復(fù)合地層盾構(gòu)隧道近距離下穿橋基施工控制技術(shù)

盧澤霖，王旭春，馮 磊，朱 珍

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266033)

截止到2019年底，我國共有40個城市開通了城市地鐵(不含港澳臺地區(qū))，總運營里程達(dá)6736 km，比2018年新增運營里程975 km[1].在地鐵隧道施工中，盾構(gòu)法因為其掘進(jìn)安全性能高、掘進(jìn)速度快已經(jīng)逐漸成為了主流的施工方法.隨著地面交通路網(wǎng)的日益完善，盾構(gòu)機在施工過程中不可避免地需要穿越各種構(gòu)筑物，使得盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對施工控制技術(shù)提出更高的要求.

對于盾構(gòu)穿越橋梁基礎(chǔ)方面，國內(nèi)眾多學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究[2-5]，如朱連臣等[6]結(jié)合長沙軌道交通3號線盾構(gòu)隧道下穿京廣鐵路框架橋工程，提出了袖閥管注漿加固與深層二次注漿措施，并探討了地層加固前后盾構(gòu)下穿鐵路框架橋及地表變形特征；黃新民[7]依托鄭州地鐵1號線下穿人行天橋基礎(chǔ)工程，提出了“頂托+加固”的方法對人行天橋進(jìn)行保護(hù)，并采用數(shù)值分析對不采取保護(hù)措施、僅采取頂托保護(hù)和“頂托+注漿”3種工況的橋基位移和應(yīng)力進(jìn)行對比，得到“頂托+加固”能顯著改善隧道的施工條件；高志剛等[8]采用FLAC3D對南京地鐵S8線某段盾構(gòu)隧道下穿既有寧啟鐵路進(jìn)行分析，并提出了對鐵路路基采取地基注漿加固的處理措施.由此可見，目前文獻(xiàn)在研究盾構(gòu)隧道下穿橋基時，大多數(shù)是對地層注漿加固效果的研究，而對下穿段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制的研究較少.

本文依托青島地鐵某盾構(gòu)隧道區(qū)間，采用三維數(shù)值模型研究復(fù)合地層無加固措施時盾構(gòu)隧道近距離下穿橋基的可靠性，并結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)提出隧道下穿橋基的施工控制措施，最后通過現(xiàn)場橋基沉降監(jiān)測驗證施工控制技術(shù)的有效性.

1 工程概況

1.1 工程及地質(zhì)概況

青島地鐵某盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)隧道為雙線平行圓形斷面，右線里程為YK66+994.530—YK68+350.080，長度為1355.550 m；左線里程為ZK66+994.530—ZK68+350.080，長度為1369.091 m；平面線間距為14 m.區(qū)間縱斷面整體呈“V”字形，最大縱坡為18‰，豎曲線半徑為3000 m，區(qū)間結(jié)構(gòu)覆土厚度為9.0～16.6 m，圍巖等級為VI級.

隧道上覆地層從上到下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、強風(fēng)化安山巖、中風(fēng)化安山巖以及微風(fēng)化安山巖，區(qū)間縱斷面基巖起伏面較大，軟硬不均.縱斷面總體上呈現(xiàn)上軟下硬，屬于典型的復(fù)合地層結(jié)構(gòu).另外，隧道在穿越虹子河橋區(qū)段上覆砂土為強透水層，粉質(zhì)黏土力學(xué)指標(biāo)一般，自穩(wěn)性能較差，易蠕動變形.

1.2 盾構(gòu)設(shè)備型號及參數(shù)

該區(qū)間采用CTE6250土壓平衡復(fù)合式盾構(gòu)機，最大開挖直徑6.28 m，刀盤選用復(fù)合式(輻條+面板)結(jié)構(gòu)形式，開口率為35%，中心開口率為38%，刀具的主要參數(shù)如表1所示.設(shè)備最大推力為39 000 kN，最大扭矩為6650 kN·m，脫困扭矩為8100 kN·m.

表1 盾構(gòu)刀盤主要技術(shù)參數(shù)

1.3 隧道與虹子河橋位置關(guān)系

虹子河橋始建于1995年，結(jié)構(gòu)為3孔簡支板橋，橋墩為漿砌石橋墩.該橋為南北走向，橋面寬50.00 m，橋長24.88 m.橋基為擴大條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)距隧道拱頂5.60 m.據(jù)現(xiàn)場實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該橋梁墩臺存在局部開裂.

圖1 下穿段地質(zhì)縱斷面

隧道走向與虹子河橋走向一致，盾構(gòu)機左線由北向南先行掘進(jìn)，與右線隧道掌子面間隔約50 m.隧道下穿段管片環(huán)號為885—905環(huán)，洞身段地層從上往下依次為：第⑨層中粗砂地層(揭露層厚約為3.00 m)、第-9層強風(fēng)化安山巖(揭露層厚約為1.00 m)、第-9層中風(fēng)化安山(揭露層厚約為2.00 m)，下穿段地質(zhì)縱斷面見圖1.

2 無加固措施盾構(gòu)隧道近距離下穿橋基可靠性研究

2.1 數(shù)值模型建立

結(jié)合隧道埋深及橋梁總長，確定模型的寬度為57.12 m，高度為19.28 m，總長度為51.00 m.為了防止橋臺靠近模型邊界而造成局部應(yīng)力集中，設(shè)置兩側(cè)橋臺距離模型邊界為11.00 m.由盾構(gòu)機開挖參數(shù)可知，隧道開挖直徑為6.28 m，管片內(nèi)徑為5.40 m，外徑為6.00 m，每環(huán)管片寬度為1.50 m，同步注漿厚度為0.14 m，隧道開挖面與管片拼裝面步距為6.00 m.隧道左右線凈距為8.00 m，因左右線隧道掌子面間距較遠(yuǎn)，本模型僅模擬左線隧道開挖.

查閱虹子河橋相關(guān)資料，橋梁基礎(chǔ)寬度2.00 m，高度為1.00 m，相鄰兩墩臺之間間距為7.00 m，條形基礎(chǔ)長度為50.00 m.橋梁荷載采用正常使用極限狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)荷載組合(考慮橋梁自重、行車荷載以及人群荷載)進(jìn)行計算，相當(dāng)于50 kPa的豎向應(yīng)力作用在橋基上.

2.2 巖層參數(shù)選取

假定巖層變形服從摩爾-庫倫定律，橋梁基礎(chǔ)變形服從彈性變形假定.隧道管片可以看作是較大剛度的均質(zhì)圓環(huán)柱，管片背后同步注漿假定為線彈性材料.根據(jù)地質(zhì)資料，可以得到各巖層的物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示.

表2 巖層和襯砌材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 無加固措施盾構(gòu)下穿橋基可靠性研究

按照模型尺寸及巖體相關(guān)參數(shù)，建立盾構(gòu)隧道下穿橋基的數(shù)值模型.為了監(jiān)測橋基的變形沉降，分別在隧道拱頂正上方北側(cè)橋臺、北側(cè)橋墩、南側(cè)橋墩以及南側(cè)橋臺底部，沿隧道掘進(jìn)方向設(shè)置變形監(jiān)測點1—4，模型測點布置如圖2.對模型巖體的初始應(yīng)力進(jìn)行計算，得到模型的最大不平衡力趨于收斂，可以認(rèn)為模型的初始應(yīng)力基本平衡.

對隧道進(jìn)行循環(huán)開挖(循環(huán)進(jìn)尺為1.50 m)，可以得到橋基的豎向位移云圖和橋基監(jiān)測點1—4的沉降曲線，如圖3和圖4所示.

由圖3可知，隧道進(jìn)行循環(huán)開挖時橋臺的豎向位移比橋墩的豎向位移大，其中北側(cè)橋臺監(jiān)測點1的沉降終值為48.11 mm，南側(cè)橋臺監(jiān)測點4沉降終值為42.34 mm.由圖4可得，監(jiān)測點1—4的最大沉降值分別為51.61，23.39，22.65，48.29 mm.橋基沉降達(dá)到最大值后，隨著管片拼裝和同步注漿施工，監(jiān)測點1—4均出現(xiàn)了不同程度的上升，橋臺基礎(chǔ)比橋墩基礎(chǔ)上升更為顯著，其中監(jiān)測點4上升幅度最大，沉降值回升了3.50 mm.

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)的規(guī)定，地表沉降監(jiān)測控制值取20 mm[9].由此可知，在不采取加固措施的前提下，盾構(gòu)隧道近距離下穿橋基時無論是橋墩基礎(chǔ)還是橋臺基礎(chǔ)的沉降量都遠(yuǎn)超過了規(guī)范要求，故在復(fù)合地層中盾構(gòu)隧道在近距離下穿橋基時必須對下穿段采取有效的加固措施.否則，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中不僅會使橋基沉降嚴(yán)重超限，危及橋面行車安全，而且也存在因地層擾動河水倒灌入土倉，導(dǎo)致隧道內(nèi)出現(xiàn)螺旋機噴涌、管片開裂、上浮及滲漏水等施工隱患.

圖3 橋基豎向位移云圖(單位：m)

3 盾構(gòu)隧道下穿橋基施工控制

鑒于該橋梁建設(shè)年限較長，且在橋梁墩臺處出現(xiàn)局部開裂等情況，為了確保掘進(jìn)期間橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及隧道施工安全，對該復(fù)合地層區(qū)段采用“地層加固+橋梁加固+掘進(jìn)控制”的施工控制方法.

3.1 袖閥管地層加固

隧道下穿橋基段拱頂?shù)貙又饕獮橹写稚?，透水性較強.為了確保地層的加固效果，擬對該橋梁墩臺之間采用袖閥管注漿加固.袖閥管采用Φ50硬質(zhì)PVC管，能承受的最大注漿壓力為3.0 MPa.注漿采用分段后退式注漿方式，漿液采用水泥與水玻璃雙液漿，體積配比1∶1.

注漿孔采取梅花形布置，各墩臺之間分別布設(shè)注漿點位5個，每個斷面布設(shè)15個.注漿孔孔間距為1.00～1.20 m，注漿深度為6.12 m，垂直注漿孔編號為1—15.靠近墩臺側(cè)2個注漿點位分別搭設(shè)斜孔，孔底垂直深度分別為3.12，6.12 m，斜注漿孔編號為1′—15′.整個加固區(qū)域長為26.54 m，寬度為12.00 m(隧道左右邊界各外擴3.00 m)，加固高度為5.00 m，袖閥管地層加固布置方式如圖5所示.袖閥管注漿加固完成后，需要嚴(yán)格檢驗地層加固效果.

圖5 袖閥管地層加固布置(單位：mm)

3.2 滿堂腳手架橋梁結(jié)構(gòu)加固

為了避免橋梁自重及橋面荷載完全集中在橋基上，采用滿堂腳手架支撐橋面板不僅可以分擔(dān)橋梁的上部荷載，而且在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中還能減小因地表沉降而引起的橋梁不均勻沉降，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全和橋面正常通行.

由于虹子河地下水位較淺，故在河床上進(jìn)行簡單的地面硬化后，采用滿堂腳手架對橋面板進(jìn)行加固.腳手架鋼管采用Φ48 mm×3.00 mm，立桿、橫桿橫向間距和縱向間距均為0.60 m.腳手架頂部和底部設(shè)置可調(diào)節(jié)托座，最大可調(diào)范圍為450 mm，頂部托座上方設(shè)置100 mm×100 mm方木，沿河道走向布設(shè)，間距為0.60 m.腳手架縱橫向每隔4.5 m左右設(shè)置剪刀撐，剪刀撐底端與地面頂緊，跟地面夾角約為45°～60°.

3.3 下穿段盾構(gòu)掘進(jìn)控制

盾構(gòu)隧道近距離下穿虹子河橋基掘進(jìn)控制可以分為3個控制時段，即盾構(gòu)下穿前、盾構(gòu)下穿時以及掘進(jìn)完成后.

盾構(gòu)下穿橋基前，需要對河道及周邊地質(zhì)情況進(jìn)行補勘，充分了解下穿段地層情況.掘進(jìn)至下穿段前，在地層情況較好地段對盾構(gòu)機刀具磨損情況進(jìn)行評估，對磨損嚴(yán)重的刀具提前進(jìn)行更換，確保盾構(gòu)機在下穿橋基時不停機、不換刀.

盾構(gòu)下穿橋基的過程中，需要根據(jù)掘進(jìn)地層控制合理的掘進(jìn)參數(shù)，尤其是盾構(gòu)的土倉壓力、每環(huán)出土量、同步注漿量和同步注漿壓力等對地層沉降影響較大的掘進(jìn)參數(shù).

土倉壓力可以根據(jù)式(1)進(jìn)行確定：

ptu=Ktuγh

(1)

式中：ptu為土倉壓力；Ktu為土倉計算側(cè)壓力系數(shù)；γ為土體容重；h為隧道埋深.

由于隧道埋深較小，為5.6 m，為了確保地表沉降較小，土倉計算側(cè)壓力系數(shù)Ktu取值需要介于靜止土壓力系數(shù)K0和被動土壓力系數(shù)Kp之間，取Ktu=0.50～3.00.為了確保掘進(jìn)效率，本工程取Ktu=0.80～1.00，即將盾構(gòu)機土倉壓力嚴(yán)格控制在120～150 kPa，盾構(gòu)隧道下穿段掘進(jìn)實時土倉壓力實測值如圖6所示.

每環(huán)出土量可以按照式(2)計算：

(2)

式中：V實為實際出土量；k為巖石的膨脹系數(shù)；V理為理論出土量；D為盾構(gòu)機開挖直徑；L為隧道每環(huán)進(jìn)尺.

盾構(gòu)機開挖直徑為6.28 m，每環(huán)進(jìn)尺為1.5 m，巖石的膨脹系數(shù)k=1.18～1.39，則本工程盾構(gòu)每環(huán)出土量需嚴(yán)格控制在55～65 m3，每環(huán)實際出土量如圖7所示.

圖6 土倉壓力實測值

圖7 每環(huán)實際出土量

其他對地表沉降影響較小的因素確定方法，可以參考盾構(gòu)下穿前的掘進(jìn)參數(shù)選取.即，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.50 r/min左右，刀盤扭矩控制在1500～3000 kN·m，盾構(gòu)總推力控制在10 000～15 000 kN，掘進(jìn)速度控制在45～65 mm/min.

掘進(jìn)完成后，及時對脫出盾尾的管片進(jìn)行同步注漿，采用注漿量和注漿壓力的雙控指標(biāo)確保盾構(gòu)管片外壁與圍巖之間填充密實.注漿量可以根據(jù)公式(3)確定：

(3)

式中：V漿為實際注漿量；K為擴大系數(shù)；V為理論注漿量；D1為盾構(gòu)開挖直徑；D2為管片外徑；L為每環(huán)開挖進(jìn)尺.

表3 每環(huán)注漿壓力值與注漿量

盾構(gòu)開挖直徑為6.28 m，管片外徑為6.00 m，每環(huán)進(jìn)尺為1.5 m，考慮到當(dāng)前地層為中粗砂層，漿液易流入周邊地層，故適當(dāng)提高注漿量，取擴大系數(shù)K=1.73.經(jīng)計算，下穿段同步注漿量應(yīng)控制在7 m3左右.

一般來說，注漿壓力根據(jù)靜止水土壓力值確定，宜取1～1.5倍的靜止水土壓力.因下穿橋基段地層為中粗砂，可以適當(dāng)提高注漿壓力，建議注漿壓力控制在150～250 kPa，下穿段每環(huán)注漿壓力值與注漿量見表3.同步注漿完成后，及時查驗管片外壁填充情況.對于填充不密實或者存在管片滲漏水等情況，需及時采取二次補漿措施.總而言之，在盾構(gòu)隧道近距離下穿橋基時宜采取“恒土壓，勻掘速，勤注漿，嚴(yán)出土”的施工控制方法.

4 隧道下穿橋基施工控制措施有效性驗證

4.1 采取施工控制措施后模型數(shù)值計算

由于預(yù)先對下穿段進(jìn)行袖閥管地層加固、滿堂腳手架橋梁加固、盾構(gòu)掘進(jìn)控制等處理，則模型地層參數(shù)、下穿段橋基邊界條件以及施工參數(shù)均相應(yīng)地發(fā)生改變.取加固區(qū)地層密度為2300 kg/m3，彈性模量為540 MPa，泊松比為0.28，內(nèi)摩擦角為30°，黏聚力為24 kPa.橋梁及橋面荷載可以看作是16 kPa豎向應(yīng)力均勻作用在河床表面.盾構(gòu)機土倉壓力取150 kPa作用在開挖掌子面上，及時對開挖隧道進(jìn)行同步注漿和管片拼裝，循環(huán)開挖進(jìn)尺為1.5 m.通過模型計算，得到采取施工控制技術(shù)后橋基的豎向位移云圖和橋基監(jiān)測點1—4沉降曲線，如圖8和圖9.

圖8 采取施工措施后橋基豎向位移云圖

由圖8和圖9可知，采取施工控制措施后，橋基監(jiān)測點1—4的沉降終值分別為2.07，1.78，1.77和2.04 mm.從模擬結(jié)果來看，采取“地層加固+橋梁加固+掘進(jìn)控制”的施工控制技術(shù)能滿足盾構(gòu)隧道近距離下穿橋基的沉降要求.

4.2 隧道下穿段橋基沉降監(jiān)測

4.2.1 沉降監(jiān)測點布置

在虹子河橋北側(cè)橋臺、北側(cè)橋墩、南側(cè)橋墩以及南側(cè)橋臺基礎(chǔ)附近設(shè)置4條監(jiān)測線，分別為JGC01，JGC02，JGC03和JGC04，測線之間相互平行，分別對應(yīng)隧道內(nèi)環(huán)號為886環(huán)、891環(huán)、897環(huán)和902環(huán).每條測線布置5個監(jiān)測點，各測點之間間距為7 m，由東向西布置，以JGC01為例，監(jiān)測點分別為JGC01-01，JGC01-02，JGC01-03，JGC01-04和JGC01-05.其中，監(jiān)測點JGC01-02位于右線隧道正上方，監(jiān)測點JGC01-04位于左線隧道正上方.以測線JGC01為例，測線橫斷面布置如圖10所示.

圖10 測線橫斷面布置(單位：mm)

4.2.2 橋基測點監(jiān)測結(jié)果

在盾構(gòu)到達(dá)下穿段之前(掘進(jìn)環(huán)號為877環(huán)處)開始對地表橋臺和橋墩的4條測線進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測頻率為3～4 h/次，得到測線JGC01(886環(huán))、測線JGC02(891環(huán))、測線JGC03(897環(huán))和測線JGC04(902環(huán))的現(xiàn)場沉降監(jiān)測結(jié)果，如圖11所示.

圖11 現(xiàn)場沉降監(jiān)測結(jié)果

由圖11監(jiān)測結(jié)果可知，當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)橋基測線正下方之前，地表存在輕微的局部隆起，特別是監(jiān)測點JGC03-03和JGC02-05，最大隆起值達(dá)1.57 mm.盾構(gòu)刀盤到達(dá)監(jiān)測橋基正下方時，測線JGC01—JGC04的監(jiān)測點03—05均產(chǎn)生明顯的沉降，其中監(jiān)測點04的沉降速率最大.當(dāng)管片脫出盾尾后隨著同步注漿的施工，測線JGC01—JGC04的監(jiān)測點03—05沉降值均有些許回升，隨后沉降值又逐步下降，最后慢慢趨于平緩.另外，橋臺地基的沉降終值要略大于相鄰橋墩的沉降值，這與數(shù)值計算中的結(jié)論一致.測線JGC01—JGC04的監(jiān)測點01和監(jiān)測點02因為布置在靠近隧道右線的緣故，左線隧道掘進(jìn)過程中對測點沉降值影響不大，監(jiān)測結(jié)果表現(xiàn)出無關(guān)聯(lián)性.但是，測線JGC03在同步注漿后監(jiān)測點JGC03-02隆起值較大，可能是由于注漿壓力較大引起的地表隆起.

結(jié)合圖11可知，測線JGC01—JGC04最大沉降終值均發(fā)生在監(jiān)測點04的位置，最大沉降終值分別為-2.17，-1.70，-0.80，-1.29 mm.將現(xiàn)場實測的沉降結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果對比可知，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場沉降實測值較為接近，同時也證明了數(shù)值計算的準(zhǔn)確性.根據(jù)《深圳市軌道交通工程周邊環(huán)境調(diào)查導(dǎo)則》(SJG 23—2012)規(guī)范要求，對于靜定結(jié)構(gòu)的橋梁基礎(chǔ)，墩臺均勻沉降量允許值為30 mm，橋梁縱向相鄰墩臺均勻沉降量之差允許值為20 mm[10].經(jīng)過對測線JGC01—JGC04各測點的沉降終值進(jìn)行計算，得到相鄰墩臺沉降量最大沉降差分別為2.20，2.38，2.38，1.97 mm，該下穿段相鄰墩臺沉降量最大僅為2.38 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的要求.綜上所述，監(jiān)測結(jié)果表明“地層加固+橋梁加固+掘進(jìn)控制”施工控制技術(shù)在盾構(gòu)下穿橋梁基礎(chǔ)的施工中能有效地控制橋梁基礎(chǔ)的沉降，確保盾構(gòu)機的正常掘進(jìn)和橋梁的正常安全通行.

5 結(jié)論

本文依托青島地鐵某盾構(gòu)區(qū)間工程，采用三維數(shù)值模型分析方法研究了復(fù)合地層無加固措施情況下盾構(gòu)隧道近距離下穿橋基的可靠性，并提出了復(fù)合地層隧道近距離下穿橋基的施工控制技術(shù)，最后對盾構(gòu)下穿橋基沉降進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，得到如下結(jié)論：

1) 在復(fù)合地層中，盾構(gòu)隧道近距離下穿橋基時，橋臺基礎(chǔ)處沉降終值要略大于橋墩基礎(chǔ)處的沉降終值，橋臺基礎(chǔ)處的沉降監(jiān)測可以作為橋基沉降控制的重點監(jiān)測對象.

2) 盾構(gòu)機在近距離下穿橋基時，宜采取“恒土壓，勻掘速，勤注漿，嚴(yán)出土”的施工控制方法.

3) 采取“袖閥管地層加固+滿堂腳手架橋梁加固+盾構(gòu)掘進(jìn)控制”施工控制技術(shù)能有效地控制盾構(gòu)隧道近距離下穿橋基的沉降，保證隧道安全穩(wěn)定掘進(jìn)和橋面正常通行.