叉道，可被拆分成15條匝道和2段高架橋，其中，道路全長約為8 900 m，橋長約3 500 m。

3.2 建立模型

3.2.1 模型參數

本項目所建立施工模型的接觸面參數見表1。

表1 接觸面參數

由于該模型相對復雜，為保證計算所得結果具有實際意義，有關人員分別對橋樁、隧道單元進行了加密，將與隧道中軸線平行的方向設為X軸，與隧道中軸垂直的方向設為Y軸，豎直方向設為Z軸，從而獲得長度為100 m、寬度為80 m、高度為50 m的模型[1]。

3.2.2 模擬數值

確定數值模型后，將注漿壓力設定為0.3 MPa，彈性模量設定為40 MPa，同時將開挖步長設定為2.5 m，將各項參數代入模型，對盾構施工情況進行模擬。對軟件生成的位移云圖進行分析能夠發現，豎向沉降的最大點位于隧道中心，盾構施工對地表沉降產生影響范圍和覆土深度大致相同[2]。模擬值與監測所得數據間存在一定區別，但各項參數間的差異極小，這表示利用上述模型對施工進行模擬具有可行性。

4 數據監測與分析

4.1 布設監測點

在確定橫向間距和縱向間距后，便可著手對監測點進行布設。一般情況下，相鄰橫斷面的間距以20 m為最佳，如果附近存在建筑物或交叉路口，則可將間距變更為10 m。在本項目中，各斷面均要布設10個監測點。縱向監測點的間距則應控制在5 m左右。具體做法如下：先借助鉆孔機鉆出直徑約為100 mm的孔洞，同時保證鉆孔深達水穩層，再沿孔洞中心點打入鋼筋，待上述工作告一段落，用砂土將孔洞填實[3]。為避免監測點受到破壞，有關人員指出應確保監測點頂端略低于路面，二者高度差以10 cm為最佳。

4.2 分析監測數據

4.2.1 豎向位移

1）沉降差異

考慮到隧道與橋樁基礎間的直線距離往往存在一定差異，下穿立交橋期間橋面有較大概率出現明顯的水平變化以及豎向變化，若沉降差異值超出允許范圍，立交橋安全性便會受到影響。對沉降差異進行分析，可得出以下結論：盾構掘進造成的沉降差較小，通常在-1.5~-1.1 mm，符合規范要求。施工前期的沉降差異為正，與盾構所施加擠壓力密切相關，其中，盾構對北側樁基礎所產生的影響明顯大于南側，使得北側橋墩位移及隆起程度更加明顯。盾構通過后，沉降差異逐漸轉變成負值，這是因為隨著管片的脫出，盾尾附近將出現一定的空隙，由此可見，盾構對北側樁基礎產生影響更加明顯[4]。

2）開挖順序的影響

本項目所采取施工方法為先掘進右側隧道再掘進左側隧道，換言之，盾構隧道需要通過樁基礎兩次，樁基礎、地表均會受到二次擾動。

4.2.2 橫向沉降

本文所討論立交橋段的全長為3 500 m，要求沿中軸線布設多個橫斷面，各橫斷面間距為20 m，同時在相鄰橫斷面間增設沉降點。待上述工作告一段落，按照自西向東的方向對右線進行開挖，右線開挖長度達到150 m后，再對左線進行開挖。開挖右線期間，密切關注地表沉降情況并繪制相應沉降圖，如圖1所示。

圖1 沉降曲線

結合沉降曲線能夠得出以下結論：

1）橫斷面對應沉降槽與正態分布曲線具有極高的相似度，最大沉降點位于中軸線附近。

2）盾構掘進所造成地表沉降，通常可被劃分成到達前、到達時、通過時、通過后等階段，其中，到達前沉降占比約為10%，到達時沉降占比約為15%，通過時沉降占比約為15%，通過后沉降占比可達35%，工程投入使用后，還會出現一定程度的沉降，其占比約為20%。

3）盾構施工對地表沉降產生的影響往往會隨著距離的延長而有所減弱。

本項目將隧道斷面標準內徑定為5 m，要求中線平均間距約20 m。有關人員對監測所得數據進行整理后，便可結合施工進程和所掌握信息，通過式（1）對開挖與地表沉降量的關系進行確定：

左線沉降量=沉降總量-右線沉降量 （1）

結果表明，掘進盾構右線期間，沉降曲線具有明顯的正態特征，其深度及寬度相對較小，掘進左線后，沉降曲線出現了不對稱的情況，先行隧道附近沉降明顯大于其他區域。該情況出現的原因主要是對先行隧道進行施工時，掘進作業對土體產生了較為明顯的擾動，使得應力狀態出現明顯變化。此外，沉降曲線表現出了明顯的雙峰特性，沉降槽的寬度會隨著開挖進度的推進而變大，后行隧道沉降量往往會大于先行隧道。

4.2.3 縱向沉降

通過分析可知，盾構到達監測點附近區域且二者間距離達到0~10 m時，沉降曲線快速下降。該情況出現的原因主要是這一階段盾構機處于脫出狀態，對應沉降量能夠達到沉降總量的45%。由此可見，要使地表沉降處于可控狀態，關鍵是要密切關注脫出階段沉降情況，通過調整掘進參數的方式使沉降量始終維持在較低水平。盾構與監測斷面間距離達到25 m后，沉降曲線將趨于平緩，這表示該階段地表沉降速度較慢，沉降量占比也大幅下降。脫出盾尾期間，同樣會使地面出現明顯沉降，且存在沉降速度快的特點，若不對其加以控制，將使結構物向推進方向持續傾斜，進而造成結構物變形或彎曲。

5 結論

本文圍繞盾構施工與沉降的關系展開了討論，現將所得出結論歸納如下：

1）由盾構掘進所造成地表沉降，通常可被劃分成5個階段，且盾構施工所產生影響與掘進距離間的關系為負相關。

2）豎向位移、地表沉降所遵循變化規律大致相同。

3）盾尾注漿期間，注漿壓力、彈性模量均會在不同程度上影響工程沉降，要避免沉降量超出允許范圍，關鍵是要保證漿液具備理想的流動性、填充性以及保水性。

4）在不更改隧道中心距、直徑以及埋深的情況下，先后開挖的沉降量明顯大于同時開挖，且后開挖區域所受到影響更加明顯。