地鐵盾構(gòu)隧道下穿重力式墩橋施工措施及影響分析

李永利 趙旭偉 周冠南 王春凱

(1.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,200070,上海;2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,200092,上?！蔚谝蛔髡?教授級(jí)高工)

在城市地鐵工程的修建中,盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)以其獨(dú)有的智能化、安全、快捷、地層適用性廣等特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì),越來越多地得到推廣和應(yīng)用[1]。雖然盾構(gòu)法取得了斐然成績(jī),但此法施工時(shí)不可避免地會(huì)引起地表沉降;若地表沉降過大,就會(huì)影響到盾構(gòu)隧道的安全施工和地表建筑物的正常使用[2]。

盾構(gòu)穿越橋梁、河流,是地鐵施工的關(guān)鍵性技術(shù)。文獻(xiàn)[3]等通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,總結(jié)了軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿鐵路的沉降規(guī)律。文獻(xiàn)[4]分析了盾構(gòu)隧道下穿鐵路的施工風(fēng)險(xiǎn),提出分區(qū)注漿旋噴加固以減少鐵路軌道變形、降低軌下動(dòng)應(yīng)力的方法。

成都地鐵1號(hào)線下穿府南河和河上的萬福橋,過河段的河床覆土厚度變化大,地下水豐富,且水位壓力大;同時(shí)地鐵隧道線路處于緩和曲線地段,縱斷面為13‰的下坡,使盾構(gòu)姿態(tài)很難控制,容易發(fā)生不可控的超挖現(xiàn)象。由于土層上軟下硬,盾構(gòu)掘進(jìn)受力不均勻,對(duì)刀盤、刀具磨損較大。刀盤旋轉(zhuǎn)切削時(shí),地層的相對(duì)穩(wěn)定或平衡狀態(tài)很容易被破壞而造成坍塌,引起較大的圍巖擾動(dòng),使開挖面和洞壁失去穩(wěn)定,嚴(yán)重時(shí)可能危及既有橋梁上部結(jié)構(gòu)的安全。因此,如何控制施工擾動(dòng)、防止地表沉降、保證開挖面穩(wěn)定、避免發(fā)生涌水、防止刀具刀盤發(fā)生非正常磨損等,是施工需要解決的關(guān)鍵問題。本文結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn),對(duì)掘進(jìn)參數(shù)通過數(shù)值模擬并參照具體的地質(zhì)條件進(jìn)行了分析論證,提出了成都地鐵盾構(gòu)隧道下穿橋梁、河流的施工技術(shù)措施,以供類似工程施工時(shí)作參考。

1 工程背景

1.1 盾構(gòu)穿越情況

成都地鐵1號(hào)線的隧道盾構(gòu)區(qū)間的左右線隧道在府南河下從既有萬福橋上游側(cè)橋梁正下方穿過,左線隧道處于橋梁人行道的正下方,右線隧道處于橋梁主車道的正下方。隧道與橋墩結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置關(guān)系斷面圖如圖1所示。

萬福橋在1996年1月至9月進(jìn)行了改造,改造前基礎(chǔ)為條形擴(kuò)大基礎(chǔ),三層臺(tái)階形基礎(chǔ)總厚2.96 m,改造后在河床底整體鋪設(shè)厚0.2 m C15混凝土護(hù)底。其橋梁結(jié)構(gòu)為16.80 m+16.81 m+16.83 m三跨預(yù)應(yīng)力空心板簡(jiǎn)支梁橋,其中橋墩、橋臺(tái)為整體重力式。

圖1 地鐵隧道與既有橋墩結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系斷面圖(單位:m)

1.2 地層特點(diǎn)及以往地面沉降規(guī)律

盾構(gòu)隧道穿越地層為砂卵石層。地鐵所穿越的成都獨(dú)特的砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層,其顆粒之間孔隙大,幾乎沒有黏聚力,卵石之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳力,地層反應(yīng)靈敏,盾構(gòu)周圍地層的成拱性差。對(duì)以往盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明,地表沉降主要有以下規(guī)律:

1)地表變形主要表現(xiàn)為沉降,基本無隆起。

2)進(jìn)出洞段地表累計(jì)沉降不超過30 mm,區(qū)間段地表沉降不超過20 mm。

3)盾構(gòu)施工期地表沉降主要集中在盾構(gòu)切口到達(dá)與通過后10環(huán)以內(nèi)時(shí)間段。該段沉降速率較大,可持續(xù)2到3天,沉降速度到達(dá)4～6 mm/d。

4)盾構(gòu)施工形成的橫向沉降槽寬度較小,地表沉降集中在盾構(gòu)隧道正上方2.5 D～3.0 D范圍內(nèi)(D為盾構(gòu)外直徑)。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

數(shù)值模擬計(jì)算采用巖土工程軟件PLAXIS,幾何對(duì)象采用平面應(yīng)變模型,有限元網(wǎng)格基于15節(jié)點(diǎn)單元。計(jì)算土層區(qū)域橫向?yàn)?0 m,縱向?yàn)?5 m(根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn),此范圍能夠滿足工程研究需要)。土體采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準(zhǔn)則。隧道管片與土體相互作用通過設(shè)置古德曼接觸面單元并選取虛擬厚度因子及強(qiáng)度折減因子模擬。模型底部施加完全固定約束,兩側(cè)施加豎直滑動(dòng)約束,表面取為自由邊界。隧道外徑為6.0 m,內(nèi)徑為5.4 m,隧頂覆土厚11.49 m。橋墩基礎(chǔ)采用線彈性模型,使用板單元包絡(luò)混凝土的方式進(jìn)行模擬。土體與橋墩接觸通過設(shè)置界面單元進(jìn)行模擬,板單元和土體之間相互作用的摩擦力通過設(shè)定界面強(qiáng)度折減因子(Rinter)的值來模擬。計(jì)算參數(shù)如表1、2所示。

表1 土層參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物參數(shù)

選取隧道與1號(hào)橋墩橫剖面(沿河道方向)為研究斷面并建立有限元模型。其斷面共分為5個(gè)土層,盾構(gòu)所在地層為3-7-1、4-4-1層。計(jì)算網(wǎng)格有限元模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格有限元模型

2.2 模擬計(jì)算結(jié)果

2.2.1 隧道周圍土體加固后的模擬計(jì)算結(jié)果

按照實(shí)際施工情況,河道水位按降水后水深0.5 m考慮。按成都地鐵設(shè)計(jì)文件要求,地鐵隧道輪廓線外3 m為注漿加固區(qū)域。有限元模型考慮加固土體的影響,加固部分采用置換土層參數(shù)方式模擬,仍采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準(zhǔn)則。增大注漿量通過調(diào)整隧道收縮率控制。

2.2.1.1 地鐵隧道開挖后的整體變形

根據(jù)實(shí)際施工部署,盾構(gòu)隧道右線先開挖,而后開挖左線。隧道開挖引起的整體變形如圖3所示。

圖3 地鐵隧道開挖后的整體變形圖(變形擴(kuò)大100倍)

由圖3可見,盾構(gòu)掘進(jìn)引起地面沉降變形,使橋墩下沉,左側(cè)墩角處地表沉降明顯,整體最大沉降15.6 mm。

2.2.1.2 地鐵隧道開挖后的整體豎向位移云圖

地鐵隧道開挖后的整體豎向位移云圖見圖4所示。由圖4可以很明顯地看出,隧道開挖對(duì)拱頂土體及橋墩左側(cè)墩角區(qū)域土體的擾動(dòng)較大,變形較明顯。有限元模擬豎向最大沉降發(fā)生在隧道拱頂區(qū)域,沉降值為14.95 mm。

圖4 地鐵隧道開挖后的整體豎向位移云圖

2.2.1.3 結(jié)構(gòu)物變形

由圖5可見,橋梁向隧道一側(cè)變形。由于盾構(gòu)隧道下穿橋梁,故引起的水平變形較小而豎向變形較大。橋梁的最大水平變形為2.4 mm,最大豎向變形為 9.34 mm,且最大豎向位移發(fā)生在墩角位置。

圖5 結(jié)構(gòu)物變形圖

2.2.1.4 數(shù)值模擬隧道拱頂豎向位移曲線

由圖6可以看出,隧道拱頂豎向位移曲線在隧道推進(jìn)區(qū)域比較有規(guī)律,沉降槽明顯;在拱頂位置的沉降值最大,左側(cè)隧道開挖后對(duì)地層擾動(dòng)較大,引起的地表沉降最大值為14.95 mm;兩隧道的中間區(qū)域沉降較小,為4 mm左右,沉降值沿地表方向逐漸消散,可見加固措施明顯。數(shù)值模擬結(jié)果表明,地鐵盾構(gòu)推進(jìn)引起的地表沉降在安全范圍之內(nèi)。

圖6 隧道拱頂豎向位移曲線

2.2.2 隧道周圍土體不加固時(shí)的模擬計(jì)算結(jié)果

建立盾構(gòu)隧道周圍土體不采取加固、增大注漿量等措施的數(shù)值計(jì)算模型,以比較加固前后土體及結(jié)構(gòu)物的沉降差異。不加固時(shí)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖 7、8、9所示 。

由圖7可以看出,未采取加固措施時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體的擾動(dòng)范圍更大,特別是左側(cè)隧道,對(duì)橋梁穩(wěn)定性的影響很大,擾動(dòng)影響范圍更廣;隧道拱頂土體最大豎向沉降值為38.72 mm。

由圖8可以看出,不采取增大注漿量、加固土體等施工輔助措施時(shí)盾構(gòu)通過對(duì)橋梁影響遠(yuǎn)大于加固后。其中橋梁最大豎向變形為35.86 mm,是加固后的3.5倍;最大水平變形為6.33 mm,是加固后的2倍。

比照?qǐng)D9、6加固前后拱頂位移曲線,同樣可以看出,不加固時(shí)沉降槽更深,橫向影響寬度更廣,橫向影響寬度接近80 m。

圖7 不加固時(shí)隧道開挖后的整體豎向位移云圖

圖8 不加固時(shí)結(jié)構(gòu)物變形圖

圖9 不加固時(shí)的隧道拱頂位移曲線

3 施工方案

3.1 施工輔助措施

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果,采用加固土體、超前降水等施工輔助措施可有效降低盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周圍環(huán)境的影響。

1)加固土體:沿地鐵線路方向加固長(zhǎng)度為58.4 m,橫向加固寬度為25.0 m,豎向加固7.82 m(見圖1)。采用袖閥管注漿形式進(jìn)行加固。

2)補(bǔ)償?shù)貙訐p失的超前降水:為主動(dòng)補(bǔ)償?shù)貙訐p失和應(yīng)急救援可能出現(xiàn)的各種險(xiǎn)情,在地鐵盾構(gòu)下穿萬福橋前,將河道水深從2.8 m降低至0.5 m。

3)地鐵盾構(gòu)在過河前30 m處停機(jī)檢查設(shè)備刀具情況,以確保能不停機(jī)連續(xù)通過河道;過河段每次糾偏不準(zhǔn)超過±20 mm;做好盾尾密封壓注工作;提高二級(jí)螺旋的防噴涌性能;做好施工監(jiān)測(cè)及緊急情況的救援預(yù)案。

3.2 施工參數(shù)選擇

1)盾構(gòu)總推力控制在9 000～12 000 kN,刀盤扭矩為3 000～5 000 kN·m,推進(jìn)速度控制在30～40 mm/min,土倉壓力為 0.07～0.09 MPa,刀盤轉(zhuǎn)速為1.1～1.3 r/min。

2)4根泡沫注管的注入壓力控制在0.15 MPa以下,單管流量控制在150 L/min。若地表或河床有泡沫劑流出,則及時(shí)調(diào)整泡沫注入?yún)?shù)。

3)同步注漿選擇可硬性漿液,注漿量保證在9.0 m3/環(huán)以上,同時(shí)保證1、2號(hào)同步注漿管的壓力為0.15 MPa,3、4號(hào)同步注漿管壓力為0.25 MPa。采用注漿壓力和注漿量雙控。

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

施工中進(jìn)行了橋梁裂縫、傾斜位移和沉降量的監(jiān)測(cè),萬福橋橋面沉降最大值為-2.79 mm,沉降速率為-0.31 mm/d(亦為橋面沉降速率最大值);橋帽梁沉降最大值為-5.99 mm,沉降速率為-0.43 mm/d;橋墩臺(tái)沉降最大值為-8.10 mm,沉降速率為-0.34 mm/d。地鐵盾構(gòu)下穿橋墩掘進(jìn)期間對(duì)位移與傾斜的監(jiān)測(cè)共進(jìn)行29次,設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)8個(gè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:水平方向累計(jì)偏移量的最大值為-1.2 mm,豎向累計(jì)沉降量的最大值為-1.2 mm。對(duì)橋梁伸縮縫共測(cè)量6次,設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4個(gè)(位于東西兩側(cè)人行道上),經(jīng)監(jiān)測(cè)無明顯變化。沉降實(shí)測(cè)值滿足安全要求,且均小于數(shù)值模擬的結(jié)果。原因是有限元模擬并沒有考慮地面跟蹤注漿措施的效果,故其結(jié)果較實(shí)際的沉降值大。

4 結(jié)語

1)數(shù)值模擬結(jié)果表明,盾構(gòu)下穿萬福橋、府南河所采取的加固土體、增大注漿量、降水等施工控制措施的效果明顯,土體沉降得到有效控制。

2)地鐵隧道開挖對(duì)拱頂土體及橋梁左側(cè)墩角區(qū)域的土體擾動(dòng)較大,沉降明顯。橋梁向隧道開挖一側(cè)產(chǎn)生一定變形,其水平變形較小,豎向變形較大。

3)不采取任何加固措施時(shí)盾構(gòu)通過引起的水平位移及豎向沉降遠(yuǎn)大于采取加固措施時(shí)的相應(yīng)沉降量,對(duì)土體的擾動(dòng)區(qū)域也會(huì)更廣,若產(chǎn)生不可控的故障停機(jī)、超挖、姿態(tài)偏移等,將會(huì)引起施工風(fēng)險(xiǎn)。

4)實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,盾構(gòu)下穿萬福橋、府南河時(shí)所采取的一系列施工措施的效果明顯,其施工參數(shù)可供今后類似工程參考。

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