彭　華　李　驥　梁　玉　馬文輝

(1. 北京交通大學土木建筑工程學院　北京　100044; 2. 鐵道部第二勘察設計院　成都　610000)

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大直徑盾構(gòu)下穿機場快軌高架橋風險控制研究

彭華1李驥1梁玉2馬文輝1

(1. 北京交通大學土木建筑工程學院北京100044; 2. 鐵道部第二勘察設計院成都610000)

為了研究地鐵大直徑盾構(gòu)穿越北京機場高架橋的風險控制技術(shù)，通過數(shù)值模擬軟件建立大直徑盾構(gòu)穿越機場高架橋有限元模型；對比分析不同的橋梁加固方案，得出最優(yōu)的加固措施，并通過數(shù)值模擬預測采取加固措施時既有高架橋結(jié)構(gòu)的變形值。結(jié)合以往的工程經(jīng)驗及該工程實際掘進反饋信息，總結(jié)出盾構(gòu)穿越中合理的掘進參數(shù)及控制技術(shù)。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理，分析既有結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，將穿越過程中既有高架橋結(jié)構(gòu)的變形分為4個時期，相關(guān)分析結(jié)果可為今后類似工程提供理論依據(jù)與實踐借鑒。

城市軌道交通；大直徑盾構(gòu)；穿越高架橋；風險控制

北京地鐵14號線大直徑盾構(gòu)下穿既有機場線高架橋工程在國內(nèi)尚屬首次，沒有成功經(jīng)驗可循，且既有機場線為直線電機軌道結(jié)構(gòu)，機場線路對橋梁結(jié)構(gòu)的沉降要求較高，因此，分析和研究風險控制技術(shù)，保證大直徑盾構(gòu)安全快速地穿過既有高架橋結(jié)構(gòu)，具有極其重要的理論及實踐工程價值[1-4]。

1　工程概況

1.1北京地鐵14號線概況

新建地鐵14號線高家園站—京順路站區(qū)間(簡稱高-京區(qū)間)由高家園站起，沿萬紅西街道路下方，途徑規(guī)劃高家園中街，在大山子建筑群附近拐入路側(cè)，側(cè)穿機場高速路樁基、機場快軌樁基后進入京順路站。新建隧道平面關(guān)系如圖1所示。

圖1　大直徑盾構(gòu)隧道與既有地鐵橋梁平面關(guān)系

地鐵14號線高—京區(qū)間為大盾構(gòu)區(qū)間，最小平面曲線半徑為540 m。該段區(qū)間隧道縱坡為人字坡，最大坡度為12‰，隧道埋深為12.97～15.74 m，穿越段隧道最小覆土約13 m。新建盾構(gòu)隧道外徑為10 m，內(nèi)徑為9 m，盾構(gòu)的管片厚度為0.5 m，寬度為1.8 m。新建隧道與既有高架橋結(jié)構(gòu)的相對位置如圖2所示。

圖2　大直徑盾構(gòu)隧道與既有地鐵橋梁剖面關(guān)系

1.2地質(zhì)概況

根據(jù)盾構(gòu)隧道埋深，機場線段隧道主要穿越④4層中粗砂、⑥ 粉質(zhì)黏土、⑥2粉土層及⑥3細中砂。

根據(jù)勘察資料，該地層內(nèi)共有3層地下水：潛水(埋深約為6.3～8.5 m)、承壓水1(埋深約為13.3～14.3 m)、承壓水2(埋深約為23.9～27.1 m)。

根據(jù)盾構(gòu)隧道埋深，地鐵14號線高—京區(qū)間穿越既有機場線段大直徑盾構(gòu)隧道所處地層的地下水主要是承壓水1層，頂部局部涉及潛水層。

既有機場線為直線電機牽引，該系統(tǒng)中感應板板面高度的維修保養(yǎng)標準為-2～+1 mm，誤差允許范圍很小。因此，對直線電機感應板的維修提出了非常高的精度要求。直線電機感應板軌道圖如圖3所示。

圖3　直線電機、感應板和鋼軌之間的關(guān)系

2　機場快軌高架橋有限元分析

2.1未采取加固措施的既有結(jié)構(gòu)變形

根據(jù)新建14號線高—京盾構(gòu)區(qū)間與既有機場快軌高架橋結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系，結(jié)合實際工程，充分考慮大直徑盾構(gòu)隧道施工的有效影響范圍，建立本工程的計算模型，并通過掌握實際施工工況，對新建盾構(gòu)穿越機場快軌高架橋進行模擬，得到既有橋梁結(jié)構(gòu)的變形值。模型范圍如圖4所示。

圖4　盾構(gòu)穿越高架橋模擬過程

通過計算分析得出，盾構(gòu)隧道穿越完成后，既有機場快軌高架橋橋樁結(jié)構(gòu)的豎向沉降為5.247 mm，發(fā)生在76號橋樁。軌道的最大豎向變形為5.173 mm，沉降集中區(qū)域發(fā)生在76號橋墩兩側(cè)±30 m范圍內(nèi)的鋼軌。由于橋樁與軌道結(jié)構(gòu)的沉降都超過了感應板維修保養(yǎng)準則2 mm的范圍，因此，如果不對既有橋樁結(jié)構(gòu)采取一定的保護措施，則無法保障既有橋梁結(jié)構(gòu)與機場快軌的安全運營。

2.2既有橋樁結(jié)構(gòu)加固方案的確定

由于大直徑盾構(gòu)在北京應用較少，施工單位需通過試驗段不斷調(diào)整、優(yōu)化施工參數(shù)，獲取不同埋深、土層時的最佳施工參數(shù)。另外，近端樁基距隧道僅3.32 m，其開挖勢必對既有地鐵橋梁產(chǎn)生較大影響。因此,為了減小施工對既有機場線高架橋橋樁和軌道的影響，考慮了2種加固方案：鉆孔灌注樁、復合錨桿樁。

2.2.1方案1：鉆孔灌注樁

在盾構(gòu)兩側(cè)各打設一排鉆孔灌注樁，樁徑Φ800，間距1 400 mm，呈梅花型布置。樁身混凝土標號為C30，保護層厚度為20 mm。樁長為29 m，具體布置見圖5。

圖5　鉆孔灌注樁與鄰近橋墩承臺平面位置關(guān)系

2.2.2方案2：復合錨桿樁

盾構(gòu)兩側(cè)各打4排復合錨桿樁，沿隧道方向U型布置，并對周圍土體注漿進行加固，復合錨桿樁樁徑為150 mm，樁長25.9 m，孔內(nèi)安裝3根Φ20螺紋鋼，同時安裝3根注漿管，實施壓密注漿，注漿分3次。盾構(gòu)隧道兩側(cè)的4排錨桿樁樁頂設置1 350 mm×600 mm冠梁，冠梁間設置4道800 mm×600 mm混凝土支撐，支撐主筋錨入冠梁。錨桿樁平面布置與剖面位置關(guān)系見圖6、7所示。

圖6　復合錨桿樁與鄰近橋墩承臺平面位置關(guān)系

圖7　復合錨桿樁方案剖面關(guān)系

從施工的難易程度及施工過程中對橋樁的影響等方面綜合考慮分析，最終選擇復合錨桿樁方案。通過對模型考慮復合錨桿加固方案，計算得出橋梁下部結(jié)構(gòu)最大沉降變形為1.628 mm，鋼軌的最大豎向變形為1.510 mm，結(jié)構(gòu)的變形都控制在2 mm以內(nèi)，能夠滿足機場快軌正常運行的要求。

3　盾構(gòu)控制技術(shù)

該大直徑盾構(gòu)在穿越機場快軌高架橋施工過程中，新建隧道距離既有機場線橋樁基礎很近，穿越施工中勢必會對既有橋樁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，而既有機場橋梁結(jié)構(gòu)的變形要求極其嚴格，因此，盾構(gòu)施工迫切需要采取切實有效的措施來保證穿越過程的安全及使既有橋梁結(jié)構(gòu)的變形滿足控制值的要求。

在穿越過程中,盾構(gòu)施工技術(shù)的控制主要體現(xiàn)在兩方面：一是確定合適的盾構(gòu)掘進參數(shù)；二是對地層損失的控制，及時進行盾尾孔隙注漿填充及二次補漿來控制地層沉降[5]。

3.1盾構(gòu)參數(shù)的控制

3.1.1控制土壓力

根據(jù)穿越地點盾構(gòu)隧道覆土深度和地質(zhì)情況，并參考相同地質(zhì)條件下大盾構(gòu)掘進施工總結(jié)分析數(shù)據(jù)(見圖8)，確定土壓為0.14～0.15 MPa，施工過程中需嚴格、精確地控制土壓，保持掘進面的土壓穩(wěn)定，避免土壓的過大波動[6]，防止土壓過高或過低造成地層的隆起和沉降，對樁基產(chǎn)生影響。

圖8　開挖過程中每環(huán)土壓平均值

3.1.2土體改良技術(shù)

土倉內(nèi)土體良好的流塑性能夠提高螺旋運輸機的排土能力，可較好地保障土倉壓力的平衡和掌子面的穩(wěn)定。坍落度可以用來表示土體的流塑性，在大直徑盾構(gòu)穿越機場高架橋梁工程中，穿越段土層主要為粉質(zhì)黏土體及細中砂，該類土的含水率比較高，坍落度較大，不能滿足施工需要，因此需要對盾構(gòu)前方的土體進行改良。

土體改良的方法有膨潤土泥漿改良及泡沫劑改良土體等。膨潤土泥漿潤滑作用較強，可以降低土體的抗剪強度，提高土體的流動性，同時又可以降低土體的滲透性。不同濃度的膨潤土泥漿對土體的改良效果不同，通過實際工程總結(jié)發(fā)現(xiàn)，當泥漿濃度為8%時，膨潤土泥漿改良的效果很好；同樣，不同質(zhì)量分數(shù)的泡沫劑對土體改良效果也不同[7]。

在穿越工程中，使用膨潤土與泡沫劑相結(jié)合的方式來共同作用改良土體。實際工程中采用濃度為8%的膨潤土、5%的泡沫劑，按泥漿：泡沫：原狀土=1:1:6來進行土體改良。

3.1.3盾構(gòu)掘進速度的控制

穿越施工時控制掘進速度使其平穩(wěn)，對相同地質(zhì)條件下盾構(gòu)的掘進參數(shù)總結(jié)分析，掘進速度定為40 mm/min。做到勻速、不間斷通過，在地層產(chǎn)生明顯變形之前完成同步注漿及二次補注漿作業(yè)，將地表沉降量控制在允許范圍以內(nèi)，保證穿越區(qū)域內(nèi)的樁基結(jié)構(gòu)安全、不受破壞。

3.1.4盾構(gòu)機殼減阻措施

在穿越樁基區(qū)域內(nèi)為減小盾構(gòu)機殼和周圍土體的摩擦力，減小盾構(gòu)對土體的擾動，降低土體后期的固結(jié)沉降，在盾構(gòu)施工時可采取向盾殼外部加注高濃度高黏度的膨潤土泥漿，在盾構(gòu)機殼和土體之間形成一層薄膜，使殼體與土體之間始終保持潤滑狀態(tài)[8]。

通過對盾構(gòu)周圍土體的改良，使穿越過程中的盾構(gòu)推力在32～35 MN范圍內(nèi)，明顯小于穿越前后的盾構(gòu)頂推力，大約可減少40%左右。

3.1.5出土量的控制

根據(jù)相同地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工的經(jīng)驗，在盾構(gòu)掘進過程中嚴格將出土量控制在192 m3/環(huán)，杜絕過量出土的情況，以確保實現(xiàn)土倉內(nèi)始終密實填充，保持土倉壓力的穩(wěn)定，盾構(gòu)掘進時在每個土斗內(nèi)標注刻度，使每環(huán)出土量均勻穩(wěn)定。

3.2注漿控制措施

3.2.1同步注漿控制措施

在盾構(gòu)穿越段，同步注漿漿液為雙液漿，通過漿液配比優(yōu)化，將漿液凝固時間控制在25～40 s之間，同時，根據(jù)相同地質(zhì)條件下的施工經(jīng)驗，在穿越段控制漿液的注入數(shù)量(10.1～11.3 m3/環(huán))，最大程度地減少因充填不及時、不密實而造成的地層損失。

3.2.2二次補漿措施

為了彌補盾構(gòu)掘進時盾尾同步注漿有可能填充不飽滿的情況，提高沉降控制效果，在穿越段對已完成的隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)及時進行補注漿，控制地層后期沉降[9-10]。補注漿采用后方注漿的方式，即在距離前端管片10環(huán)的位置預留注漿孔，在此處進行背后補漿，補注漿采用雙控原則，注漿量控制在2.0～2.8 m3，注漿壓力控制在0.45～0.50 MPa。

3.3其他控制措施

在盾構(gòu)穿越機場快軌高架橋之前，應對盾構(gòu)機進行檢查，防止泥漿從盾構(gòu)機尾部冒出，造成地面過大的沉降，此外還需要避免長時間停機導致土倉積水等現(xiàn)象。

在穿越過程中，應該加強監(jiān)測頻率，及時反饋監(jiān)測信息來進一步指導施工。

4　監(jiān)控量測分析

4.1監(jiān)測要求

現(xiàn)場監(jiān)測是為了動態(tài)掌握掘進過程中既有地鐵結(jié)構(gòu)的變化，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析反饋信息來進一步指導施工，保證穿越過程中既有機場快軌的安全運營。該工程采用自動化及人工監(jiān)測相結(jié)合的方法，對橋梁結(jié)構(gòu)的墩臺沉降、橋墩的水平位移及軌道的幾何形位進行監(jiān)測[11](見圖9)。

圖9　監(jiān)測測點

4.2監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過對監(jiān)測成果進行統(tǒng)計得出：高架橋墩的最大沉降值為0.7 mm。為了解在盾構(gòu)過程中既有橋梁結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律，將穿越處影響范圍內(nèi)4個橋墩的時程變化規(guī)律曲線繪制如圖10所示。

圖10　各橋墩豎向位移曲線

可以看出，4個橋墩的變形趨勢大致相同，位移都是先下沉然后出現(xiàn)一定的反彈最后又趨于穩(wěn)定?？傮w上可以將變形趨勢分為4個階段(見圖10①～④)。

微影響時期。即當盾頭距離高架橋結(jié)構(gòu)大約為1倍的盾徑時，盾構(gòu)施工開始對既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，此時，既有橋梁墩臺沉降大約只有0.1 mm。

強烈影響時期。當盾構(gòu)機刀盤逐漸臨近高架橋結(jié)構(gòu)時，橋墩的沉降變形速率加快，橋墩沉降幾乎是直線式下降。但需要注意的是，在下降過程中，中間會有一段穩(wěn)定區(qū)域，此穩(wěn)定區(qū)是由于盾構(gòu)機在穿越高架橋的過程中，由于盾構(gòu)頂推力的作用，使得高架橋樁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定量的隆起，隆起量大約在0.1 mm左右，因此會有穩(wěn)定曲線段的出現(xiàn)。

同步注漿作用時期。曲線在這一階段出現(xiàn)了一定量的反彈回升，是由于盾尾脫離高架橋，管片在拼裝后實施同步注漿作用的效果。同步注漿使得管片與開挖土體之間的孔隙得到了填充，減小了既有結(jié)構(gòu)的沉降。

二次注漿影響時期。可以看出，78號橋墩在該時期有的曲線呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢，75～77號橋墩出現(xiàn)了一定的下沉，出現(xiàn)差異的原因是由于二次注漿質(zhì)量所導致的。如果能夠及時、嚴格地進行二次補漿，既有結(jié)構(gòu)的沉降將趨于穩(wěn)定，否則，既有結(jié)構(gòu)仍然會有一定的下沉，但此時的下沉量是很小的，本工程中雖然77號、76號橋墩出現(xiàn)了大約0.1 mm的下沉，但最終的結(jié)果仍能滿足既有結(jié)構(gòu)變形控制的要求。

5　結(jié)論

1) 通過有限元軟件對大直徑盾構(gòu)下穿機場高架橋建模，計算分析既有機場高架橋結(jié)構(gòu)的變形，得出在未采取任何加固措施的情況下，既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形超過了規(guī)范允許變形值。

2) 分別對不同橋梁基礎結(jié)構(gòu)加固措施，從技術(shù)可靠、施工安全、經(jīng)濟合理的角度研究，得出采用復合錨桿樁的加固方案是較優(yōu)的。

3) 考慮復合錨桿加固措施，對大直徑盾構(gòu)穿越機場高架橋建模分析，得出既有機場高架橋橋樁的最大沉降為1.6 mm，軌道的最大沉降為1.5 mm，能夠滿足規(guī)范要求并保證機場快軌的安全運營。

4) 在大直徑盾構(gòu)穿越機場高架橋過程中，為了保證既有橋梁結(jié)構(gòu)的變形不超限，需要采取控制土倉壓力、對土體改良、控制掘進速度、及時進行同步注漿等控制措施。

5) 通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理，分析盾構(gòu)穿越高架橋梁過程中既有橋梁結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，將既有橋梁結(jié)構(gòu)位移的變化分為4個時期，可以為今后類似的工程提供一些指導建議。

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(編輯：郝京紅)

Safety control for Large-diameter Shield Under-crossing the Viaduct of Airport Express

Peng Hua1Li Ji1Liang Yu2Ma Wenhui1

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044; 2. China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610000)

In order to study the safety control technology for large-diameter shield under-crossing the viaduct of Beijing airport express, a finite element model on large diameter shield crossing the airport viaduct is built through the numerical simulation software. The optimal reinforcement measures are chosen by comparing different strengthening schemes and the deformations of existing viaduct structure are predicted by the numerical simulation. By referring to the previous engineering experiences and the project's actual driving feedback information, the reasonable excavation parameters and the relevant control technologies are summarized. By collecting the monitoring data, the deformation law of the existing structure is analyzed. It is concluded that the deformation of existing viaduct structure can be divided into four periods, and the analysis results of this article can provide guidance for the future similar projects.

urban rail transit; large diameter shield; under-crossing the viaduct; safety control

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.01.011

2015-03-07

2015-05-04

彭華，男，博士，副教授，研究方向為道路與鐵道工程，liji1991@163.com

國家自然科學基金(51478032)，北京市科委資助項目(Z141100002714011)

U231

A

1672-6073(2016)01-0042-05