地鐵盾構(gòu)隧道穿越既有橋樁及排水渠的施工影響與對策

艾國平，陳 剛，劉維正，孫 康，李英偉

(1. 中交一公局集團(tuán)有限公司，北京 100024；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410075)

在城市地鐵的建設(shè)過程中，盾構(gòu)隧道下穿既有橋樁等建(構(gòu))筑物的現(xiàn)象十分普遍，施工時隧道開挖會使周圍地層變形，導(dǎo)致鄰近橋樁產(chǎn)生位移和附加內(nèi)力，進(jìn)而影響橋梁上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。該類工程施工風(fēng)險和難度較大，因此有必要研究盾構(gòu)隧道開挖對鄰近橋樁的影響，制定相應(yīng)的施工對策，減小施工對樁基的擾動，以保證橋梁及上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于盾構(gòu)隧道穿越鄰近樁基造成影響的研究方法主要有理論分析、數(shù)值模擬及試驗研究。在理論分析方面，于晨昀[1]、李進(jìn)軍等[2]根據(jù)兩階段分析法，分別采用簡化分析方法和位移控制有限元進(jìn)行分析；袁海平等[3]基于橋樁結(jié)構(gòu)耦合彈簧力學(xué)計算原理和有限差分方法對樁基受力和變形進(jìn)行研究。在數(shù)值模擬方面，王凈偉等[4]對盾構(gòu)施工進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了在隧道逐步開挖的過程中，橋樁的附加軸力和所受外力的變化情況；趙坤等[5]通過建立數(shù)值模型研究了地層在注漿加固后橋梁樁基的變形受力情況；Li等[6]通過數(shù)值模擬對地層和盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，并利用修正后的計算參數(shù)研究了隧道施工對復(fù)合地層中地表沉降和樁基礎(chǔ)沉降的影響。

在試驗研究方面，李林[7]根據(jù)實際工程對地層沉降與傾斜進(jìn)行了現(xiàn)場試驗；武鈺翔[8]以相似理論為基礎(chǔ)設(shè)計了9組模型試驗，對土體沉降進(jìn)行可視化分析；張治國等[9]設(shè)計了一種模型試驗裝置，用于研究盾構(gòu)管片襯砌注漿對樁基礎(chǔ)的影響。

針對盾構(gòu)下穿橋梁樁基的施工對策，一般從地層變形控制、樁基變形控制以及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制三個方面進(jìn)行研究。Wu等[10]、Liu等[11]通過對地層進(jìn)行注漿加固，達(dá)到控制地層沉降的目的；王永軍等[12]、劉恒等[13]從樁基變形著手，采用注漿加固、隔離樁保護(hù)和樁基主動托換等方法，有效地控制樁基變形，保證橋梁安全；盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制一般與其他方法一起使用，如王效文[14]、徐源等[15]綜合了隔離樁加固、盾構(gòu)施工參數(shù)控制及信息化監(jiān)測等方法，對樁基進(jìn)行保護(hù)。目前對于盾構(gòu)隧道穿越橋樁的研究中，隧道與橋樁的凈距大部分在2 m及以上，且大多數(shù)沒有考慮橋下其他建(構(gòu))筑物的影響，隧道與橋樁凈距越小，相鄰建(構(gòu))筑物越多越復(fù)雜，施工擾動就越大，施工風(fēng)險和難度也相應(yīng)越大。

本文以長沙地鐵6號線盾構(gòu)隧道小凈距(1.0 m)下穿楊家山立交橋橋樁及橋下排水渠為工程背景，采用ABAQUS有限元軟件模擬盾構(gòu)施工過程，在未采取措施、設(shè)置臨時支墩和采用克泥效工法三種工況下，分析地層沉降規(guī)律和橋樁及橋下排水渠的受力和變形規(guī)律，通過數(shù)值模擬確定合適的施工參數(shù)，提出相應(yīng)的施工對策。

1 工程概況

長沙地鐵6號線朝陽村站-芙蓉區(qū)政府站區(qū)間長度約1.62 km，主要由西向東敷設(shè)，區(qū)間隧道于YDK37+235～YDK37+265處正交穿越楊家山立交橋，橋下地表處有一條垂直于隧道的排水箱涵團(tuán)結(jié)渠，隧道與立交橋及團(tuán)結(jié)渠的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道與立交橋及團(tuán)結(jié)渠的位置關(guān)系(單位：m)

立交橋橋樁為人工挖孔樁，樁長17 m，樁徑1.8 m，樁端擴(kuò)大端直徑為2.2 m，持力層位于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，橋樁距離隧道結(jié)構(gòu)邊線水平凈距最近為1.0 m，樁底位于隧道軸線上方，垂直距離為1.9 m。團(tuán)結(jié)渠的結(jié)構(gòu)尺寸為12.3 m×3.5 m，距離隧道頂部12.0 m。

區(qū)間隧道采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)直徑6.4 m，管片外徑6.2 m，厚度0.35 m，每一環(huán)管片寬1.5 m。盾構(gòu)隧道埋深16 m，左右線軸線間距為13.0 m，穿越段位于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，隧道所處土層的物理力學(xué)性質(zhì)及相關(guān)材料計算參數(shù)如表1所示。

表1 隧道所處土層的物理力學(xué)性質(zhì)及相關(guān)材料計算參數(shù)

地下水類型以孔隙潛水為主，水量豐富，局部水量中等，部分為承壓水，承壓水頭約1.0～4.0 m，屬強(qiáng)透水性地層；以基巖裂隙水為輔，為承壓水，含水量貧乏，局部水量中等，總體上基巖屬弱透水層?；旌纤跻娝宦裆?.90～9.20 m，混合水穩(wěn)定水位1.70～6.50 m。

2 盾構(gòu)開挖數(shù)值模擬

2.1 計算模型

本文利用ABAQUS有限元軟件模擬盾構(gòu)隧道穿越楊家山立交橋橋樁施工過程。模型尺寸選取為：80 m×40 m×60 m，即模型橫向長度為80 m、豎向深度為40 m，隧道開挖方向為60 m。為簡化分析，盾構(gòu)隧道一次開挖3 m，單線開挖分20步完成，左右線總共需要40個開挖步。

模型邊界利用位移約束進(jìn)行控制，其中頂面為自由邊界，側(cè)面限制水平位移，底面完全約束。模型中盾殼部件的單元類型采用殼單元S4R，其余部件選用八節(jié)點線性六面體單元C3D8R。

2.2 計算參數(shù)

計算過程中土體的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb(屈服準(zhǔn)則)模型，橋梁結(jié)構(gòu)、團(tuán)結(jié)渠、樁基、盾構(gòu)管片、盾殼以及注漿體均采用線彈性模型?？紤]到凝固時間，注漿體按初凝和終凝分為兩種彈性模量不同的材料。盾殼的密度則由模擬時盾殼單元的厚度和土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主體的質(zhì)量換算而成。相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。

參照施工資料，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，盾尾注漿壓力取0.22 MPa，土倉壓力取0.14 MPa。

2.3 施工模擬

利用ABAQUS有限元軟件中的單元生死功能，可以實現(xiàn)土體開挖和盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的模擬，在開始模擬之前，首先應(yīng)平衡模型初始地應(yīng)力，使其應(yīng)力狀態(tài)更加符合真實情況。隧道開挖模擬先完成左線的開挖，再進(jìn)行右線開挖。其具體步驟如下：

第1步：移除模型中的盾殼、襯砌和注漿層，對模型施加重力，利用導(dǎo)入odb文件的方式反復(fù)平衡地應(yīng)力，直至模型位移小于0.1 mm。

第2步：移除左線0～3 m內(nèi)的土體單元，激活盾殼單元，并對開挖面施加支護(hù)壓力。

第3步：移除0～3 m內(nèi)的支護(hù)壓力，施加注漿壓力并激活注漿層單元和管片單元；同時移除3～6 m 內(nèi)的土體單位，激活盾殼單元并施加支護(hù)壓力。

第4步：移除0～3 m內(nèi)的注漿壓力；移除3～6 m 內(nèi)的支護(hù)壓力，施加注漿壓力并激活注漿層單元和管片單元；同時移除6～9 m內(nèi)的土體，激活盾殼單元并施加支護(hù)壓力。

模擬過程分3部分，即前3 m開挖，中間3 m注漿支護(hù)安裝管片，后3 m移除注漿壓力；之后的開挖只需重復(fù)第4步，直至雙線隧道開挖完成。

2.4 模擬工況設(shè)置

為分析盾構(gòu)隧道穿越既有橋樁時不同施工因素造成的影響，本文針對臨時支墩以及克泥效工法等因素設(shè)置了3種不同工況：

工況1：未采取措施，施工時注漿壓力取 0.22 MPa，土倉壓力取0.14 MPa。

工況2：設(shè)置臨時支墩，在橋梁橋墩兩側(cè)設(shè)置臨時支墩，分擔(dān)橋梁上部結(jié)構(gòu)的部分荷載，施工參數(shù)同工況1。

工況3：采用克泥效工法，對盾殼周圍土體進(jìn)行同步注漿，施工參數(shù)同工況1。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 地層變形分析

左右線開挖完成后，工況1下地層整體沉降云圖如圖2所示，地層變形最大處位于雙線隧道周圍，其中隧道拱頂處地層最大沉降值為4.83 mm，隧道底部地層發(fā)生隆起，變形值為4.67 mm，地層沉降從拱頂向上延伸至地表。

圖2 工況1下地層整體沉降云圖

取模型中橋梁下方的地表作為研究對象，3種工況下的地表沉降曲線如圖3所示，從圖中可以看出，地表最大沉降發(fā)生在雙線隧道中心線上方，最大沉降值為2.23 mm，地表沉降形狀基本符合Peck的正態(tài)分布曲線。其中，工況2與工況1沉降曲線接近重合，工況3的最大沉降為1.56 mm，相比工況1減小了約30%，說明采用克泥效工法進(jìn)行同步注漿能有效控制地表沉降。

圖3 3種工況下的地表沉降曲線

3.2 橋樁變形分析

3.2.1 橋樁沉降變形分析

根據(jù)左右線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)時穿越的先后順序，對橋樁進(jìn)行編號，分別為1～4號。工況1下橋樁沉降云圖如圖4所示，從圖中可以看到橋樁沉降沿樁身深度方向變化不大，但在X方向上靠近隧道一側(cè)沉降明顯大于遠(yuǎn)離隧道一側(cè)沉降，最大沉降值為0.99 mm。

圖4 工況1下橋樁沉降云圖

3.2.2 橋樁水平變形分析

隧道開挖完成后，工況1下1～4號橋樁X方向變形沿樁深的變化曲線如圖5所示，從圖中可以看到，橋樁上部13 m范圍內(nèi)均出現(xiàn)了向隧道方向的傾斜，X方向的變形沿樁深均勻變化，最大變形均發(fā)生在樁頂部位，最大變形值為3.37 mm，其中1、2號橋樁X方向變形大于3、4號橋樁，這是因為1、2號橋樁距離隧道更近，凈距僅為1.0 m，受隧道開挖影響較大。

圖5 工況1下1～4號橋樁X方向變形沿樁深的變化曲線

在設(shè)置臨時支墩(工況2)和采用克泥效工法(工況3)后，為分析橋樁變形的影響，以1號橋樁為例，繪制了3種不同工況下橋樁X方向變形沿樁深的變化曲線，如圖6所示。從圖中可以看到，工況2設(shè)置臨時支墩后，1號橋樁的最大變形值由3.13 mm 減小到2.99 mm，變形減小了約5%，工況3采用克泥效工法后，1號橋樁的最大變形值減小到1.28 mm，變形減小了約60%。由結(jié)果分析可知，采用克泥效工法相比設(shè)置臨時支墩而言，能更多地減少橋樁的變形。

圖6 3種不同工況下橋樁X方向變形沿樁深的變化曲線

3.3 橋樁受力分析

3.3.1 橋樁軸力分析

以1號橋樁為例，3種工況下橋樁軸力沿樁深的變化曲線如圖7所示。從圖中可以看出，工況1和工況3情況下橋樁軸力變化不大，兩條曲線基本重合，說明采用克泥效工法對橋樁的受力影響不大。而在工況2設(shè)置臨時支墩后，橋樁軸力顯著減小，最大軸力由6 323 kN減小到5 859 kN，減小了約7%。

圖7 3種工況下橋樁軸力沿樁深的變化曲線

3.3.2 橋樁彎矩分析

圖8是工況1下1～4號橋樁Y方向附加彎矩沿樁深的變化曲線。附加彎矩是指橋樁在盾構(gòu)隧道未開挖和開挖后的彎矩變化。從圖中可以看出，1號和2號橋樁附加彎矩值為正，3號和4號橋樁附加彎矩值為負(fù)，表示橋樁都向隧道方向彎曲。橋樁附加彎矩的變化規(guī)律為沿樁深自上而下逐漸增大，最大附加彎矩值為46.2 kN·m，各橋樁之間附加彎矩絕對值相差不大。

圖8 工況1下1～4號橋樁Y方向附加彎矩沿樁深的變化曲線

以1號橋樁為例，在工況2和工況3情況下橋樁最大附加彎矩值分別為34.1 kN·m和21.3 kN·m，相比工況1而言分別減小了26%和54%，說明設(shè)置臨時支墩和采用克泥效工法都能較好地改善橋樁彎矩情況，但采用克泥效工法的效果更好。

3.4 排水渠變形受力分析

3.4.1 排水渠變形分析

圖9是工況1下排水渠沉降云圖，從圖中可以看出，排水渠的沉降呈現(xiàn)出中間大、兩邊小的規(guī)律，這與地表沉降規(guī)律類似，沉降主要發(fā)生在雙線隧道中心線上方，最大沉降發(fā)生在排水渠的底部，其值為2.28 mm。

圖9 工況1下排水渠沉降云圖

3.4.2 排水渠受力分析

圖10是工況1下排水渠最大主應(yīng)力云圖，其中最大主應(yīng)力的正值表示受拉，負(fù)值表示受壓，分別對應(yīng)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力。從圖中可以看出，排水渠的最大壓應(yīng)力主要分布在上表面，最大拉應(yīng)力主要分布在下表面，且都位于排水渠中間部位。

圖10 工況1下排水渠最大主應(yīng)力云圖

表2是不同工況下排水渠最大主應(yīng)力值，其中工況2的最大主應(yīng)力值與工況1相差很小，工況3相比工況1，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力值分別減小了7%和5%，說明采用克泥效工法能較好地改善排水渠的受力狀態(tài)。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB 50010—2010》(2015年版)的規(guī)定，C30混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1.57 MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為16.7 MPa，表2中不同工況下的最大應(yīng)力值均小于規(guī)定的設(shè)計值，滿足強(qiáng)度要求。

表2 不同工況下排水渠最大主應(yīng)力值 (MPa)

4 施工對策

4.1 設(shè)置臨時支墩

盾構(gòu)穿越橋樁前，在橋梁和地表之間采用臨時支墩進(jìn)行加固，這種方法是從改變樁基外部荷載的角度出發(fā)，將既有橋梁樁基礎(chǔ)承受的部分荷載通過臨時支墩傳遞到地層中去，待盾構(gòu)順利通過橋樁影響范圍后，逐步拆除臨時支墩體系。

實際工程中設(shè)置臨時支墩的主要流程包括臨時支墩混凝土基礎(chǔ)施工、鋼構(gòu)件安裝施工、體系受力調(diào)整和臨時支墩體系拆除。根據(jù)盾構(gòu)在推進(jìn)過程中的需要，結(jié)合地面監(jiān)測情況，對橋梁穩(wěn)定性情況進(jìn)行分析，確定是否需要通過千斤頂來增大壓力，保證橋梁體系安全。

在本文的數(shù)值模擬結(jié)果中，對比設(shè)置臨時支墩前后橋樁的狀態(tài)可知，設(shè)置臨時支墩能有效控制橋樁的受力情況，其軸力減小了約7%，其彎矩減小了約26%，數(shù)值模擬的結(jié)果表明臨時支墩加固的效果顯著，為實際工程中臨時支墩的具體應(yīng)用提供了依據(jù)。

4.2 采用克泥效工法

克泥效工法本質(zhì)上是一種盾構(gòu)注漿施工技術(shù)，其原理是特殊黏土與強(qiáng)塑劑以一定的比例混合后，瞬間形成高黏度、不會硬化的可塑性黏土。一般盾尾同步注漿的注入點在盾尾處，而克泥效工法則是對盾體周圍的土體進(jìn)行注漿?；旌虾蟮目四嘈Р牧贤ㄟ^前端盾構(gòu)機(jī)外殼上的注漿孔注入周圍土體中，可以有效填充刀盤開挖輪廓與盾構(gòu)產(chǎn)生的間隙，利用克泥效材料止水、支撐和充填的特性，阻止土體的變形并控制地表沉降。

克泥效的特殊黏土材料由合成鈣基黏土礦物、纖維素衍生劑、膠體穩(wěn)定劑和分散劑構(gòu)成，強(qiáng)塑劑主要為水玻璃。在本工程中，克泥效采用A、B雙液，特殊膨潤土漿液(A液)比例為膨潤土∶水=1∶2，水玻璃液(B液)比例為水玻璃∶水=1∶1(體積比)，其中B液添加率為5%～6%，每環(huán)1.5 m寬注入克泥效混合液體積為0.604 m3。

通過分析本文數(shù)值模擬結(jié)果可知，采用克泥效工法能有效地控制橋樁水平位移，相比未采取任何措施而言，橋樁水平位移減小了約60%，附加彎矩減小了約54%，除此之外，排水渠的應(yīng)力狀態(tài)也得到一定程度的改善。對于盾構(gòu)隧道以小凈距穿越的情況，或其他對變形控制要求高的盾構(gòu)掘進(jìn)工程，采用克泥效工法能很好地控制地層變形，滿足工程要求。

4.3 盾構(gòu)掘進(jìn)控制

將盾構(gòu)穿越前100 m設(shè)為試掘進(jìn)段，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)前，先對各種施工參數(shù)進(jìn)行計算，然后根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)定施工參數(shù)。在正常掘進(jìn)階段施工中，根據(jù)設(shè)定施工參數(shù)的應(yīng)用效果，結(jié)合地表監(jiān)測的結(jié)果對各種參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，使各項參數(shù)的設(shè)定達(dá)到最佳。

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)主要包括土倉壓力、推進(jìn)速度及刀盤轉(zhuǎn)速、注漿壓力，在本工程中，土倉壓力的設(shè)定值根據(jù)隧道埋深取為開挖面平衡土壓0.14 MPa，推進(jìn)速度在穿越段控制在15 mm/min內(nèi)，刀盤轉(zhuǎn)速不大于1.3 r/min，注漿壓力根據(jù)隧道埋深及地質(zhì)情況設(shè)定在0.2～0.3 MPa之間。

另外，壁后注漿采取同步注漿和二次補充注漿兩種方式，同步注漿通過同步注漿系統(tǒng)隨掘進(jìn)同時注入，二次補充注漿利用補充注漿系統(tǒng)通過管片注漿孔進(jìn)行注漿。注漿作業(yè)時，嚴(yán)密注意注漿壓力和注漿量變化，以注漿壓力控制為主、注漿量控制為輔，且注漿作業(yè)與盾構(gòu)推進(jìn)同步進(jìn)行，其注入速率應(yīng)與掘進(jìn)速度相適應(yīng)。

4.4 施工監(jiān)測

為保證施工過程中橋梁和排水渠的使用安全，了解施工過程中現(xiàn)場的實際情況，必要時對設(shè)計方案或施工過程進(jìn)行修正，從而實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計及信息化施工，需要對現(xiàn)場進(jìn)行嚴(yán)密的施工監(jiān)測。

盾構(gòu)開挖影響的范圍隨開挖進(jìn)度的增加而增大，本工程取盾構(gòu)開挖的隧道邊緣向外2倍開挖深度范圍內(nèi)的地表沉降、橋墩沉降以及排水渠沉降作為監(jiān)測對象，其中地表沉降的監(jiān)測點沿隧道縱向推進(jìn)軸線布置，測點間距為5～10 m，要求每個橋墩至少布置1個橋墩沉降的監(jiān)測點。

各監(jiān)測項目在盾構(gòu)施工影響前應(yīng)連續(xù)觀察2～3次，取其穩(wěn)定值的平均值作為監(jiān)測項目初始值。當(dāng)變形超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或場地條件變化較大時，應(yīng)加密觀測；當(dāng)大雨、暴雨或盾構(gòu)邊載條件改變時應(yīng)及時監(jiān)測；當(dāng)有危險事故征兆時，應(yīng)連續(xù)跟蹤觀測。監(jiān)測項目控制值如表3所示。

表3 監(jiān)測項目控制值

地表縱向沉降施工監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4所示，根據(jù)表4，地表最大沉降值為2.87 mm，平均值為2.02 mm，監(jiān)測數(shù)據(jù)的地表沉降平均值與模擬結(jié)果中的最大沉降值2.23 mm相差約9%，誤差在工程可接受的范圍內(nèi)，同時也證明了模型的有效性。

表4 地表縱向沉降施工監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文以長沙地鐵6號線穿越楊家山立交橋工程為背景，采用數(shù)值模擬方法研究了盾構(gòu)隧道穿越橋樁產(chǎn)生的影響，并根據(jù)模擬結(jié)果提出相應(yīng)的施工對策，得出以下結(jié)論：

(1) 盾構(gòu)隧道穿越橋樁過程中，橋樁會產(chǎn)生向隧道中心方向的傾斜，樁頂?shù)乃轿灰谱畲笾颠_(dá)到3.37 mm；各橋樁軸力隨樁深的增加而增加，彎矩沿隧道中心線呈對稱分布，最大彎矩發(fā)生在樁端部位；排水渠應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為上表面受壓、下表面受拉。

(2) 在工況2(設(shè)置臨時支墩)情況下，橋樁軸力和彎矩相比工況1(未采取措施)分別減小了約7%和26%；在工況3(采用克泥效工法)情況下，橋樁水平變形和彎矩分別減小了約60%和54%。采用工況2、工況3兩種施工措施后，橋樁以及排水渠的變形滿足監(jiān)測控制值，有效地降低了盾構(gòu)開挖風(fēng)險，保證了既有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(3) 結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和工程實際，提出了4條相應(yīng)的施工對策，分別是設(shè)置臨時支墩、采用克泥效工法、盾構(gòu)掘進(jìn)控制以及施工監(jiān)測，通過4種施工對策的合理運用，保證橋梁及橋下排水渠的正常使用。