徐前衛(wèi) 崔越榜 王尉行 龔振宇 黃 杉 路林海 邢慧堂

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 201804， 上海； 2.中鐵五局電務(wù)城通公司， 410205， 長(zhǎng)沙；3.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)公司， 250101， 濟(jì)南∥第一作者， 副教授)

隨著我國(guó)公共交通系統(tǒng)快速發(fā)展，越來(lái)越多的地鐵隧道建設(shè)在城市建筑密集區(qū)、人流密集區(qū)地面以下。地鐵隧道不得不近距離穿越一些重要的建筑物，故在盾構(gòu)施工過(guò)程中，必須確保周?chē)鷺?gòu)筑物的正常使用，不至于出現(xiàn)過(guò)度側(cè)移或基礎(chǔ)差異沉降[1-4]。

針對(duì)盾構(gòu)近距離穿越建筑物的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者以實(shí)際工程為依托，采取理論分析、數(shù)值模擬等手段計(jì)算和預(yù)測(cè)建筑物可能發(fā)生的沉降量，并設(shè)法將其控制在容許范圍內(nèi)，以確保相關(guān)工程的施工安全和正常使用[5-11]。例如，王闖等[12]基于實(shí)際工程，用數(shù)值模擬和理論解析的方法對(duì)相鄰隧道不同開(kāi)挖順序引起的樁基擾動(dòng)度進(jìn)行了研究；徐前衛(wèi)等[13]綜合運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬的方法，提出了隧道穿越橋梁樁基的地基加固、樁基托換和洞內(nèi)除樁方案，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明該方案可有效控制橋梁結(jié)構(gòu)的變形；謝雄耀等[14]發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)穿越火車(chē)站股道時(shí)采用樁筏基礎(chǔ)加固能夠滿(mǎn)足沉降控制要求，通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，證明了數(shù)值模擬能夠用于預(yù)測(cè)指導(dǎo)施工。

盡管?chē)?guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開(kāi)展了盾構(gòu)近接既有構(gòu)筑物施工影響的工程案例分析，但是各具體工程的情況存在較大差異，所采取的分析方法和工程應(yīng)對(duì)措施亦不盡相同。本文以北京砂卵石地層中雙線(xiàn)盾構(gòu)近距離側(cè)穿橋梁工程為例，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)盾構(gòu)近距離側(cè)穿橋梁基礎(chǔ)的施工影響進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了對(duì)洞周土體局部加固和加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)管理的施工措施。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，采用該方案施工后，地層變形和橋梁變形均得到了有效控制，相關(guān)成果亦可為今后類(lèi)似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

天橋站—永定門(mén)外站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，全長(zhǎng)1 637.37 m。區(qū)間隧道頂板覆土厚度10.42～27.32 m。盾構(gòu)穿越地層以細(xì)砂、卵石和粉質(zhì)黏土為主。區(qū)間隧道于K34+422.094～+534.308側(cè)穿永定門(mén)主橋西橋。圖1為橋梁結(jié)構(gòu)與雙線(xiàn)盾構(gòu)的立面圖。

圖1 隧道線(xiàn)路與永定門(mén)橋空間位置關(guān)系圖

隧道下穿區(qū)段埋深為23.2～23.7 m。區(qū)間土層自上而下為：雜填土①層、粉土③2層、粉質(zhì)黏土③層、粉砂～細(xì)砂③3層、粉質(zhì)黏土④層、卵石⑤層。地層參數(shù)如表1所示，洞身所在地層主要為卵石⑤層。區(qū)間結(jié)構(gòu)以上有潛水和潛水～承壓水兩層水，地下水距離隧道頂部約5.4 m。

在本工程中，雙線(xiàn)盾構(gòu)在砂卵石地層中側(cè)穿永定門(mén)橋，橋樁距離盾構(gòu)最近處僅9.2 m。由于盾構(gòu)在施工過(guò)程中不可避免地要對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生不利影響，如引起地層沉降過(guò)大、橋樁水平位移過(guò)大、橋面差異沉降較大等問(wèn)題，故施工對(duì)橋梁的影響較大。國(guó)內(nèi)關(guān)于盾構(gòu)在砂卵石這種危險(xiǎn)地層中近距離穿越橋梁的施工案例較少，且橋梁環(huán)境保護(hù)等級(jí)較高，故本文以盾構(gòu)側(cè)穿永定門(mén)主橋西橋?yàn)檠芯繉?duì)象，借助有限元分析軟件對(duì)盾構(gòu)側(cè)穿時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的受力和變形問(wèn)題進(jìn)行分析。

2 盾構(gòu)側(cè)穿橋梁施工模擬

2.1 計(jì)算模型

圖2給出了盾構(gòu)側(cè)穿橋梁基礎(chǔ)的數(shù)值計(jì)算模型，土體水平邊界長(zhǎng)150 m，豎向邊界長(zhǎng)60 m，縱向邊界長(zhǎng)112 m，左、右線(xiàn)盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)117.6 m，模擬管片環(huán)號(hào)從470環(huán)到568環(huán)。橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)77.4 m，寬34.9 m，在計(jì)算模型中將其簡(jiǎn)化為由橋板、橋墩、承臺(tái)和橋樁組成的空間結(jié)構(gòu)。

圖2 隧道側(cè)穿橋梁計(jì)算模型圖

計(jì)算模型中，地層、注漿層和橋梁上部結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬，其中，地層和注漿層采用修正摩爾庫(kù)侖彈塑性模型，橋板、橋墩、承臺(tái)采用各向同性彈性模型。管片襯砌采用殼單元模擬，橋樁采用梁?jiǎn)卧M，橋樁與土之間設(shè)置界面單元與樁端單元。樁土接觸單元的剪切剛度模量是48.47 MPa，法向剛度模量是126 MPa。樁端單元承載力極限值是220 kPa，彈簧剛度是250 MPa。地層參數(shù)如表1所示，模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)單元力學(xué)參數(shù)

開(kāi)挖過(guò)程模擬參照實(shí)際施工情況來(lái)設(shè)置，先開(kāi)挖靠近橋梁一側(cè)的左線(xiàn)隧道，再開(kāi)挖右線(xiàn)隧道。左、右線(xiàn)隧道每次開(kāi)挖長(zhǎng)度為10環(huán)即12 m，土體開(kāi)挖完畢后，施加垂直于開(kāi)挖面的支護(hù)壓力175.5 kPa(與實(shí)際工程中設(shè)置的開(kāi)挖面支護(hù)壓力一致)，激活管片單元，改變注漿層土體參數(shù)。以此循環(huán)開(kāi)挖，左、右隧道各開(kāi)挖20步，即從470環(huán)開(kāi)挖到568環(huán)。

2.2 地層豎向變形分析

從圖3中可以看出：地層最大沉降值為26.16 mm，發(fā)生在盾構(gòu)底部和地層靠近橋梁結(jié)構(gòu)的位置處；最大隆起位移為13.53 mm，發(fā)生在隧道頂部。因地層沉降變形過(guò)大，超過(guò)控制值15 mm，容易引起地表塌陷、橋梁結(jié)構(gòu)破壞等一系列的安全事故。

單位:mm

2.3 橋梁結(jié)構(gòu)豎向變形分析

左、右線(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)完成后橋梁結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為最大沉降值11.5 mm，發(fā)生在靠近左線(xiàn)盾構(gòu)隧道的橋板中部；橋板最大差異沉降為5.3 mm，承臺(tái)最大差異沉降為2.2 mm。取靠近左線(xiàn)盾構(gòu)一側(cè)的橋梁縱向軸線(xiàn)位置處的橋面變形進(jìn)行研究，得到盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)橋板豎向變形曲線(xiàn)，如圖4所示。橋板的最大沉降值為10.5 mm，出現(xiàn)在跨中位置處，隨著盾構(gòu)開(kāi)挖，橋板的沉降值逐漸增大。由于左線(xiàn)盾構(gòu)距離橋板較近，故開(kāi)挖對(duì)其影響更大；右線(xiàn)盾構(gòu)距離橋板較遠(yuǎn)，開(kāi)挖時(shí)橋板沉降變形不明顯。

圖4 隧道開(kāi)挖后橋面縱向軸線(xiàn)位置處變形曲線(xiàn)

2.4 橋墩測(cè)點(diǎn)豎向變形及橋樁水平變形分析

橋墩豎向位移最大值為10.5 mm，發(fā)生在靠近盾構(gòu)一側(cè)橋墩的中部。1#橋墩距離盾構(gòu)最近，為施工中最為關(guān)注的位置，故在其頂部布置測(cè)點(diǎn)。對(duì)左線(xiàn)盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)的豎向位移單獨(dú)進(jìn)行分析，如圖5所示。沉降變形最大值是8.7 mm，發(fā)生在最靠近左線(xiàn)盾構(gòu)的測(cè)點(diǎn)Z01上。離盾構(gòu)越近的測(cè)點(diǎn)沉降變形越大，且隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，各測(cè)點(diǎn)沉降值逐漸增大。測(cè)點(diǎn)沉降變形變化最快是發(fā)生在開(kāi)挖左線(xiàn)盾構(gòu)520～560環(huán)之際，即左線(xiàn)隧道穿越橋墩施工過(guò)程中。

圖5 未加強(qiáng)注漿情況下1#橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移曲線(xiàn)

此外，盾構(gòu)開(kāi)挖完成后橋樁的最大水平位移為4.57mm，此處橋樁距離盾構(gòu)水平距離僅9.2 m，故受盾構(gòu)開(kāi)挖影響大。

綜上所述，如果不采取施工措施，一方面雙線(xiàn)盾構(gòu)側(cè)穿橋梁將導(dǎo)致地層變形過(guò)大，進(jìn)而引發(fā)地表塌陷、橋梁結(jié)構(gòu)破壞等安全事故；另一方面，為進(jìn)一步減小橋梁結(jié)構(gòu)的豎向變形和橋樁的水平變形，故結(jié)合工程實(shí)際，需要對(duì)靠近橋梁結(jié)構(gòu)的左線(xiàn)盾構(gòu)采用加強(qiáng)注漿的方法進(jìn)行輔助施工。

3 盾構(gòu)加強(qiáng)注漿施工措施研究

鑒于左線(xiàn)隧道施工對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響較大，故考慮對(duì)左線(xiàn)盾構(gòu)側(cè)穿橋梁整個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)的隧道周邊土體進(jìn)行加強(qiáng)注漿加固。圖6給出了加強(qiáng)注漿范圍示意圖，除對(duì)隧道周?chē)? m范圍內(nèi)土體加固外，還對(duì)隧道上方迎向樁基的3 m范圍內(nèi)局部土體進(jìn)行加固。雙液漿由水玻璃稀釋溶液和水泥漿體積比1∶1組成，注漿壓力0.5～0.8 MPa。在有限元計(jì)算模型中，加強(qiáng)注漿區(qū)土體采用實(shí)體單元模擬，彈性模量480 MPa，泊松比0.23。

圖6 左線(xiàn)盾構(gòu)周邊加強(qiáng)注漿示意圖

3.1 地層豎向變形分析

從圖7中可以看出：地層最大沉降位移為7.3 mm，發(fā)生在盾構(gòu)底部和地層靠近橋梁結(jié)構(gòu)的位置處；最大隆起位移為3.6 mm，發(fā)生在盾構(gòu)頂部；沉降變形和隆起變形均在安全范圍內(nèi)。

單位: mm

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)豎向變形分析

加強(qiáng)注漿工況下左、右線(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)完成后橋梁結(jié)構(gòu)的豎向位移最大值為4.8 mm，發(fā)生在靠近左線(xiàn)盾構(gòu)的橋板中部；橋板最大差異沉降為2.3 mm，承臺(tái)最大差異沉降為1.7 mm。取靠近左線(xiàn)盾構(gòu)一側(cè)的橋梁縱向軸線(xiàn)位置處的橋面變形進(jìn)行研究，得到盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)橋板豎向變形曲線(xiàn)，如圖8所示。圖中可見(jiàn)，橋板的最大沉降值為4.3 mm，出現(xiàn)在跨中位置處，但遠(yuǎn)低于未加固情況下的對(duì)應(yīng)值。與圖4進(jìn)行對(duì)比可知，橋板豎向變形隨盾構(gòu)開(kāi)挖的變化規(guī)律與盾構(gòu)未加強(qiáng)注漿情況下的變化規(guī)律基本一致。

綜上可知，盾構(gòu)施工中采用加強(qiáng)注漿的工法，可以有效減小橋梁結(jié)構(gòu)的豎向變形和承臺(tái)的不均勻沉降，減小幅度在60%左右，把橋梁結(jié)構(gòu)的變形控制在安全范圍內(nèi)。

3.3 橋墩測(cè)點(diǎn)豎向變形及橋樁水平變形分析

加強(qiáng)注漿工況下盾構(gòu)開(kāi)挖完成后橋墩豎向位移最大值為4.4 mm，發(fā)生在橋梁中部靠近盾構(gòu)一側(cè)的橋墩上，注漿加固的效果明顯。橋墩測(cè)點(diǎn)在左線(xiàn)隧道開(kāi)挖時(shí)的豎向位移如圖9所示，加強(qiáng)注漿工況下沉降位移最大值是3.4 mm，發(fā)生在最靠近盾構(gòu)隧道的測(cè)點(diǎn)z1上。對(duì)比圖6可知，橋墩測(cè)點(diǎn)豎向位移隨盾構(gòu)開(kāi)挖的變化規(guī)律與盾構(gòu)未加強(qiáng)注漿情況下的變化規(guī)律基本一致。

加強(qiáng)注漿工況下盾構(gòu)開(kāi)挖完成后橋樁的最大水平位移為1.2 mm，位置為距離左線(xiàn)盾構(gòu)最近的橋樁處。由于左線(xiàn)盾構(gòu)采用加強(qiáng)注漿工法，使橋樁水平位移減少了3.4 mm，作用明顯。

4 盾構(gòu)施工參數(shù)管理及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)管理

此段隧道平均埋深23.4 m，根據(jù)太沙基松動(dòng)土壓力公式可得土倉(cāng)壓力計(jì)算值為0.13～0.167 MPa，故左線(xiàn)盾構(gòu)推470～568環(huán)時(shí)土倉(cāng)壓力可設(shè)定在0.12～0.19 MPa之間。在實(shí)際施工時(shí)，大部分實(shí)際土倉(cāng)壓力在理論計(jì)算值的范圍內(nèi)，如圖10所示。

圖9 加強(qiáng)注漿工況下橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移圖

圖10 土倉(cāng)壓力實(shí)測(cè)圖

如圖11所示，盾構(gòu)實(shí)測(cè)推進(jìn)速度在55～70 mm/min間波動(dòng)，螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速在5.0～6.5 r/min間波動(dòng)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速在0.90～0.98 r/min間波動(dòng)。結(jié)合圖10可以看出，盾構(gòu)推進(jìn)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制的進(jìn)土速度和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速控制的排土速度之間存在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，使得土倉(cāng)壓力和開(kāi)挖面的支護(hù)壓力達(dá)到一個(gè)平衡值，有效控制了地表的沉降變形。

圖11 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)實(shí)測(cè)圖

4.2 橋墩測(cè)點(diǎn)變形分析

圖12給出了實(shí)測(cè)橋墩各測(cè)點(diǎn)沉降變形圖。隨著盾構(gòu)推進(jìn)，橋墩整體產(chǎn)生沉降變形，且變形最大值為3.5 mm，發(fā)生在最靠近左線(xiàn)盾構(gòu)的z1測(cè)點(diǎn)處。離左線(xiàn)盾構(gòu)距離越近，受盾構(gòu)開(kāi)挖影響越大，測(cè)點(diǎn)沉降變形越大。對(duì)比圖9可知，實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

圖12 左線(xiàn)盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)橋墩測(cè)點(diǎn)豎向位移實(shí)測(cè)值

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合北京地鐵8號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)側(cè)穿橋梁的工程實(shí)例，通過(guò)數(shù)值分析軟件對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，參考現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)討論了左線(xiàn)盾構(gòu)加強(qiáng)注漿措施的影響，得到以下結(jié)論：

1) 盾構(gòu)施工引起開(kāi)挖影響范圍內(nèi)地層沉降變形，進(jìn)而引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)的沉降變形。橋梁結(jié)構(gòu)距離盾構(gòu)越近的點(diǎn)沉降變形越大，如果不采取適當(dāng)?shù)氖┕ご胧?，容易引發(fā)安全事故。

2) 通過(guò)對(duì)盾構(gòu)周?chē)馏w局部加強(qiáng)注漿，能夠有效減小施工對(duì)地層和橋梁結(jié)構(gòu)豎向變形的影響，減小幅度在60%左右。

3) 采取合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)管理，能夠使盾構(gòu)機(jī)土艙進(jìn)土和排土達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，可有效減小橋梁結(jié)構(gòu)的變形過(guò)大。

4) 數(shù)值模擬和施工監(jiān)測(cè)規(guī)律相似，證明了本文所提方案的合理性，并可指導(dǎo)工程施工服務(wù)。