盾構(gòu)隧道下穿護(hù)城河橋沉降控制研究

孟令志

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京）

引言

隨著國家工業(yè)化和信息化的快速發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)機(jī)械化、智能化的程度越來越高。城市軌道交通建設(shè)具有水文地質(zhì)條件復(fù)雜、周邊環(huán)境風(fēng)險多樣、社會關(guān)注度高等特點(diǎn)，盾構(gòu)區(qū)間具有機(jī)械化程度高、可用于復(fù)雜的水文地質(zhì)條件、對周邊建構(gòu)筑物影響小、安全性高等優(yōu)勢。因此，越來越多的城市將盾構(gòu)區(qū)間施工在整條線路城市軌道交通建設(shè)的占比作為衡量施工風(fēng)險高低的依據(jù)。盾構(gòu)近距離下穿城市河流及過河橋梁，在不良水文地質(zhì)條件與環(huán)境高級風(fēng)險疊加影響下，確保隧道施工及橋梁安全，是城市軌道交通建設(shè)中風(fēng)險管控的重點(diǎn)與難點(diǎn)。國內(nèi)的專家學(xué)者對此類工程做過相關(guān)研究，一方面體現(xiàn)在借助數(shù)值計算的方法研究了盾構(gòu)下穿過程中既有橋梁的變形規(guī)律[1-7]；另一方面體現(xiàn)在通過案例分析對盾構(gòu)下穿的沉降控制技術(shù)[8-10]進(jìn)行了探究。但總體而言，多數(shù)研究成果一般是單一環(huán)境風(fēng)險沉降規(guī)律或者沉降技術(shù)的研究[11-12]，對環(huán)境風(fēng)險疊加水文地質(zhì)風(fēng)險的研究尚比較少見。本文以新建工程為背景，通過施工前預(yù)測分析、施工前不良地質(zhì)處理、施工中管理控制、施工后實測驗證的方式對盾構(gòu)下穿護(hù)城河橋進(jìn)行沉降控制研究，研究成果可為類似穿越工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 區(qū)間工程概況

新建盾構(gòu)區(qū)間全長約790 m，區(qū)間線路中心線間距13～14 m，采用“V”字坡，拱頂埋深12.9 m～25.3 m。區(qū)間采用兩臺盾構(gòu)機(jī)施工，由小里程端車站始發(fā)，大里程端車站接收。

盾構(gòu)區(qū)間于中部里程位置下穿護(hù)城河及護(hù)城河橋，拱頂覆土埋深約12 m，洞身主要位于砂土狀碎裂巖和塊狀碎裂中，飽水的砂層距區(qū)間拱頂約1～3 m，該段隧道圍巖等級為Ⅵ級。該段地質(zhì)整體位于靈山衛(wèi)斷裂影響帶內(nèi)，構(gòu)造碎裂巖發(fā)育，巖體呈砂土狀- 碎塊狀，軟硬不均，節(jié)理密集發(fā)育，巖體破碎，完整性差，地下水水量豐富，圍巖穩(wěn)定性差。該段洞身范圍內(nèi)巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度約為20 MPa，鐵路規(guī)范經(jīng)驗式最大涌水量為25 m3/d·m。

1.2 既有橋梁概況

護(hù)城河橋位于護(hù)城河之上，護(hù)城河為城市地表水，護(hù)城河與區(qū)間線路相交處寬約9 m，河底埋深約5 m。護(hù)城河河床裸露，河底未采取硬化及防滲處理。該河渠為上游水庫的泄洪通道，渠內(nèi)水量受季節(jié)影響明顯，主要靠大氣降水補(bǔ)給，平時水量較少，大部分時間呈斷流狀態(tài)，雨季期間河道內(nèi)水深約0.5 m。區(qū)間正穿該河渠。護(hù)城河橋建設(shè)年代不詳，為城市主干道重要交通要道。護(hù)城河橋長約13 m，寬約31 m，橋面板分左右兩幅，兩幅橋面板尺寸均為：15.3 m×13 m。橋面板厚0.2 m。橋兩端為擴(kuò)大基礎(chǔ)，兩端承臺支撐鉸接，基礎(chǔ)埋深約5.5 m，河底部分基礎(chǔ)埋深約2.7 m。區(qū)間與護(hù)城河橋平面位置關(guān)系如圖1 所示，區(qū)間與護(hù)城河橋剖面位置關(guān)系如圖2所示。根據(jù)區(qū)間與護(hù)城河橋的位置關(guān)系及重要程度，區(qū)間下穿護(hù)城河橋及護(hù)城河橋為環(huán)境Ⅰ級風(fēng)險工程。

圖1 區(qū)間與護(hù)城河橋平面位置

圖2 隧道與護(hù)城河橋位置關(guān)系

護(hù)城河橋環(huán)境風(fēng)險等級為Ⅰ級，重要性等級為II級。盾構(gòu)穿越護(hù)城河橋風(fēng)險較高，對護(hù)城河橋進(jìn)行檢測鑒定并給出安全控制保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。橋梁墩臺允許沉降控制值≤25mm，縱向相鄰橋梁墩臺間差異沉降控制值為2 mm，橫向相鄰橋梁墩臺間差異沉降控制值為3 mm，承臺水平位移控制值為3 mm。

1.3 工程難點(diǎn)

2 變形預(yù)測分析

因本工程風(fēng)險等級高，自身及環(huán)境復(fù)雜，為保證橋梁運(yùn)營安全，采用數(shù)值計算的方法模擬隧道下穿過程，預(yù)測橋梁變形規(guī)律，必要時可采取控制措施保證順利下穿。

2.1 模型建立

采用Midas GTS 建立三維地層- 結(jié)構(gòu)施工階段模型，模型中橋梁與隧道均為實際尺寸，兩側(cè)取4 倍隧道寬度，底部取4 倍隧道高度，縱向為實際開挖長度。法向約束側(cè)面和底面位移，頂面不設(shè)約束。隧道下穿護(hù)城河橋整體結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示，圖4 為隧道與護(hù)城河橋模型。

圖3 隧道下穿護(hù)城河橋整體結(jié)構(gòu)模型

圖4 隧道與護(hù)城河橋模型

模型的計算假定和本構(gòu)關(guān)系如下：（1） 土體采用實體彈塑性摩爾- 庫侖模型，橋臺及基礎(chǔ)采用實體線彈性模型，橋面采用板單元線彈性模型。盾構(gòu)管片采用板單元線彈性模型，管片外徑6 000 mm，內(nèi)徑5 400 mm，管片厚度300 mm。材料計算參數(shù)見表1。（2） 盾構(gòu)機(jī)采用直徑6 280 mm的刀盤進(jìn)行施工。盾構(gòu)隧道施工主要考慮盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)推力及掌子面扭矩。盾構(gòu)掘進(jìn)推力通過激活或鈍化均布荷載進(jìn)行模擬；掌子面扭矩通過激活或鈍化掌子面周邊扭矩進(jìn)行模擬。根據(jù)計算，掘進(jìn)時盾構(gòu)機(jī)扭矩取4 000 kN·m，掘進(jìn)時盾構(gòu)機(jī)單位推力取1 250 kN /m2。（3） 重點(diǎn)研究的下穿區(qū)域及其上部護(hù)城河橋結(jié)構(gòu)加密網(wǎng)格劃分，通過添加水位面模擬護(hù)城河對穿越的影響。

表1 材料計算參數(shù)

2.2 計算結(jié)果分析

下穿護(hù)城河橋施工步序，首先進(jìn)行盾構(gòu)左線穿越，后進(jìn)行盾構(gòu)右線穿越。以此研究盾構(gòu)穿越對橋梁的影響。

根據(jù)計算結(jié)果，盾構(gòu)穿越護(hù)城河橋后，護(hù)城河橋豎井沉降如圖5 所示，地層豎向沉降云圖如圖6 所示。

圖5 護(hù)城河橋豎向沉降云圖（mm）

圖6 地層豎向沉降云圖（mm）

通過計算，盾構(gòu)穿越護(hù)城河橋，地面最大累計沉降值為-18.6 mm；護(hù)城河橋梁墩臺最大沉降值為-15.8 mm，橫向相鄰橋梁墩臺間差異沉降值為8.3 mm。護(hù)城河橋差異沉降不能滿足控制保護(hù)要求，因此盾構(gòu)通過前需對護(hù)城河橋采用安全措施，確保盾構(gòu)順利穿越。

3 沉降控制方案

經(jīng)研究，護(hù)城河橋為城市主干道重要交通要道，盾構(gòu)穿越時地面交通需正常通行，且橋臺基礎(chǔ)位于含黏性土礫砂層，盾構(gòu)通過時地層沉降將引起橋臺基礎(chǔ)不穩(wěn)，因此考慮對橋臺基礎(chǔ)周邊及下穿土體進(jìn)行注漿加固，使之滿足盾構(gòu)安全掘進(jìn)要求及道路、管線的正常運(yùn)營。

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3.1 注漿加固方案

盾構(gòu)通過前，提前對護(hù)城河（橋）下地層進(jìn)行注漿加固。

3.1.1 加固難點(diǎn)（1） 護(hù)城河橋為城市主干道，施工期間不可中斷交通。（2） 橋下土層主要為砂層，受交通車輛振動影響，鉆孔易塌孔。（3） 護(hù)城河橋，建設(shè)年代不詳，建成后一直為城市主干道提供服務(wù)，注漿時不得損壞橋梁結(jié)構(gòu)。

3.1.2 加固設(shè)計 經(jīng)研究，為避免河流影響注漿效果，加固選擇在枯水期進(jìn)行，由道路兩側(cè)及橋下成一定角度同步對砂層進(jìn)行注漿加固。地面分段封閉，盡可能降低對地面交通影響。設(shè)計采用袖閥管前進(jìn)式注漿工藝，注漿管采用?48mmPVC 管，布孔間距1.5 m×1.5 m梅花形布置；加固范圍為橋基以下至強(qiáng)風(fēng)化巖面約7.2 m，沿隧道縱向基礎(chǔ)外2.5 m。注漿加固剖面如圖7 所示。

圖7 注漿加固剖面（mm）

注漿參數(shù)：（1） 漿液材料：最外排注漿孔采用水泥- 水玻璃雙液漿，內(nèi)側(cè)采用水泥漿。（2） 注漿壓力：0.2～0.5 Mpa。（3） 注漿順序：先隧道周邊后中間。（4） 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：單孔注漿壓力逐漸升高至設(shè)計終壓并繼續(xù)注漿10 min 以上，且注漿量不小于設(shè)計注漿量的80%，進(jìn)漿速度為初始進(jìn)漿速度的1/4，可結(jié)束本孔注漿。（5） 注漿效果檢查：注漿完成后，應(yīng)采用鉆孔取芯法對注漿效果進(jìn)行檢查，取芯結(jié)果注漿后土體滲透系數(shù)應(yīng)小于10-6cm/s，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1 MPa。并進(jìn)行（抽）壓水試驗，檢查孔涌水量小于1.0 L/min。

3.1.3 加固體檢測 采用芯樣切割機(jī)、壓力試驗機(jī)對加固體試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測，經(jīng)檢測試樣強(qiáng)度1.5 Mpa，滿足要求。

采用壓水試驗對注漿體的滲透系數(shù)進(jìn)行檢測，滲透系數(shù)k=5.2×10-7cm/s，滿足要求。

3.2 掘進(jìn)控制技術(shù)

盾構(gòu)下穿護(hù)城河橋施工分為穿越前試掘進(jìn)、穿越中風(fēng)險管控以及穿越后的風(fēng)險補(bǔ)償，將下穿風(fēng)險降為最低。

3.2.1 穿越前試掘進(jìn)（1） 選擇護(hù)城河橋前100 m 類似地層作為試掘進(jìn)穿越段，摸索盾構(gòu)機(jī)控制參數(shù)。（2）盾構(gòu)掘進(jìn)主控項目主要包括土倉壓力、推進(jìn)速度、總推力及扭矩、出土量、刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩、注漿壓力和注漿量。根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)的工作原理，土倉壓力需要與開挖面的正面水土壓力平衡以維持開挖面土體的穩(wěn)定，減少對土層的擾動。土倉壓力通過調(diào)整掘進(jìn)速度與排土量進(jìn)行控制。試掘進(jìn)段可適當(dāng)提高土倉壓力（理論計算值的1.0～1.2 倍），并通過監(jiān)控量測校核反饋進(jìn)行調(diào)整，使土倉壓力達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。掘進(jìn)速度主要通過調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)力與刀盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。排土量主要通過調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。在掘進(jìn)過程中，應(yīng)根據(jù)所處的地質(zhì)條件、出渣情況以及掘進(jìn)的控制參數(shù)等動態(tài)調(diào)整優(yōu)化。（3） 出土量管理是控制地層損失率的最直接、最有效的手段。在試驗段的掘進(jìn)中，對出土量的體積和重量的驗證是檢驗出土量理論計算的最有效手段，出土量的實際情況必須通過實際情況進(jìn)行驗證，施工過程中通過收集的掘進(jìn)數(shù)據(jù)對出土量的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3.2.2 在掘進(jìn)至風(fēng)險點(diǎn)前20 m 時，進(jìn)行刀盤、注漿系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、推進(jìn)千斤頂及監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備的檢修，確保穿越過程中設(shè)備無故障、連續(xù)勻速通過。

3.2.3 通過護(hù)城河橋過程中適當(dāng)放慢掘進(jìn)速度，勻速穿越以盡量減少對圍巖的擾動。

3.2.4 加強(qiáng)盾構(gòu)防噴涌設(shè)計，并進(jìn)行針對性渣土改良。

3.3 模擬計算分析

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)施工步序，建立數(shù)值計算模型，分析左、右線分別下穿護(hù)城河橋，護(hù)城河橋變形及沉降情況。

根據(jù)計算結(jié)果，左線穿越護(hù)城河橋后，護(hù)城河橋豎向沉降如圖8 所示，右線穿越護(hù)城河橋后，護(hù)城河橋地層豎向沉降云圖如圖9 所示。地層豎向沉降云圖如圖10所示。

圖8 護(hù)城河橋豎向沉降云圖1（mm）

圖9 護(hù)城河橋豎向沉降云圖2（mm）

圖10 地層豎向沉降云圖（mm）

通過計算，左線盾構(gòu)穿越護(hù)城河橋，護(hù)城河橋梁墩臺最大沉降值為1.3 mm，右線盾構(gòu)穿越護(hù)城河橋，護(hù)城河橋梁墩臺最大沉降為2.3 mm，橫向相鄰橋梁墩臺間差異沉降值為1.9 mm，縱向相鄰橋梁墩臺差異沉降為1.1 mm。地面最大累計沉降值為10.8 mm；護(hù)城河橋沉降及差異沉降均滿足控制保護(hù)要求。對不良地質(zhì)注漿后，通過對施工管理控制，可確保盾構(gòu)順利穿越護(hù)城河橋。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

盾構(gòu)穿越護(hù)城河橋，首先下穿區(qū)間右線，然后下穿區(qū)間左線，區(qū)間左右線錯開約100 m。盾構(gòu)下穿前后對護(hù)城河橋墩臺布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測護(hù)城河橋沉降及差異沉降變化情況。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，確保護(hù)城河橋安全。護(hù)城河橋沉降監(jiān)測點(diǎn)布置平面如圖11所示。護(hù)城河橋沉降曲線如圖12 所示。護(hù)城河橋差異沉降曲線如圖13 所示。

圖11 護(hù)城河橋沉降監(jiān)測點(diǎn)布置平面

圖12 護(hù)城河橋沉降曲線

圖13 護(hù)城河橋差異沉降曲線

區(qū)間右線下穿過程中，護(hù)城河橋墩臺最大累計沉降為2.15 mm，最大沉降監(jiān)測點(diǎn)為JGC/JGY05；護(hù)城河橋橫向最大差異沉降監(jiān)測點(diǎn)為JGY06-JGY04，差異沉降為1.01 mm；護(hù)城河橋縱向最大差異沉降監(jiān)測點(diǎn)為JGY04-JGY03，差異沉降為0.86 mm；區(qū)間下穿完成后，通過管片壁后注漿，對護(hù)城河橋變形進(jìn)行補(bǔ)償，注漿完成后護(hù)城河橋最大隆起0.35 mm。

區(qū)間左線下穿過程中，護(hù)城河橋墩臺最大累計沉降為2.20 mm，最大沉降監(jiān)測點(diǎn)為JGC/JGY04；護(hù)城河橋橫向最大差異沉降監(jiān)測點(diǎn)為JGY06-JGY04，差異沉降為1.40 mm；護(hù)城河橋縱向最大差異沉降監(jiān)測點(diǎn)為JGY04-JGY03，差異沉降為0.68 mm。區(qū)間下穿完成后，護(hù)城河橋變形趨于穩(wěn)定，最終護(hù)城河橋沉降在控制范圍（≤25 mm）以內(nèi)，縱向差異沉降在控制范圍內(nèi)（≤2 mm），橫向差異沉降在控制范圍內(nèi)（≤3 mm）。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得知，盾構(gòu)土倉壓力及總推力等掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整會引起護(hù)城河橋沉降變化；管片壁后回填注漿對控制護(hù)城河橋沉降有顯著作用，通過同步注漿填充管片與地層間的空隙可控制地層變形進(jìn)而控制護(hù)城河橋沉降，通過二次注漿對護(hù)城河橋下地層變形主動控制，可對護(hù)城河橋已發(fā)生的變形進(jìn)行補(bǔ)償，更好地將變形控制的合理范圍內(nèi)。

通過與數(shù)值計算結(jié)果對比分析，施工監(jiān)測值略小于模擬計算值，原因是數(shù)值計算是簡化后較為理想的計算模型，難以模擬施工過程中盾構(gòu)機(jī)械動態(tài)調(diào)控和壁后注漿的調(diào)整作用，因此數(shù)值計算僅可以預(yù)測沉降趨勢并提供沉降參考值，難以實現(xiàn)準(zhǔn)確模擬。

5 結(jié)論

本文以新建工程為背景，研究了環(huán)境風(fēng)險疊加水文地質(zhì)風(fēng)險下的盾構(gòu)穿越橋梁的沉降控制技術(shù)，該技術(shù)適用于對下穿的建、構(gòu)筑物有較高沉降要求，且工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜的地層。通過前對橋梁基礎(chǔ)地面注漿加固，通過中動態(tài)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)及掘進(jìn)參數(shù)，通過后管片壁后注漿補(bǔ)償?shù)姆绞娇奢^好地控制橋梁沉降。本文對該技術(shù)通過數(shù)值計算對沉降規(guī)律進(jìn)行預(yù)測分析和現(xiàn)場監(jiān)控進(jìn)行驗證，得出如下結(jié)論：（1） 地面注漿加固作為施工前預(yù)處理技術(shù)，可提高土體剛度，最大程度降低盾構(gòu)穿越過程中對橋梁的影響。注漿過程前應(yīng)對鉆孔間距、注漿順序以及注漿壓力進(jìn)行合理設(shè)計，并進(jìn)行工藝性試驗確定最優(yōu)注漿參數(shù)，確保注漿過程中橋梁的結(jié)構(gòu)安全及運(yùn)營安全。（2） 施工前，根據(jù)橋梁的基礎(chǔ)形式、使用年限、重要程度等確定橋梁的控制保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，并對盾構(gòu)下穿橋梁進(jìn)行數(shù)值計算分析，研究橋梁的變形規(guī)律。對橋梁進(jìn)行預(yù)處理，降低施工風(fēng)險，并在施工過程中針對性控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，為盾構(gòu)安全下穿橋梁提供安全條件。（3） 穿越前，選擇類似地層進(jìn)行試掘進(jìn)，確定適合本地層的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，并在掘進(jìn)至風(fēng)險點(diǎn)前，進(jìn)行刀盤、注漿系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、推進(jìn)千斤頂及監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備的檢修，為盾構(gòu)順利下穿橋梁提供安全保障。（4） 盾構(gòu)穿越過程中，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，動態(tài)調(diào)整盾構(gòu)土倉壓力及總推力等掘進(jìn)參數(shù)，可通過地層變形影響控制橋梁沉降。盾構(gòu)通過后，及時進(jìn)行管片壁后回填注漿填充管片與地層空隙可控制護(hù)城河橋沉降，通過二次注漿對護(hù)城河橋下地層變形主動控制，可對護(hù)城河橋已發(fā)生的變形進(jìn)行補(bǔ)償，更好地將變形控制的合理范圍內(nèi)。（5）監(jiān)測結(jié)果表明，該橋梁沉降控制技術(shù)能較好控制既有橋梁沉降，該研究可為類似穿越工程提供借鑒。