綜合管廊近距離穿越既有橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)控制研究*

董留群，張亞楠，柳 獻(xiàn)

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2.中交(成都)城市開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 641402)

1 工程概況及風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

1.1 工程概況

某城市中心城區(qū)環(huán)城地下綜合管廊是國(guó)內(nèi)首條采用6m直徑盾構(gòu)建設(shè)的城市地下綜合管廊，該項(xiàng)目沿該城市軌道交通11號(hào)線路敷設(shè)并同步建設(shè)，主線線路總長(zhǎng)約44.9km，在里程DK10+681.423—DK10+717.371，近距離穿越某路跨某鐵路立交橋，隧道施工工法為礦山法和盾構(gòu)法，如圖1a所示。礦山法隧道與工作井相接，長(zhǎng)15m，已施工完成，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，礦山法隧道施工過(guò)程對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)的變形幾乎無(wú)影響。因此，本文主要針對(duì)盾構(gòu)近距離穿越施工對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全性影響進(jìn)行分析。

圖1 綜合管廊與某路跨某鐵路立交橋位置關(guān)系(單位：m)

某路跨某鐵路立交橋橋樁為鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)6.5～17.3m，樁徑1.2～1.5m，上部結(jié)構(gòu)為跨徑18m簡(jiǎn)支鋼筋混凝土箱梁，根據(jù)橋梁權(quán)屬單位提供的橋梁結(jié)構(gòu)鑒定資料顯示，穿越段橋梁結(jié)構(gòu)鑒定為C類(lèi)。穿越段盾構(gòu)隧道埋深約13.63m，盾構(gòu)隧道與既有橋梁結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系如圖1b所示，隧道南側(cè)橋樁與隧道最小水平距離7.94m，樁底距離隧道頂0；隧道北側(cè)橋樁與隧道最小水平距離2.7m，樁底距離隧道頂2.15m。

1.2 主要風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

通過(guò)結(jié)合工程特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際調(diào)研，本文進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析，如表1所示?？梢?jiàn)，在地下綜合管廊工程盾構(gòu)區(qū)間穿越某路立交橋施工過(guò)程中，風(fēng)險(xiǎn)主要存在于盾構(gòu)施工準(zhǔn)備、盾構(gòu)空推及盾構(gòu)施工等環(huán)節(jié)；同時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致周邊建(構(gòu))筑物和地面沉降、橋梁樁基沉降等風(fēng)險(xiǎn)后果。

本文將表1列出的風(fēng)險(xiǎn)后果歸并，得到施工期面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)后果為建(構(gòu))筑物沉降或位移，進(jìn)而導(dǎo)致其開(kāi)裂。同時(shí)，盾構(gòu)穿越施工會(huì)引起地層擾動(dòng)，使橋梁結(jié)構(gòu)樁基及承臺(tái)發(fā)生變形，并影響橋梁結(jié)構(gòu)安全性。而橋梁結(jié)構(gòu)變形與最大允許變形關(guān)系體現(xiàn)了既有橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀況，過(guò)大變形會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下沉或開(kāi)裂。地面沉降變形與最大允許沉降變形關(guān)系則可反映盾構(gòu)施工控制效果及盾構(gòu)施工安全性。這也是綜合管廊近距離穿越既有橋梁結(jié)構(gòu)面臨的主要安全風(fēng)險(xiǎn)控制指標(biāo)。在數(shù)值模型分析及施工過(guò)程中也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這2個(gè)指標(biāo)。

本文將表1列出的風(fēng)險(xiǎn)后果歸并，得到施工期面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)后果為建(構(gòu))筑物沉降或位移，進(jìn)而導(dǎo)致其開(kāi)裂。同時(shí)，盾構(gòu)穿越施工會(huì)引起地層擾動(dòng)，使橋梁結(jié)構(gòu)樁基及承臺(tái)發(fā)生變形，并影響橋梁結(jié)構(gòu)安全性。而橋梁結(jié)構(gòu)變形與最大允許變形關(guān)系體現(xiàn)了既有橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀況，過(guò)大變形會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下沉或開(kāi)裂。地面沉降變形與最大允許沉降變形關(guān)系則可反映盾構(gòu)施工控制效果及盾構(gòu)施工安全性。這也是綜合管廊近距離穿越既有橋梁結(jié)構(gòu)面臨的主要安全風(fēng)險(xiǎn)控制指標(biāo)。在數(shù)值模型分析及施工過(guò)程中也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這2個(gè)指標(biāo)。

表1 主要風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別情況

考慮到既有橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)和近距離施工風(fēng)險(xiǎn)性，盾構(gòu)穿越施工風(fēng)險(xiǎn)控制方案擬定如下。

1)劃分試驗(yàn)段、穿越段和保護(hù)段，結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果和施工經(jīng)驗(yàn)確定試驗(yàn)段盾構(gòu)施工參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)段掘進(jìn)和信息化監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，制定穿越段掘進(jìn)參數(shù)，并進(jìn)一步在保護(hù)段平穩(wěn)通過(guò)，確保施工安全。

2)預(yù)埋袖閥管，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)注漿。

3)制訂應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)對(duì)緊急情況。

2 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析模型

對(duì)該綜合管廊盾構(gòu)區(qū)間穿越某路立交橋?qū)ｍ?xiàng)施工方案安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要包括：①采用三維數(shù)值模型分析，計(jì)算對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)量化指標(biāo)，評(píng)估穿越過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)大??；②基于數(shù)值分析結(jié)果及風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估，提出施工風(fēng)險(xiǎn)控制方法并應(yīng)用于工程實(shí)踐。

本節(jié)主要介紹數(shù)值模型分析方面的內(nèi)容。

2.1 工程條件

該綜合管廊盾構(gòu)法隧道采用外徑6.0m、內(nèi)徑5.4m鋼筋混凝土預(yù)制管片，管片厚300mm，環(huán)寬1.5m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50。管片環(huán)間采用錯(cuò)縫拼裝，每環(huán)管片環(huán)間采用12根M24螺栓連接，環(huán)內(nèi)采用10根M24螺栓連接。穿越段地層由上至下為：①1填土、②1B淤泥質(zhì)土、③1粉細(xì)砂、⑤N-2粉質(zhì)黏土、⑦1強(qiáng)風(fēng)化粉砂礫巖、⑧1中風(fēng)化粉砂礫巖、⑧3中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑨1微風(fēng)化粗砂礫巖。

2.2 有限元模型及參數(shù)設(shè)置

基于該綜合管廊近距離穿越某路跨某鐵路立交橋工程案例，采用MIDAS/GTS建立三維數(shù)值分析模型。按實(shí)際尺寸110m×100m×60m建模，包括綜合管廊礦山法隧道、盾構(gòu)法隧道和橋梁上部結(jié)構(gòu)、承臺(tái)結(jié)構(gòu)、梯段結(jié)構(gòu)及橋樁結(jié)構(gòu)，邊界條件為側(cè)面約束法向位移，底部約束x，y，z3個(gè)方向的位移，三維模型如圖2所示。模型中，地層采用修正莫爾-庫(kù)侖彈塑性模型，采用的土體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示，立交橋樁基采用樁單元，橋墩、梁、承臺(tái)采用3D實(shí)體單元，暗挖段隧道、盾構(gòu)法隧道采用殼單元進(jìn)行模擬，錨桿采用植入式桁架單元，結(jié)構(gòu)材料按彈性本構(gòu)考慮，參數(shù)根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015年版)選取，如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)

圖2 綜合管廊穿越某路跨某鐵路立交橋數(shù)值分析模型(單位：m)

表2 巖土計(jì)算參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬過(guò)程

為真實(shí)反映初始應(yīng)力狀態(tài)、綜合管廊穿越施工及參數(shù)調(diào)整對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，各階段應(yīng)力釋放比例分別為：開(kāi)挖階段釋放30%，管片拼裝階段釋放60%，隧道貫通后釋放10%。本次數(shù)值模擬主要步驟如下。

1)根據(jù)實(shí)際地層參數(shù)給相應(yīng)的幾何模型賦予參數(shù)并進(jìn)行地應(yīng)力平衡。

2)生成立交橋，根據(jù)實(shí)際情況賦予結(jié)構(gòu)參數(shù)，清零位移場(chǎng)。

3)進(jìn)行隧道分步開(kāi)挖及支護(hù)，模擬綜合管廊穿越施工過(guò)程，計(jì)算得到地層位移和既有橋梁結(jié)構(gòu)受力變形情況。

2.4 模擬結(jié)果及結(jié)構(gòu)安全分析

本文基于橋梁結(jié)構(gòu)變形及地面沉降變形計(jì)算結(jié)果，判別綜合管廊穿越施工過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)安全性及施工風(fēng)險(xiǎn)控制效果。據(jù)前述模擬步序?qū)C合管廊近距離穿越施工的計(jì)算，得到地表及隧道結(jié)構(gòu)豎向總位移，如圖3所示，可見(jiàn)綜合管廊隧道穿越施工后，土體總位移最大值為4.45mm，豎向位移最大值為3.91mm，沿隧道軸向位移最大值為1.12mm，垂直于隧道軸向擠出位移最大值為2.22mm。另外，綜合管廊隧道結(jié)構(gòu)總位移最大值為3.62mm，豎向位移最大值為3.60mm，沿隧道軸向位移最大值為0.54mm，垂直于隧道軸向擠出位移最大值為2.54mm。

圖3 土體及隧道結(jié)構(gòu)位移

綜合管廊隧道穿越施工后，既有橋梁結(jié)構(gòu)位移情況如圖4所示，可知盾構(gòu)隧道穿越施工后，橋梁樁基總位移1.34mm，其中x，y，z方向的最大位移分別為0.18，0.55，1.33mm，相鄰樁基最大沉降差為0.13mm，相鄰橋墩最大沉降差為0.2mm；承臺(tái)結(jié)構(gòu)總位移為1.34mm，其中x，y，z方向的最大位移分別為0.05，0.26，1.33mm，相鄰承臺(tái)最大沉降差為0.4mm；上部結(jié)構(gòu)總位移為1.33mm，其中x，y，z方向的最大位移分別為0.13，0.33，1.32mm；梯段結(jié)構(gòu)總位移為4.45mm，其中x，y，z方向的最大位移分別為0.47，1.15，4.43mm。

圖4 橋梁結(jié)構(gòu)位移

據(jù)上述結(jié)果，得到綜合管廊穿越施工過(guò)程中各控制因素安全指標(biāo)，如表4所示，可知綜合管廊近距離穿越既有橋梁施工過(guò)程中，既有橋梁結(jié)構(gòu)各位移值均滿(mǎn)足規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)要求，穿越施工過(guò)程安全可控。其中，安全系數(shù)最小的結(jié)構(gòu)為梯段結(jié)構(gòu)(3.4)，該結(jié)構(gòu)為天然基礎(chǔ)，安全性主要由天然地基承載力決定，由于穿越過(guò)程中地表位移最大，故其安全系數(shù)最小。安全系數(shù)第2小的為隧道結(jié)構(gòu)，故在施工過(guò)程中應(yīng)注重梯段結(jié)構(gòu)及施工自身風(fēng)險(xiǎn)控制。

表4 綜合管廊穿越施工過(guò)程中各控制因素安全指標(biāo)

3 施工風(fēng)險(xiǎn)控制

由于本次綜合管廊穿越既有橋梁結(jié)構(gòu)距離近，既有橋梁結(jié)構(gòu)服役時(shí)間長(zhǎng)、鑒定為C類(lèi)結(jié)構(gòu)，服役性能較差。因此，通過(guò)建立三維數(shù)值分析模型，對(duì)穿越施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行分析。結(jié)合該工程地質(zhì)情況及以往施工經(jīng)驗(yàn)，初步制定盾構(gòu)穿越施工參數(shù)及風(fēng)險(xiǎn)控制方案，通過(guò)信息化監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)，確定最終穿越施工參數(shù)。從源頭降低風(fēng)險(xiǎn)，確保穿越施工風(fēng)險(xiǎn)可控，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全。針對(duì)綜合管廊近距離穿越既有橋梁結(jié)構(gòu)，施工風(fēng)險(xiǎn)控制方案主要包括施工準(zhǔn)備、盾構(gòu)施工措施、監(jiān)控量測(cè)及應(yīng)急預(yù)案。

3.1 施工準(zhǔn)備

施工前對(duì)跨某鐵路立交橋竣工圖資料進(jìn)一步復(fù)核確認(rèn)，全面掌握既有橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)信息，定測(cè)橋樁位置進(jìn)行復(fù)核，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估及初始狀態(tài)記錄，征得權(quán)屬單位同意，和權(quán)屬單位簽訂安全協(xié)議，編制聯(lián)動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。摸清周邊管線情況，進(jìn)行必要的地質(zhì)補(bǔ)勘，編制專(zhuān)項(xiàng)施工方案，指導(dǎo)實(shí)際施工。

3.2 盾構(gòu)施工措施

為更好控制施工風(fēng)險(xiǎn)，將盾構(gòu)施工劃分為試驗(yàn)段、穿越段和保護(hù)段，其中試驗(yàn)段為穿越段前20m，穿越段為盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)進(jìn)入穿越橋梁起始里程點(diǎn)前6m至盾尾脫出高架的終止里程點(diǎn)后6m，保護(hù)段為穿越段后24m。

在盾構(gòu)試驗(yàn)段，根據(jù)數(shù)值分析、地質(zhì)勘察資料和施工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定多種推進(jìn)參數(shù)、嘗試不同推進(jìn)模式，掌握同類(lèi)型地層的地質(zhì)特性、變形規(guī)律。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)穿越施工過(guò)程中推進(jìn)速度、出土量、土倉(cāng)壓力、膨潤(rùn)土注入情況、總推力、掘進(jìn)速度、注漿量及注漿壓力、泡沫參數(shù)設(shè)置、土體改良劑注入情況與地表沉降量、深層土體變形情況進(jìn)行詳細(xì)、科學(xué)的多參數(shù)聯(lián)動(dòng)分析，掌握不同地層中盾構(gòu)機(jī)參數(shù)與地層位移規(guī)律及結(jié)構(gòu)受力狀況的關(guān)系。施工過(guò)程信息化監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)為調(diào)整優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)提供了重要依據(jù)，調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)，獲得穿越段盾構(gòu)施工參數(shù)，優(yōu)化數(shù)值分析模型。同時(shí)，在試驗(yàn)段需預(yù)先調(diào)整好盾構(gòu)姿態(tài)，以較好姿態(tài)穿越橋樁。

在盾構(gòu)穿越段，對(duì)根據(jù)試驗(yàn)段獲得的盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如表5所示。及時(shí)進(jìn)行同步注漿和二次注漿，同步注漿漿液凝膠時(shí)間4h，注漿配合比為水泥∶砂∶粉煤灰∶水∶膨潤(rùn)劑=160∶600∶370∶500∶50。二次注漿壓力為0.3MPa，每孔注漿量控制在0.8m3，二次注漿時(shí)遵循少量、慢速、低壓、多次、跳孔注漿。在穿越施工過(guò)程中，根據(jù)土體及橋梁結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，控制土體位移和橋梁結(jié)構(gòu)位移，確保橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全，控制施工風(fēng)險(xiǎn)。

表5 綜合管廊穿越施工過(guò)程中掘進(jìn)參數(shù)

在盾構(gòu)保護(hù)段，為確保整個(gè)穿越過(guò)程成功，有效控制地面沉降，在該區(qū)段施工時(shí)仍需對(duì)土壓力、推進(jìn)速度、出土量、注漿量和注漿壓力設(shè)定與地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，嚴(yán)格控制土體沉降和位移，保證盾構(gòu)穿越穩(wěn)定性，確保既有橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全。

3.3 監(jiān)控量測(cè)及應(yīng)急預(yù)案

本次綜合管廊近距離穿越既有橋梁結(jié)構(gòu)施工采用信息化監(jiān)測(cè)，快速采集和處理數(shù)據(jù)，并及時(shí)傳送至盾構(gòu)操作室，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，控制穿越施工風(fēng)險(xiǎn)，其中監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不限于土體位移、隧道結(jié)構(gòu)拱頂位移、橋梁結(jié)構(gòu)裂縫、傾斜、沉降等。在穿越施工前準(zhǔn)備好應(yīng)急物資，并制訂相應(yīng)的應(yīng)急方案，信息化監(jiān)測(cè)及應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)流程如圖5所示。在穿越施工過(guò)程中，如橋梁沉降出現(xiàn)報(bào)警情況，將首先啟動(dòng)預(yù)埋袖閥管注漿方案控制沉降。穿越施工結(jié)束后，應(yīng)對(duì)土體及橋梁結(jié)構(gòu)位移等監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收斂穩(wěn)定后方可結(jié)束。

圖5 信息化監(jiān)測(cè)及應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)流程

4 施工控制風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果

施工過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算值對(duì)比如表6所示，可知優(yōu)化后數(shù)值模型分析結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合，土體最大位移為4.3mm，橋梁樁基及承臺(tái)結(jié)構(gòu)最大位移為1.3mm，梯段結(jié)構(gòu)最大位移為4.2mm，土體位移及橋梁結(jié)構(gòu)位移均滿(mǎn)足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全性良好。本次穿越施工過(guò)程監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，根據(jù)數(shù)值計(jì)算和施工經(jīng)驗(yàn)初步制訂施工風(fēng)險(xiǎn)控制方案，通過(guò)試驗(yàn)段掘進(jìn)和信息化監(jiān)測(cè)反饋調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)，并進(jìn)一步完善風(fēng)險(xiǎn)控制方案和分析模型，具有較高的可行性，風(fēng)險(xiǎn)控制效果較好，可保證既有結(jié)構(gòu)安全性。

表6 綜合管廊近距離穿越某路跨某鐵路立交橋過(guò)程計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值對(duì)比 mm

5 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果、地質(zhì)情況及工程經(jīng)驗(yàn)初步制訂施工風(fēng)險(xiǎn)控制方案，通過(guò)試驗(yàn)段掘進(jìn)及信息化反饋調(diào)整參數(shù)，進(jìn)一步完善風(fēng)險(xiǎn)控制方案，形成了一套行之有效的包含數(shù)值模擬、施工反饋、施工控制的安全風(fēng)險(xiǎn)控制方案，具有較好的實(shí)施效果。

2)數(shù)值分析探明了施工風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵控制指標(biāo)，為施工提供了指導(dǎo)建議。同時(shí)，穿越施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果基本吻合，土體數(shù)值計(jì)算最大位移為4.45mm，實(shí)測(cè)位移為4.3mm，橋梁結(jié)構(gòu)各指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求，表明穿越施工風(fēng)險(xiǎn)控制方案較合理。

3)本次穿越施工過(guò)程中，信息化監(jiān)測(cè)反饋施工為調(diào)整優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)提供了重要依據(jù)，是完善風(fēng)險(xiǎn)控制方案的關(guān)鍵因素，且以土體及結(jié)構(gòu)變形作為主控指標(biāo)具有可行性，建議在相近工程中開(kāi)展推廣應(yīng)用。