基于數(shù)值模擬的盾構(gòu)近距離穿越箱涵施工技術(shù)

周 舟 李乾峰 谷海華 徐書偉 蔡攀攀

中建三局集團有限公司工程總承包公司 湖北 武漢 430061

1 工程概況

1.1 箱涵概況

長沙地鐵4號線某區(qū)間隧道長855.202 m，埋深8.00～18.00 m，線間距15 m。隧道左、右線先后各2次橫穿雨水箱涵和過水箱涵（圖1）。雨水箱涵沿福元路大橋敷設(shè)，與隧道垂直凈距離為0.96 m，隧道頂部埋深10 m。過水箱涵橫跨瀟湘北路，兩端敞口，與隧道垂直凈距離1.84 m，隧道頂部埋深15.4 m。2個箱涵是截面尺寸、壁厚相同的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，截面尺寸7.2 m×3.7 m，壁厚600 mm。

圖1 區(qū)間隧道與箱涵的下穿關(guān)系

1.2 工程地質(zhì)概況

雨水箱涵位置的地層情況為：雜填土（厚5.8 m）、粉質(zhì)黏土（厚1.6 m）、黏土（厚0.8 m）、強風(fēng)化巖（厚6.2 m）和中風(fēng)化巖。洞身范圍內(nèi)為強、中風(fēng)化板巖。

過水箱涵位置地層情況為：雜填土（厚12.6 m）、黏土（厚1.4 m）、強風(fēng)化巖（厚2.6 m）、中風(fēng)化巖（厚2.4 m）和微風(fēng)化板巖。洞身范圍內(nèi)為強、中、微風(fēng)化板巖。

2 施工勘察與箱涵現(xiàn)場調(diào)查

2.1 施工勘察

過水箱涵位置的地貌為原天然的排水溝，存在淤泥層或軟弱土層，修建時需要進行地基處理，如果是采用拋石擠淤方法，則箱涵與隧道之間的土體大部分為塊石。盾構(gòu)刀盤切削塊石層，容易導(dǎo)致拱頂塊石松動或坍塌，增大了盾構(gòu)下穿風(fēng)險。為了解過水箱涵位置的地層情況，對箱涵兩側(cè)進行施工勘察?？辈禳c共設(shè)4個，布置在箱涵兩側(cè)0.8 m的位置，且都在隧道平面外，深度為隧道底以下3 m。勘察結(jié)果與詳勘報告基本相同，無塊石層。

2.2 箱涵現(xiàn)場調(diào)查

箱涵的實際位置與設(shè)計圖紙的位置存在施工誤差或者施工偏差，當(dāng)偏差較大時，箱涵與隧道之間垂直距離可能更小，甚至侵入隧道內(nèi)。施工、技術(shù)和測量人員對箱涵的位置、標(biāo)高進行測量，確定了實際位置與設(shè)計位置基本相同，并請專業(yè)蛙人下井調(diào)查了箱涵的結(jié)構(gòu)形式、尺寸、沉降縫位置、水流量。

經(jīng)調(diào)查，雨水箱涵在隧道左右50 m范圍內(nèi)有3處井蓋，箱涵內(nèi)水位高1.1 m（底部積淤厚度0.8～0.9 m）。箱涵內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)施工縫及沉降縫，在YS6井西側(cè)7 m處箱涵北側(cè)側(cè)墻上有1條斜向裂縫（長約1 m），未形成貫通裂縫，裂縫位于隧道右線輪廓線以西1 m（圖2）。

過水箱涵兩頭開放，全長70.2 m，箱涵內(nèi)常水位水深0.7 m，水流平緩。過水箱涵每隔約14 m有1道施工縫，其中有1道施工縫位于右線隧道軸線西側(cè)2 m處（圖3）。

圖2 雨水箱涵裂縫位置示意

圖3 過水箱涵施工縫位置示意

3 箱涵模擬模型建立

為預(yù)測盾構(gòu)下穿箱涵產(chǎn)生的影響，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D進行了數(shù)值模擬，分析隧道施工對箱涵變形及地表的沉降。結(jié)合盾構(gòu)施工過程，分4個階段進行模擬：盾構(gòu)機刀盤臨近箱涵，盾構(gòu)刀盤位于箱涵正下方，盾尾脫出箱涵，盾尾遠(yuǎn)離箱涵。下穿箱涵的三維模型長寬高為42 m×50 m×22.24 m（圖4），隧道軸線埋深13.04 m，箱涵位于模型中部，為一整體實體單元，對模型相應(yīng)位置施加20 kPa均布荷載，模擬地表受荷情況。巖土體、雨水箱涵均采用基于Mohr-Coulomb本構(gòu)模型的實體單元進行模擬，盾殼、管片均為彈性殼單元（Shell）。

圖4 盾構(gòu)下穿箱涵模型

經(jīng)計算，箱涵沉降主要發(fā)生在第2、3階段，約占總沉降的80%，過水箱涵最大沉降為6.8 mm，雨水箱涵最大沉降為3.2 mm。

4 箱涵加固方案

在無預(yù)加固措施的條件下，盾構(gòu)下穿箱涵存在一定的風(fēng)險，為化解可能出現(xiàn)的風(fēng)險，采用預(yù)埋袖閥管和二次注漿的應(yīng)急預(yù)案措施。當(dāng)沉降數(shù)據(jù)報警時，立即進行地面袖閥管跟蹤注漿，同時在洞內(nèi)成型管片背后進行二次注漿，以確保箱涵和地面沉降趨于穩(wěn)定[1-4]。

4.1 預(yù)埋袖閥管

在箱涵兩側(cè)1 m的位置各預(yù)埋1排袖閥管（圖5），袖閥管間距1 m，埋設(shè)深度為箱涵下2 m。袖閥管施工時注意預(yù)埋管方向，避免打入隧道范圍內(nèi)，對盾構(gòu)施工造成影響。預(yù)埋袖閥管主要是一種應(yīng)急措施，即當(dāng)累計沉降大于30 mm時，對袖閥管進行注漿，防止沉降進一步擴大而造成安全事故。

圖5 袖閥管埋設(shè)位置設(shè)計示意

4.2 二次注漿

在盾構(gòu)機連接橋上放置注漿機、水泥、水玻璃等設(shè)備及材料，出現(xiàn)沉降過大、隧道漏水等異常現(xiàn)象時，立即進行二次注漿。注漿材料為水泥漿、水玻璃的混合雙液漿，水泥漿與水玻璃的體積比1∶1，漿液初始凝結(jié)時間控制在20～48 s。水泥漿現(xiàn)場拌制，水泥與水質(zhì)量比為1∶1。

4.3 取消鋼套管加固

原設(shè)計對箱涵施工縫位置進行鋼套管加固，但考慮箱涵都位于城市主干道正下方，早晚高峰期車流量大，且進入雨水箱涵僅有直徑1 m的檢查井，材料放入困難，以及箱涵內(nèi)部淤泥厚約1 m，作業(yè)環(huán)境惡劣，風(fēng)、水、電接入困難等一系列難題，鋼套管施工的實施難度相當(dāng)大?；谙浜膶嶋H情況和FLAC3D模擬分析結(jié)果，項目組織盾構(gòu)、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)方面的專家和建設(shè)、設(shè)計、地勘、監(jiān)理等單位人員，對箱涵取消鋼套管加固進行評審，專家一致認(rèn)為：在做好應(yīng)急預(yù)案、優(yōu)化掘進參數(shù)、加強信息化施工和監(jiān)控量測的前提下，可取消鋼套筒加固。

5 盾構(gòu)掘進施工方案

5.1 箱涵掘進前準(zhǔn)備工作

1）工程部、技術(shù)部、測量人員提前10～30環(huán)開始收集、分析掘進參數(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)沉降數(shù)據(jù)動態(tài)優(yōu)化掘進參數(shù)。

2）保證現(xiàn)場至少20環(huán)合格的管片、注漿材料、防水材料、盾構(gòu)機耗材及零配件等。

3）清空渣土池，保證盾構(gòu)掘進通過箱涵前一環(huán)時渣土池至少有20環(huán)倒渣容量。

4）檢查盾構(gòu)機及后配套設(shè)備的日常維修保養(yǎng)，確保掘進通過箱涵時設(shè)備運轉(zhuǎn)正常。

5.2 掘進參數(shù)控制

掘進參數(shù)控制主要是沉降數(shù)據(jù)、土倉壓力和出渣量。當(dāng)單次沉降值大于1 mm時，應(yīng)該減少出渣量，提高土倉壓力，每環(huán)土倉壓力提高值不超過50 kPa，直至單次沉降數(shù)據(jù)在1 mm內(nèi)；當(dāng)單次隆起大于0.5 mm時，應(yīng)該加大出渣量，降低土倉壓力，每環(huán)土倉壓力降低值不超過50 kPa。

5.3 施工過程控制

1）推進過程應(yīng)保持盾構(gòu)機有良好的姿態(tài)，嚴(yán)禁對盾構(gòu)機糾偏過急，造成姿態(tài)劇烈起伏變化，水平前端控制在20～30 mm，垂直前端控制在設(shè)計軸線以下10～30 mm。

2）加強注漿管理，在盾構(gòu)通過后3～5環(huán)立即進行二次注漿，臺車通過后對箱涵位置再次補充注漿。

3）加強沉降監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)地表沉降值大于30 mm時，對箱涵進行袖閥管注漿，盾構(gòu)機操作手在停機前應(yīng)確保頂部土壓力在120 kPa以上。

4）保證泡沫管暢通，本段掘進過程原則上要求全過程加注泡沫劑溶液，注入泡沫時為避免過大的氣流量，造成噴涌或土倉氣壓丟失產(chǎn)生壓力驟減，可采用手動模式調(diào)節(jié)空氣流量、調(diào)小泡沫槍流量及調(diào)整泡沫槍注入路數(shù)等措施，以降低土倉內(nèi)的空氣壓力。

5）掘進施工過程中派專人對地面進行巡視。發(fā)現(xiàn)地面有裂縫等異?，F(xiàn)象時，立即上報至工作群，由值班領(lǐng)導(dǎo)組織人員制訂處理措施。

6 施工監(jiān)測方案及結(jié)果分析

6.1 監(jiān)測點布設(shè)及監(jiān)測頻率

1）箱涵埋深大，而且入口很小，在箱涵內(nèi)部設(shè)置監(jiān)測點困難，人員進行監(jiān)測更加困難。一般的地面沉降監(jiān)測點不能快速反映箱涵的沉降變形，為更加準(zhǔn)確地測量箱涵沉降情況，在箱涵與隧道交叉的位置加密布設(shè)4個監(jiān)測點，監(jiān)測點埋設(shè)深度至箱涵頂板，要求套管和鋼筋底端都要與箱涵頂板相接觸，并灌入細(xì)沙填充，以提高監(jiān)測點的測量靈敏度（圖6、圖7）。

圖6 加密監(jiān)測點平面布設(shè)示意

2）盾構(gòu)穿越箱涵過程中，每30 min進行沉降監(jiān)測，測量數(shù)據(jù)上傳至工作群，并標(biāo)明是否正常。

6.2 監(jiān)測結(jié)果分析

圖7 加密監(jiān)測點橫截面布設(shè)示意

1）雨水箱涵。區(qū)間右線穿越雨水箱涵，盾構(gòu)刀盤到達(dá)箱涵時對應(yīng)的掘進環(huán)號為14環(huán)，盾尾脫出對應(yīng)環(huán)號為20環(huán)，沉降主要集中在14～24環(huán)，最大累計沉降為7.13 mm，與模擬結(jié)果的最大累計沉降6.80 mm相近，且符合設(shè)計及規(guī)范要求。

2）過水箱涵。區(qū)間右線穿越過水箱涵，盾構(gòu)刀盤到達(dá)箱涵時對應(yīng)的掘進環(huán)號為134環(huán)，盾尾脫出對應(yīng)環(huán)號為140環(huán)，沉降主要集中在134～144環(huán)，最大累計沉降為2.93 mm，與模擬結(jié)果的最大累計沉降3.20 mm相近，且符合設(shè)計及規(guī)范要求。

7 結(jié)語

1）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實際沉降數(shù)據(jù)，盾構(gòu)在下穿箱涵的過程中，刀盤穿過箱涵和盾尾脫出箱涵2個階段出現(xiàn)的沉降最大，約占總沉降的80%。施工中要重點加強這2個階段的控制。

2）雨水箱涵和過水箱涵累計沉降分別為－7.13、－2.93 mm，不同的條件下產(chǎn)生不同的沉降。箱涵的最終沉降與埋深、地質(zhì)、土倉壓力及箱涵與隧道之間土體厚度等因素有關(guān)，埋深越深、土倉壓力越大、與隧道之間土體越厚，沉降越小。需要注意的是，土倉壓力設(shè)置太大，會引起箱涵隆起，也是一種不利的情況，施工過程中應(yīng)該合理控制土倉壓力大小。

3）在取消鋼套管加固的基礎(chǔ)上，盾構(gòu)通過了箱涵，不僅節(jié)約了人工、材料的成本，而且減少加固施工臨時占用城市道路的時間，降低對交通的影響。

4）本工程左、右線盾構(gòu)先后4次安全順利穿越箱涵，相關(guān)的施工技術(shù)措施，對盾構(gòu)下穿大截面鋼筋混凝土且箱涵和隧道土體預(yù)加固施工困難的工程具有參考意義。