考慮地層蠕變特性的盾構(gòu)隧道施工對鄰近橋樁影響和保護(hù)措施*

劉欣然，李兆平，張 存，王航飛，孫 程

(1.北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100176；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

0 引言

城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)一般位于城市中心區(qū)域，新建地鐵、車站或隧道不可避免地從既有城市立交橋、人行天橋基樁側(cè)面或下方穿越，相關(guān)研究表明，地鐵隧道開挖必然擾動周圍地層，引起地層沉降，可能進(jìn)一步導(dǎo)致一定范圍內(nèi)鄰近基樁產(chǎn)生不利的負(fù)摩阻力，或使其周圍地層松弛而損失摩擦力，最終造成橋梁基礎(chǔ)變形超標(biāo)，上海、廣州、北京等地鐵隧道工程建設(shè)過程中均遭遇類似問題，給設(shè)計(jì)和施工帶來巨大挑戰(zhàn)[1-8]。

大量鄰近橋樁地鐵隧道施工監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，地層沉降和橋樁變形相對隧道施工工序表現(xiàn)出一定時間滯后效應(yīng)，由于地層具有流變特性，在隧道開挖結(jié)束后相當(dāng)長時間內(nèi)，地層仍在持續(xù)變形，對鄰近橋樁產(chǎn)生長期影響。目前研究成果主要集中在隧道開挖對鄰近橋樁影響空間效應(yīng)方面，而對于隧道周圍地層流變特性導(dǎo)致的時間效應(yīng)研究尚有不足，相關(guān)研究工作深度和研究成果實(shí)用性均不能滿足設(shè)計(jì)與施工要求。近年來，部分學(xué)者針對地層流變效應(yīng)的隧道開挖問題展開研究[9-16]。本文以某地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道為依托工程，在考慮盾構(gòu)隧道開挖空間效應(yīng)基礎(chǔ)上，研究隧道周圍地層流變時效特性對鄰近橋樁影響，研究結(jié)果可為評估盾構(gòu)隧道施工對鄰近橋樁影響程度和制定鄰近橋樁保護(hù)措施提供參考。

1 盾構(gòu)區(qū)間隧道側(cè)穿的鄰近橋梁情況

某地鐵區(qū)間隧道采用土壓平衡模式掘進(jìn)，在里程DK1+631.621～DK2+500范圍內(nèi)近距離側(cè)穿南北二干線橋的橋樁，隧道穿越地層主要為富水粉質(zhì)黏土地層，該區(qū)間隧道巖土工程勘察報(bào)告顯示粉質(zhì)黏土地層具有較明顯蠕變特性，由于開挖擾動和地層長期流變特性疊加影響，降低橋樁側(cè)摩阻力和橋樁承載能力，影響橋梁上部結(jié)構(gòu)安全，針對此類型地層，在分析盾構(gòu)隧道施工對鄰近橋樁影響時必須考慮地層長期蠕變特性的影響。

地鐵1期工程土建施工第二合同段由勞動路站、望花街站～勞動路站區(qū)間及勞動路站～望花屯站區(qū)間組成，即“1站2區(qū)間”，均為地下線，基本呈“S”型敷設(shè)。某地鐵土建施工第2標(biāo)段衛(wèi)星圖如圖1所示。

圖1 某地鐵土建施工第2標(biāo)段衛(wèi)星圖Fig.1 Satellite image of civil construction section 2 of a subway

望花街站～勞動路站區(qū)間隧道北起望花街站，區(qū)間沿望花北街向南走行，在里程DK1+631.621～DK2+500范圍內(nèi)側(cè)穿南北二干線橋橋樁，穿越橋樁段區(qū)間隧道拱頂覆土為10.3 ～16.1 m。

南北二干線工程在望花北街段為高架橋結(jié)構(gòu)，橋梁上部結(jié)構(gòu)為多跨連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用6樁承臺基礎(chǔ)上接π型墩柱型式，橋樁采用機(jī)械成孔灌注樁，樁徑1.5 m，樁長46 m，為端部承載+摩擦樁，橋樁外皮距離區(qū)間右線隧道凈距離為13～16 m。盾構(gòu)隧道與南北二干線橋位置如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道與南北二干線橋位置Fig.2 Locations of shield tunnel and north-south 2nd trunk bridge

盾構(gòu)區(qū)間隧道地層主要由第4系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)黏性土、砂類土及碎石類土組成，其中盾構(gòu)隧道穿越部位及上方地層主要為富水粉質(zhì)黏土地層，巖土工程勘察報(bào)告顯示該地層具有“低滲透性、高含水量(天然含水量ω約為26.0%)”特點(diǎn)，地層中細(xì)顆粒含量高，粒徑≤10 μm的顆粒占比高達(dá)61.23%，為高黏粉含量的黏土地層。

地下水主要有上層滯水和孔隙潛水。上層滯水主要賦存于第4系渾河老扇沖洪積形成的粉質(zhì)黏土層中，主要受大氣降水及人為活動影響，穩(wěn)定水位深度1.0～4.8 m；孔隙潛水具有微承壓性水，主要含水層為礫砂層及以下透水性地層，穩(wěn)定水位埋深為26.5～27.0 m。低于隧道開挖面約1～8 m，區(qū)間隧道地質(zhì)縱斷面如圖3所示。

圖3 望花街站～勞動路站區(qū)間地質(zhì)剖面圖Fig.3 Geological profile of interval between Wanghuajie station and Laodonglu station

2 考慮粉質(zhì)黏土地層蠕變特性的盾構(gòu)隧道施工對鄰近橋樁影響分析

2.1 計(jì)算模型

本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，橋梁基礎(chǔ)距盾構(gòu)右線隧道13 m?？紤]邊界效應(yīng)影響，模型上邊界取至地表，下邊界距樁底10 m。模型尺寸為84 m×120 m×60 m，如圖4所示。模型上邊界為自由邊界，模型四周及底部采用法向約束。

圖4 數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.4 Model of numerical simulation calculation

為確保與實(shí)際工程施工工序安排一致，首先模擬盾構(gòu)右線掘進(jìn)(鄰近橋樁一側(cè))，待右線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)結(jié)束應(yīng)力平衡后，開始左線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)。盾構(gòu)掘進(jìn)主要參數(shù)為土倉壓力0.15 MPa，同步注漿壓力0.35 MPa，注漿層厚度0.15 m。計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算模型的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of calculation model

樁土相互作用采用接觸面單元模擬，盾構(gòu)掘進(jìn)模擬方法包括以下4部分：

1)盾構(gòu)掘進(jìn)1環(huán)(1.2 m)，開挖面施加梯形支護(hù)力以模擬土倉壓力。

2)開挖面后5環(huán)(6 m)范圍內(nèi)設(shè)置環(huán)向盾殼單元，并施加豎向盾構(gòu)機(jī)自重力。

3)盾構(gòu)向前掘進(jìn)1環(huán)后，將盾尾處盾殼單元刪除，在該處設(shè)置管片及等代層單元，施加環(huán)向同步注漿壓力，等代層處設(shè)置軟漿液參數(shù)；待盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)2環(huán)后，提高等代層漿液參數(shù)以模擬漿液硬化過程。通過等代層單元參數(shù)的改變，模擬盾尾空隙同步注漿及漿液硬化過程。

4)繼續(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)，循環(huán)模擬，直到設(shè)置的計(jì)算模型掘進(jìn)結(jié)束。

2.2 盾構(gòu)穿越部位粉質(zhì)黏土地層蠕變模型研究

本區(qū)間隧道巖土工程勘察報(bào)告提供圍壓200，300 kPa情況下黏土地層蠕變試驗(yàn)結(jié)果：

1)試樣加載后產(chǎn)生瞬時變形，所以構(gòu)建的本構(gòu)模型應(yīng)有彈性元件。

2)隨時間增加，應(yīng)變不斷增大，但蠕變速率逐漸衰減并趨于穩(wěn)定，因此選用的本構(gòu)模型應(yīng)包含黏性元件。

描述地層蠕變特性主要模型包括D-P模型和Burgers模型[17]。Burgers模型可描述粉質(zhì)黏土地層瞬態(tài)蠕變和等速蠕變[18]，由Maxwell模型與Kelvin模型串聯(lián)組成，工程盾構(gòu)隧道穿越黏土地層蠕變包含第1階段的瞬態(tài)蠕變和第2階段的等速蠕變，因此本文選擇Burgers模型進(jìn)行研究。

穿越橋樁段區(qū)間隧道拱頂覆土為10.3～16.1 m，深度16.1 m處黏土承受軸壓σ0=γh=19.7×16.1=317 kPa。選擇軸壓300 kPa的蠕變試驗(yàn)曲線計(jì)算蠕變模型參數(shù)，見表2。計(jì)算設(shè)定蠕變時間為10 a，觀測10 a橋梁基礎(chǔ)變形演變規(guī)律。

表2 蠕變模型參數(shù)Table 2 Parameters of creep model

采用FLAC3D中的CVISC模型，該本構(gòu)模型在Burgers模型基礎(chǔ)上串聯(lián)1個Mohr-Coulomb模型。Mohr-Coulomb模型可模擬黏土地層塑性變形。

2.3 考慮地層蠕變效應(yīng)的橋樁變形數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

南北二干線橋下部結(jié)構(gòu)為6樁承臺接π型墩柱型式，因此選擇橋梁承臺中心點(diǎn)作為計(jì)算結(jié)果取值點(diǎn)，重點(diǎn)研究該取值點(diǎn)在盾構(gòu)掘進(jìn)階段至設(shè)定蠕變計(jì)算時間結(jié)束期間變形特征及演變規(guī)律。

橋梁承臺中心點(diǎn)沉降和水平變形歷時曲線分別如圖5和圖6所示。

圖5 橋梁承臺中心點(diǎn)沉降歷時曲線Fig.5 Settlement duration curve of center point of bridge cap

圖6 橋梁承臺中心點(diǎn)水平位移歷時曲線Fig.6 Horizontal displacement duration curve of center point of bridge cap

圖5中橋梁承臺基礎(chǔ)中心點(diǎn)沉降可分為2個階段：

1)急劇發(fā)展階段：盾構(gòu)掘進(jìn)通過橋梁至第12個月，橋梁承臺基礎(chǔ)中心點(diǎn)沉降值由2.0 mm急劇增加至10.3 mm。

2)趨于穩(wěn)定階段：盾構(gòu)隧道通過12個月以后，橋梁承臺基礎(chǔ)中心點(diǎn)逐漸趨于穩(wěn)定，12～120個月期間，沉降值由10.3 mm增加到10.8 mm。

圖6中橋梁承臺基礎(chǔ)中心點(diǎn)水平位移大致分為2個階段：

1)急劇增大階段：盾構(gòu)掘進(jìn)通過橋梁至第12個月，橋梁承臺基礎(chǔ)中心點(diǎn)水平位移值由4 mm急劇增加至14.7 mm。

2)趨于穩(wěn)定階段：12個月以后，橋梁承臺基礎(chǔ)中心點(diǎn)水平變形基本不再增加。

計(jì)算結(jié)果表明，在分析盾構(gòu)施工對鄰近橋樁影響時必須考慮黏土地層長期變形特性的不利影響，且對橋梁基礎(chǔ)沉降影響持續(xù)時間更長。南北二干線工程為多跨連續(xù)梁橋，橋梁變形控制標(biāo)準(zhǔn)高，橋梁安全評估報(bào)告給出的橋梁墩柱累計(jì)沉降值小于8 mm，顯然，在考慮地層蠕變效應(yīng)時，橋樁絕對沉降值將超過控制指標(biāo)，因此需要對鄰近橋梁采取保護(hù)措施。

3 鄰近橋樁保護(hù)措施研究

3.1 對鄰近橋樁影響的定性分析

盾構(gòu)隧道開挖影響范圍如圖7所示。由圖7可知，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對橋梁承臺影響較大，同時對鄰近隧道一側(cè)橋樁也會產(chǎn)生一定影響。如果承臺沉降超標(biāo)，將會在上部蓋梁產(chǎn)生附加應(yīng)力，影響橋梁安全運(yùn)營。

圖7 盾構(gòu)隧道開挖影響范圍Fig.7 Analysis on influence range of shield tunnel excavation

3.2 鄰近橋樁保護(hù)措施

根據(jù)地鐵隧道與橋樁位置及穿越地層特點(diǎn)，擬定保護(hù)措施包括以下2種：

1)施工隔離樁保護(hù)措施。在橋樁與盾構(gòu)隧道間施工隔離樁，采取復(fù)合錨桿樁，共設(shè)置2排；縱向間距1.5 m，排距0.8 m，擴(kuò)散半徑0.75 m，樁長27 m，打設(shè)角度90°。

2)盾構(gòu)隧道內(nèi)徑向注漿。在吊裝孔及管片增設(shè)的預(yù)留注漿孔中設(shè)置一定長度的注漿管，采取徑向注漿方式，對隧道夾土層以及隧道周邊靠近橋樁一側(cè)土體進(jìn)行加固。考慮到地層為粉質(zhì)黏土，區(qū)間隧道粉質(zhì)黏土中細(xì)顆粒較多，中位粒徑6.99 μm，其中粒徑≤10 μm的顆粒占比高達(dá)61.23%。因此注漿材料采用超細(xì)水泥漿液，以增加可注性。注漿保護(hù)措施和隔離樁保護(hù)措施如圖8所示。

圖8 地層注漿加固措施和隔離樁保護(hù)措施Fig.8 Stratum grouting reinforcement measure and isolation pile protection measure

3.3 隔離樁和洞內(nèi)徑向注漿措施效果分析

隔離樁能夠有效阻斷隧道施工引起的土體擾動傳播，在一定程度上阻斷因隧道掘進(jìn)引起的地層變形，起到保護(hù)鄰近橋梁樁基的作用。徑向注漿措施能夠有效減少盾構(gòu)掘進(jìn)造成的地層損失，從而減少對周圍土體的擾動。采取隔離樁和徑向注漿措施等不同工況下承臺基礎(chǔ)中心點(diǎn)沉降和水平位移曲線如圖9～10所示。

圖9 不同保護(hù)措施的橋梁承臺中心點(diǎn)沉降歷時曲線Fig.9 Settlement duration curve of center point of bridge cap with different protection measures

圖10 不同保護(hù)措施的橋梁承臺中心點(diǎn)水平位移歷時曲線Fig.10 Horizontal displacement duration curve of center point of bridge cap with different protection measures

由圖9～10可知，在盾構(gòu)隧道與橋樁之間施作的隔離樁和盾構(gòu)隧道內(nèi)徑向注漿加固措施均能將橋樁基礎(chǔ)沉降和水平變形控制在6 mm之內(nèi)，且橋梁基礎(chǔ)沉降在5個月左右的時間就可趨于穩(wěn)定。

3.4 對鄰近南北二干線橋樁保護(hù)措施的建議

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，在地表設(shè)置隔離樁和盾構(gòu)隧道對周圍地層實(shí)施徑向注漿加固等2種措施，均可有效減少鄰近橋樁的蠕變變形，且兩者保護(hù)效果相近。

根據(jù)地鐵工程鄰近橋梁風(fēng)險等級劃分方法,并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)論，盾構(gòu)隧道與橋梁鄰近等級劃分為“較鄰近”，相應(yīng)風(fēng)險等級為“風(fēng)險較大”,可以采取“邊施工、邊加固”的處理方法。

考慮到盾構(gòu)隧道側(cè)穿的南北二干線為某市南北交通干線，橋下為城市干道，交通流量大，在地表施作隔離樁需進(jìn)行大量交通導(dǎo)行，對城市交通干擾大。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，洞內(nèi)采用徑向注漿可滿足對鄰近橋樁保護(hù)要求，具體保護(hù)措施包括以下2種：

1)在盾構(gòu)隧道內(nèi)實(shí)施洞內(nèi)徑向注漿。在管片上預(yù)留注漿孔，通過中空鉆桿內(nèi)注漿的方法注漿，采用超細(xì)水泥+水玻璃雙液漿。鉆孔至底標(biāo)高時，鉆孔A150 mm內(nèi)置PVC注漿管，注漿管用PVC專用膠連接，注漿半徑500 mm，豎向間距1 000 mm，橫向間距800 mm；雙液漿水灰比1.2∶1，水玻璃波美度≥35°Bé，雙液漿比例1∶1，注漿壓力控制在0.5 MPa，無壓力后停止注漿，封孔采用雙液漿進(jìn)行封孔。

2)本工程盾構(gòu)機(jī)刀盤外徑6 190 mm，盾殼外徑為6 160 mm，二者間存在30 mm間隙，注入泥漿可有效填充間隙。

4 結(jié)論

1)盾構(gòu)隧道貫通后，鄰近南北二干線橋的承臺基礎(chǔ)沉降和水平變形持續(xù)增加，變形趨于穩(wěn)定需要1 a時間，且累計(jì)沉降值將超過橋梁樁基礎(chǔ)允許沉降值。

2)對鄰近橋樁采取隔離樁和盾構(gòu)隧道內(nèi)徑向注漿2種保護(hù)措施，2種措施均能將橋樁基礎(chǔ)沉降值和水平變形控制在6 mm之內(nèi)，且橋梁承臺基礎(chǔ)沉降在5個月左右就趨于穩(wěn)定。

3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，建議采用盾構(gòu)隧道內(nèi)洞內(nèi)徑向注漿的保護(hù)措施，并做好刀盤與盾殼間隙的填充注漿。