北京昌平線二期地鐵盾構(gòu)側(cè)穿橋梁沉降監(jiān)測分析

李旺旺，韋宏鵠

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，為了充分利用地下空間，較好地緩解城市地面交通壓力，地鐵建設(shè)范圍在不斷擴(kuò)大。許多在建線路需要穿越既有線路、車站及橋梁和高速公路等重大風(fēng)險(xiǎn)源工程。由于獨(dú)特的施工優(yōu)勢，盾構(gòu)法廣泛應(yīng)用于地鐵建設(shè)。開挖斷面土體特征、改變推進(jìn)方向、受擾動(dòng)土體的再固結(jié)等問題是盾構(gòu)法施工引起地表土層變形的主要因素［1－3］。在相關(guān)研究中:李東海等［4］研究盾構(gòu)隧道斜交下穿越既有地鐵車站，盾構(gòu)在不同時(shí)段施工引起的既有建筑物的沉降不同，采用適合土壓減小對(duì)沉降影響;徐俊杰［5］利用有限軟件分析土壓平衡盾構(gòu)施工的地表沉降，表明地質(zhì)及注漿參數(shù)對(duì)沉降量變化影響，注漿率大于1.5時(shí)，控制沉降較好;胡長明等［6］研究了土壓平衡盾構(gòu)穿越黃土層及全斷面砂層時(shí)地表變形的主要影響因素及其控制參數(shù)。

盾構(gòu)側(cè)穿橋梁樁基時(shí)，地層應(yīng)力及變形將引起樁基承載力損失，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)在各類荷載作用下發(fā)生沉降。在相關(guān)研究中:彭坤等［7］研究了軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道開挖對(duì)承臺(tái)樁基工作性狀的影響，分析2種不同的加固方法對(duì)地表和樁身變形的控制;馬少坤等［8］通過模型試驗(yàn)研究了膨脹土地基中隧道對(duì)樁基的影響，分析樁基隨開挖進(jìn)度的力學(xué)狀態(tài);郭一斌等［9］研究了盾構(gòu)近距離側(cè)穿橋梁超長樁基導(dǎo)致出現(xiàn)較大變形和內(nèi)力，隧道軸線與超長樁處于不同相對(duì)位置對(duì)樁的特性產(chǎn)生不同影響;張恒等［10］利用FLAC3D模擬研究盾構(gòu)下穿橋梁，橋梁樁基下半部分朝背離隧道方向位移，上半部分朝相反方向位移。

本文通過土壓平衡盾構(gòu)側(cè)穿橋梁的實(shí)例，分析地鐵盾構(gòu)在不良雜填土層側(cè)穿橋梁時(shí)，利用橋樁及地表監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合盾構(gòu)施工參數(shù)分析盾構(gòu)施工對(duì)橋梁沉降的影響。

1 工程概況

昌平線二期地鐵盾構(gòu)工程起止里程K6+911.7～K8+355.3，區(qū)間全長1 443.6 m，盾構(gòu)管片外徑6 m，環(huán)寬1 200 mm，厚300 mm，環(huán)向分6塊?？v斷面上布置“V”字坡，以27‰，7‰和3‰下坡后，再以9‰和27‰上坡。在K7+317.500下穿河道，河道目前處于干涸狀態(tài)，盾構(gòu)覆土約 6.3 m。K6+911.7 ～ K7+436.000 區(qū)間及K7+539.660至盾構(gòu)接收井，道路兩側(cè)有建筑物，隧道位于道路下方。在K7+436.000～+539.660內(nèi)側(cè)穿連接河道兩側(cè)道路的橋梁，橋樁樁徑1.2 m，樁長22～26 m，盾構(gòu)隧道與樁基水平距離為4.1 m。在K7+486.000距離橋樁3.5 m處有一條南北走向垂直于隧道和橋梁的φ600 mm應(yīng)急補(bǔ)水管線。

盾構(gòu)隧道在河道穿越地層自上而下主要為:雜填土①2層、卵石⑤層、粉土⑥2層、粉質(zhì)黏土⑥層(如圖1所示)。河道內(nèi)地表分布有厚2.0～13.0 m的人工填土，該土層厚度大，且堆積時(shí)間短，結(jié)構(gòu)松散，滲透性強(qiáng)、土質(zhì)很不均勻，力學(xué)性質(zhì)差，穩(wěn)定性較差。勘測最大鉆孔45 m范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)3層地下水，地下水的類型為上層滯水(一)、潛水(二)及承壓水(三)。區(qū)間隧道位于含水層，為永久靜水浸沒環(huán)境。

圖1 地質(zhì)剖面圖Fig.1 Profile showing geological conditions of the project

2 監(jiān)測設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測原則及監(jiān)測技術(shù)

沉降監(jiān)測采用幾何水準(zhǔn)測量方式，監(jiān)測設(shè)計(jì)必須符合規(guī)范，滿足國家二等水準(zhǔn)網(wǎng)精度要求。在施工影響范圍之外的區(qū)域設(shè)置3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成豎向變形監(jiān)測控制網(wǎng);基準(zhǔn)點(diǎn)以施工高程系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立，采用附合或閉合水準(zhǔn)路線形式，起始并閉合于精密水準(zhǔn)點(diǎn)上?；鶞?zhǔn)點(diǎn)同監(jiān)測點(diǎn)一起布設(shè)成獨(dú)立的閉合環(huán)或形成由附合路線構(gòu)成的結(jié)點(diǎn)網(wǎng)。

使用Trimble DINI03電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測，采用電子水準(zhǔn)儀自帶記錄程序記錄外業(yè)觀測數(shù)據(jù)。觀測閉合水準(zhǔn)路線時(shí)可以只觀測單程，采用附合水準(zhǔn)路線形式必須進(jìn)行往返觀測。從測設(shè)初始值至沉降趨于穩(wěn)定監(jiān)測頻率為1次/d，若出現(xiàn)異常情況則加大監(jiān)測頻率。

2.2 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

橋樁沉降測點(diǎn)采用“L”型測點(diǎn)標(biāo)志形式，先在橋樁上鉆孔，然后放入膨脹螺栓或螺紋鋼(φ=20 mm)預(yù)埋件放入，孔與預(yù)埋件四周空隙用水泥砂漿或錨固劑填實(shí)(測點(diǎn)固定部位做成螺紋)，共設(shè)18個(gè)橋樁監(jiān)測點(diǎn)。橋頭沉降監(jiān)測點(diǎn)采用在橋頭鉆孔的形式，鉆出5 cm深的孔洞，埋入測點(diǎn)標(biāo)識(shí)，灌入標(biāo)號(hào)不低于C20的混凝土，上部加裝鋼制保護(hù)蓋，養(yǎng)護(hù)15 d以上;在橋梁兩端分別布設(shè)3個(gè)橋頭監(jiān)測點(diǎn)，共6個(gè)橋頭監(jiān)測點(diǎn)。管線沉降監(jiān)測點(diǎn)采用在管線上方的地表點(diǎn)代替，人工或鉆具成孔加設(shè)護(hù)筒和護(hù)罩保護(hù)，設(shè)9個(gè)管線監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖Fig.2 Layout of monitoring points

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)工程測點(diǎn)布設(shè)設(shè)計(jì)，監(jiān)測數(shù)據(jù)分為橋樁垂直位移、橋頭垂直位移和管線沉降3部分。管線監(jiān)測點(diǎn)可作為地表監(jiān)測點(diǎn)。盾構(gòu)推進(jìn)都是在姿態(tài)較好的狀態(tài)之下，推進(jìn)速度為2～8 cm/min。按照盾構(gòu)在不同區(qū)域?qū)蛄河绊懘笮〉年P(guān)系分為3個(gè)階段。

3.1 盾構(gòu)到達(dá)前階段

為了保證可靠的初始值及工程安全，要求監(jiān)測范圍為開挖斷面前150 m及開挖斷面后100 m。在盾構(gòu)到達(dá)橋端斷面前150 m時(shí)，對(duì)相關(guān)監(jiān)測點(diǎn)取初始值。當(dāng)開挖面距觀測點(diǎn)為3～7環(huán)時(shí)，由于盾構(gòu)推力對(duì)土體擾動(dòng)，引起土艙壓力波動(dòng)。當(dāng)開挖面土艙壓力偏高時(shí)，使得開挖面土體受擠壓，從而引起地表隆起;當(dāng)開挖面土艙壓力偏低時(shí)，造成盾構(gòu)開挖面應(yīng)力釋放，從而引起地表沉降。為保證安全側(cè)穿橋梁，盾構(gòu)改變直線推進(jìn)，偏向橋左側(cè)推進(jìn)。盾構(gòu)右側(cè)推力增加，引起右側(cè)土壓改變，使得橋臺(tái)開挖面土體受到擠壓變形。同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)體發(fā)生偏移，盾構(gòu)機(jī)體偏移使擠壓土體產(chǎn)生卸荷。盾構(gòu)右側(cè)土壓和盾構(gòu)機(jī)體偏移量如圖3和圖4所示。

圖3 盾構(gòu)右側(cè)土壓(單位:kPa)Fig.3 Pressure on right side of shield(kPa)

圖4 盾構(gòu)機(jī)體偏移量(單位:mm)Fig.4 Offset value of shield body(mm)

在此階段分析橋頭監(jiān)測點(diǎn)QT01，QT02，QT03及與其在同一縱斷面上相鄰的地表監(jiān)測點(diǎn)DB61，DB62，DB63。在盾構(gòu)到達(dá)橋頭斷面過程中，2類測點(diǎn)沉降關(guān)系如圖5所示。

在431環(huán)時(shí)改變推進(jìn)方向，盾構(gòu)發(fā)生偏移，盾構(gòu)在434環(huán)處右側(cè)土壓增加。盾構(gòu)機(jī)體偏移量增加，誘發(fā)地表沉降速率增加。地表監(jiān)測點(diǎn)從監(jiān)測開始處于變形沉降狀態(tài)，并且隨著盾構(gòu)的接近，變形速率隨之變大，沉降速率最大值在監(jiān)測點(diǎn)DB62，于6月9日沉降值為－1.2 mm;累計(jì)沉降最大值在監(jiān)測點(diǎn)DB61，沉降值為－3.2 mm。橋臺(tái)監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)變形值最大為0.6 mm，變形速率較小。橋頭監(jiān)測點(diǎn)和地表監(jiān)測點(diǎn)相對(duì)沉降值較小，在風(fēng)險(xiǎn)控制范圍內(nèi)。在此階段盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)橋梁影響較小。

圖5 地表監(jiān)測點(diǎn)與橋頭監(jiān)測點(diǎn)的沉降量Fig.5 Settlement of ground surface and bridge

3.2 盾構(gòu)側(cè)穿階段

該橋位于城區(qū)，交通比較繁忙，在橋梁上部動(dòng)荷載作用下，橋樁會(huì)產(chǎn)生變形和位移，并且河道內(nèi)有厚度很大的雜填土、素填土和卵石填土，隧道頂部為新近沉積層或者碎石土層，上述地層的滲透性均較大。當(dāng)土壓過低時(shí)，不僅容易造成地層的沉降，而且對(duì)盾構(gòu)軸線的控制也有影響。盾構(gòu)隧道在河道穿越地層為粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)中砂，對(duì)泡沫量進(jìn)行調(diào)整以更好地改變土體的塑流性，使土體變得更為均勻，可以較好地把壓力傳遞至開挖面上，避免開挖面的水土流失過多。在此階段土壓和注漿量如圖6和圖7所示。

圖6 盾構(gòu)側(cè)穿階段盾構(gòu)土壓(單位:kPa)Fig.6 Earth pressure of shield in side crossing phase(kPa)

當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入橋臺(tái)斷面開始監(jiān)測橋樁和管線，直至盾構(gòu)機(jī)尾離開另一端橋端斷面。圖8和圖9為盾構(gòu)側(cè)穿橋梁監(jiān)測點(diǎn)沉降值。

從452環(huán)至457環(huán)及498環(huán)至503環(huán)左側(cè)土壓降低80 kPa，通過加大同步注漿量彌補(bǔ)土層損失。其他時(shí)間段內(nèi)左側(cè)土壓在140 kPa左右。盾構(gòu)側(cè)穿橋梁階段，為了減小盾構(gòu)隧道推進(jìn)對(duì)橋樁的擠壓影響，右側(cè)土壓直到盾構(gòu)通過橋梁斷面維持在40 kPa左右較低狀態(tài)。設(shè)計(jì)理論注漿量為2.20～2.24 m3，如圖7顯示，最大注漿量為455 環(huán)時(shí)4.00 m3，最小注漿量為 504 環(huán)時(shí)的 0.30 m3，平均注漿量為2.40 m3。工程中注漿率為1.08。

圖7 盾構(gòu)側(cè)穿階段同步注漿量(單位:m3)Fig.7 Volume of simultaneous grouting in side crossing phase(m3)

圖8 橋樁監(jiān)測點(diǎn)沉降值Fig.8 Settlement of bridge piles

圖9 管線監(jiān)測點(diǎn)沉降值Fig.9 Settlement of utility lines

橋樁整體都在下沉，監(jiān)測點(diǎn)QD01在6月16日監(jiān)測沉降速率為－1.6 mm，是速率最大值，接近速率預(yù)警值(－1.7 mm);之后仍繼續(xù)下沉，最大累計(jì)沉降點(diǎn)為QD01，沉降值為－5.4 mm。所有橋梁右側(cè)監(jiān)測點(diǎn)沉降比左側(cè)沉降大，最大相對(duì)沉降差為3 mm。GXC20，GXC21位于隧道左側(cè)，受調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)方向而超出控制值(50 kPa)左側(cè)40 kPa土壓力的影響，在隧道推進(jìn)階段出現(xiàn)上浮。上側(cè)土壓40 kPa，注漿率1.08，但管線監(jiān)測點(diǎn)處于上浮狀態(tài)，監(jiān)測點(diǎn)GXC21隆起最大，累計(jì)最大值+2.6 mm。隧道上方覆土厚度及土層都會(huì)影響地表沉降。

3.3 盾構(gòu)離開階段

盾構(gòu)施工過程對(duì)土體的擾動(dòng)是一個(gè)從平衡到不平衡再到新的平衡的運(yùn)動(dòng)過程，在盾構(gòu)離開階段受擾動(dòng)土?xí)l(fā)生再固結(jié)。土體受擾動(dòng)后，土體發(fā)生持續(xù)長時(shí)間壓縮發(fā)生徐變，土體在蠕變過程中產(chǎn)生地面沉降。注漿液的強(qiáng)度隨時(shí)間的變化也是影響地表沉降的因素。

以管線點(diǎn)沉降變化可觀測盾構(gòu)通過后隧道結(jié)構(gòu)圍巖的變形穩(wěn)定情況，從橋樁沉降變化可知隧道周邊土體后期變化情形。圖10和圖11分別為盾構(gòu)繼通過橋梁后橋樁和管線監(jiān)測點(diǎn)沉降值。

圖10 盾構(gòu)通過之后橋樁監(jiān)測點(diǎn)沉降值Fig.10 Settlement of bridge piles after shield passing

圖11 盾構(gòu)通過之后管線監(jiān)測點(diǎn)沉降值Fig.11 Settlement of utility lines after shield passing

盾構(gòu)離開初期橋樁監(jiān)測點(diǎn)仍有沉降，之后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài);管線監(jiān)測點(diǎn)則處于穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)生顯著變化。QD04，QD08，QD13在此階段沉降大，橫向距離隧道越近，沉降變化越明顯。因此，橋梁橫向產(chǎn)生差異沉降，若差異沉降較大，橋梁結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生破裂，則影響橋梁安全。隧道上方的GXC22有明顯的沉降(在控制±10 mm范圍內(nèi))，地表沉降觀測后期則需注意受擾動(dòng)土再固結(jié);在后期巡視中，未發(fā)現(xiàn)管線有破壞現(xiàn)象。

同時(shí)觀測 QT04，QT05，QT06 及 DB66，DB67，DB68，橋臺(tái)沉降最大值為監(jiān)測點(diǎn)QT04，累計(jì)沉降－1.2 mm，最小值為監(jiān)測點(diǎn)QT06，累計(jì)沉降值為－0.4 mm;地表最大值為監(jiān)測點(diǎn)DB66，累計(jì)沉降值為－7.4 mm，最小值為DB67，累計(jì)沉降值為－3.6 mm。2類觀測點(diǎn)差異沉降最大值為7.0 mm，在風(fēng)險(xiǎn)控制范圍之內(nèi)，但相對(duì)于橋梁差異沉降值控制10.0 mm，此值接近于報(bào)警值。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，對(duì)盾構(gòu)側(cè)穿橋梁變形規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)合施工及監(jiān)測情況提出以下結(jié)論與建議:

1)在盾構(gòu)推進(jìn)階段，靠近開挖隧道一側(cè)的橋樁沉降持續(xù)時(shí)間較長，并且與遠(yuǎn)側(cè)橋樁的橫向差異沉降明顯。若隧道開挖擠壓變形過大，在上部荷載的作用下，將破壞橋樁所處的平衡狀態(tài)，橋樁產(chǎn)生變形，進(jìn)而危及橋樁的穩(wěn)定性;必要時(shí)，應(yīng)對(duì)橋樁進(jìn)行預(yù)加固。盾構(gòu)施工中需了解橋樁的深度、位置以及與隧道相對(duì)位置關(guān)系。

2)河道覆土較淺時(shí)，應(yīng)考慮隧道上覆土厚度對(duì)地表及建筑物的影響。管線前期發(fā)生上浮現(xiàn)象，由于后期的受擾動(dòng)土固結(jié)沉降，使得隧道上方的點(diǎn)出現(xiàn)明顯沉降。在不良地層，可能會(huì)出現(xiàn)地表冒漿的情況。若周邊管線的變形超過控制值，需防止管線接頭滲漏水使周邊土體軟化，進(jìn)一步加劇管線變形、管線前期上浮及后期的固結(jié)沉降。

3)改變盾構(gòu)推進(jìn)方向，會(huì)誘發(fā)地表沉降速率增加。橋頭與橋臺(tái)差異沉降值接近于控制值，需要后期長期監(jiān)測觀測。為了避免較大沉降，合理控制推進(jìn)土壓，增加同步注漿量，減小橋臺(tái)變形沉降。

［1］ 張?jiān)?，殷宗澤，徐永福，?盾構(gòu)法隧道引起的地表變形分析［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(3):388－392.(ZHANG Yun，YIN Zongze，XU Yongfu，et al.Analysis on three-dimensional ground surface deformations due to shield tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(3):388 －392.(in Chinese))

［2］ 黃宏偉，張冬梅.盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降及現(xiàn)場控制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20(S):1814－1820.(HUANG Hongwei，ZHANG Dongmei.Shield tunneling induced surface settlement and in-situ monitoring ［S］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20(S):1814 －1820.(in Chinese))

［3］ 魏綱.盾構(gòu)法隧道施工引起的土體變形預(yù)測［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(2):418 －424.(WEI Gang.Prediction of ground deformation induced by shield tunnelling construction［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(2):418 －424.(in Chinese))

［4］ 李東海，劉軍，蕭巖，等.盾構(gòu)隧道斜角下穿地鐵車站的影響與監(jiān)測研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(S):3186 －3191.(LI Donghai，LIU Jun，XIAO Yan，et al.Research on influence and monitoring of sheld tunnel obliquely crossing beneath existing subway station ［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(S):3186 －3191.(in Chinese))

［5］ 徐俊杰.土壓式盾構(gòu)引起的地表沉降分析［D］.成都:西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2002.(XU Junjie.Analysis of ground surface settlement due to the tunnel construction with EPB shield［D］.Chengdu:School of Mechenical Engineering，Southwest Jiaotong University，2002.(in Chinese))

［6］ 胡長明，張文萃，梅源，等.土壓平衡盾構(gòu)穿越含沙土層地表變形規(guī)律與控制技術(shù)［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，45(3):341 － 437.(HU Changming，ZHANG Wencui，MEI Yuan，et al.The earth surface deformation and control technology as EPB shield machine driving through layer with sand ［J］.Journal of Xi’an University ofArchitecture Technology:NaturalScience Edition，2013，45(3):341 －437.(in Chinese))

［7］ 彭坤，陶連金，高春玉，等.盾構(gòu)隧道下穿橋梁引起樁基變?yōu)榈臄?shù)值分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012，8(3):485 －489.(PENG Kun，TAO Lianjin，GAO Chunyu，et al.Numerical analysis of bridge pile deformation caused by shield tunnel construction underneath［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2012，8(3):485 －489.(in Chinese))

［8］ 馬少坤，WONG K S，呂虎，等.膨脹土地基中隧道施工對(duì)群樁影響研究 ［J］.巖土力學(xué)，2013，34(11):3055－3060.(MA Shaokun，WONG K S，LV Hu，et al.Study of effects of tunnel construction on pile group in expansive soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2013，34(11):3055 －3060.(in Chinese))

［9］ 郭一斌，張立明，鄭剛，等.盾構(gòu)施工對(duì)大型立交超長樁工作性狀的影響［J］.巖土力學(xué)，2014，35(10):2941－2949.(GUO Yibin，ZHANG Liming，ZHENG Gang，et al.Influence of shield tunneling on working performance of large interchange’s super-long piles［J］.Rock and Soil Mechanics，2014，35(10):2941 －2949.(in Chinese))

［10］ 張恒，陳壽根，鄧稀肥.盾構(gòu)法施工對(duì)地表及橋梁樁基的影響分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7(3):552－557.(ZHANG Heng， CHEN Shougen， DENG Xifei.Analysis on influence of shield tunneling on ground and bridge pile［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering ，2011，7(3):552 －557.(in Chinese))

［11］ 中華人民共和國建設(shè)部.JGJ 8—2007建筑變形測量規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007:46－87.(Ministry of Construction of the People’s Republic of China.JGJ 8—2007，Code for deformation measurement of building and structure［S］.Beijing:China Architecture ＆Building Press，2007:46 －87.(in Chinese))