近距離并行高架時(shí)盾構(gòu)施工防護(hù)技術(shù)

趙風(fēng)嶺，李強(qiáng)

（1.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督站，北京 100860；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

隨著城市化的推進(jìn)，城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越成為熱點(diǎn)話題，特別是大中城市的土地資源越來(lái)越緊缺，越來(lái)越成為城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要制約因素之一，因此空間資源開(kāi)發(fā)利用方向也越來(lái)越向地下發(fā)展[1-4]。在密集的城市軌道交通線網(wǎng)中，新建市政管線、軌道交通、地下通道、綜合管廊等不可避免地會(huì)下穿既有軌道交通結(jié)構(gòu)，引起既有結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷或影響軌道交通的正常運(yùn)營(yíng)[5-7]。因此，下穿工程是目前城市地下工程建設(shè)中風(fēng)險(xiǎn)最高、難度最大的工程。

目前，國(guó)內(nèi)外以隧道施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響為主旨，開(kāi)展了一定的研究。譬如通過(guò)解析解方法，分析了隧道開(kāi)挖引起的地層位移、沉降，采用小比尺試驗(yàn)和離心模型試驗(yàn)進(jìn)行隧道施工引起相鄰地層位移影響的分析，開(kāi)展工程案例現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，推演施工對(duì)既有建筑物的影響[8-11]。相關(guān)研究取得了一定進(jìn)展，為盾構(gòu)下穿既有結(jié)構(gòu)物的研究做出了貢獻(xiàn)。在現(xiàn)有研究中，盾構(gòu)隧道并行既有地鐵高架基礎(chǔ)的研究較少。本文基于鐵路隧道工程實(shí)例，對(duì)并行高架基礎(chǔ)時(shí)的工程防護(hù)技術(shù)及其效果進(jìn)行了分析，提出了可靠的防護(hù)方案，為后續(xù)并行工程提供了理論經(jīng)驗(yàn)。

1 工程情況概述

1.1 場(chǎng)地情況

新建北京至張家口鐵路工程清華園隧道位于北京市海淀區(qū)，隧道全長(zhǎng)6 020 m，采用明挖+盾構(gòu)法施工，其中，盾構(gòu)段長(zhǎng)4 448.5 m，分2個(gè)區(qū)間組織施工，2—1盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)2 707.5 m，3—2盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)1 741 m。清華園隧道3號(hào)井—2號(hào)井區(qū)間西側(cè)緊鄰地鐵13號(hào)線，與13號(hào)線呈平行狀態(tài)、間距均勻，盾構(gòu)機(jī)距地鐵13號(hào)線承臺(tái)凈距14.5耀14.8 m、隧道邊界距13號(hào)線承臺(tái)凈距14.7耀15.0 m。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)后，水平以直線、豎向以1.25%下坡向小里程掘進(jìn)，隧道埋深由6.8 m增加到11.3 m（對(duì)應(yīng)盾構(gòu)機(jī)覆土深度為6.6耀11.1 m）。

地鐵13號(hào)線采用高架橋形式沿清華園隧道西側(cè)鋪設(shè)，橋墩基礎(chǔ)為直徑1 m鉆孔灌注樁，單樁長(zhǎng)22 m，2~4樁承臺(tái)，承臺(tái)上為混凝土方形柱墩。地鐵13號(hào)線軌道結(jié)構(gòu)型式為60 kg/m鋼軌，1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距，無(wú)縫線路，整體倒床。

3號(hào)井—2號(hào)井盾構(gòu)區(qū)間穿越的土層自上而下分別為雜填土層、粉質(zhì)黏土層、粉土層、粉質(zhì)黏土層、卵石土層，盾構(gòu)施工穿越的土層為粉質(zhì)黏土層、卵石土層，局部夾雜少量粉、細(xì)砂層。北京地區(qū)第四系地層中的松散巖類孔隙水按埋藏條件分為上層滯水、潛水和承壓水。局部分部少量上層滯水，分部無(wú)規(guī)律，僅局部分布，該層水位埋藏深度一般在3.4~5.7 m左右；層間潛水，水位埋深為22.0~24.0 m左右，含水層為卵石土層、粉土層、粉砂層、細(xì)砂層、中砂層、粗砂層等。

1.2 防護(hù)方案設(shè)計(jì)

為了確認(rèn)不同防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果，在3—2區(qū)間始發(fā)段盾構(gòu)隧道與高架之間設(shè)置鉆孔灌注樁、復(fù)合錨桿樁、跟蹤注漿3種不同形式的防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)地鐵13號(hào)線高架進(jìn)行防護(hù)，通過(guò)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果，從而選擇最優(yōu)的防護(hù)措施。試驗(yàn)段（DK18+200—DK17+825）總長(zhǎng)375 m。前200 m（DK18+200—DK18+000）為始發(fā)試驗(yàn)段，主要用于測(cè)試盾構(gòu)機(jī)自身性能，調(diào)整合理的施工參數(shù)；剩余175 m（DK18+000—DK17+825）為防護(hù)措施試驗(yàn)段，基于穩(wěn)定的掘進(jìn)參數(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)3種防護(hù)措施的效果進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 防護(hù)試驗(yàn)段防護(hù)措施整體平面布置圖Fig.1 Overall layout of the protecting plans in protective test section

在175 m范圍內(nèi)對(duì)地鐵13號(hào)線防護(hù)措施由強(qiáng)至弱逐漸遞減。DK17+985斷面布置方案：準(zhǔn)800@1 200 mm鉆孔灌注樁1排，鉆孔灌注樁打入隧底以下2 m，單樁長(zhǎng)22.23 m，鉆孔灌注樁距離盾構(gòu)隧道邊界最小距離1.5 m；DK17+885斷面采用復(fù)合錨桿樁，布置方案：準(zhǔn)180復(fù)合錨桿樁，3排梅花形布置，間距0.8 m伊0.5 m，復(fù)合錨桿樁打入底板以下3 m，距離盾構(gòu)隧道邊界最小距離2.0 m；DK17+835斷面采用跟蹤注漿的防護(hù)加固措施，注漿管采用了42 mm袖閥管，間距1.5 m伊2 m布置，袖閥管打入隧底以下2 m，注漿半徑0.8 m。由于DK17+985、DK17+885和DK17+835斷面所對(duì)應(yīng)的鄰近橋墩皆為4樁承臺(tái)，因此在后續(xù)分析中重點(diǎn)介紹了不同防護(hù)方案下，4樁承臺(tái)的變形情況。

2 防護(hù)方案的數(shù)值仿真分析

采用PLAXIS進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模型整體尺寸為200 m伊80 m伊70 m，采用樁單元模擬橋樁，采用實(shí)體單元模擬土層。采用靜力分析步驟，模擬不同開(kāi)挖階段防護(hù)樁和橋墩的變形情況。把3種不同的防護(hù)措施放在一個(gè)模型中，整體分析不同防護(hù)措施的影響。隧道拱頂埋深9.3 m，橋樁與隧道中線最小距離為14.8 m。

分別對(duì)DK17+985、DK17+885、DK17+835三個(gè)斷面進(jìn)行模擬分析，計(jì)算相應(yīng)的地層和結(jié)構(gòu)變形。

通過(guò)計(jì)算可知，采用鉆孔灌注樁進(jìn)行防護(hù)的DK17+985斷面，地表沉降最大值為9.12 mm，鉆孔灌注樁橫向最大位移為4.91 mm，橋樁最大橫向位移為1.85 mm，從變形可以看出，盾構(gòu)開(kāi)挖前布置鉆孔灌注樁，對(duì)變形傳遞有一定的阻隔效果，能夠有效降低橋樁的沉降變形。采用復(fù)合錨桿樁進(jìn)行防護(hù)的DK17+885斷面，地表沉降最大值為10.25 mm，復(fù)合錨桿樁橫向最大位移為4.75 mm，橋樁最大橫向位移為1.79 mm。同鉆孔灌注樁相比，復(fù)合錨桿樁對(duì)阻隔橫向變形傳遞效果相差不大，但對(duì)減小地表沉降的效果不如鉆孔灌注樁。采用跟蹤注漿進(jìn)行防護(hù)的DK17+835斷面，計(jì)算可知，地表沉降最大值為11.53 mm，橋樁最大橫向位移為1.75 mm。同其他防護(hù)措施相比，注漿層防護(hù)效果最弱，對(duì)減小地表沉降變形效用最低。

將3種防護(hù)措施處理后地表沉降情況匯總，如圖2所示。圖中虛線為橋樁所在位置。

圖2 不同斷面地表沉降曲線Fig.2 Surface settlement curves of different sections

防護(hù)結(jié)構(gòu)與隧道中心線相距8~10 m，從圖中曲線能夠明顯看出該位置地表沉降曲線有拐點(diǎn)，這表明采用防護(hù)樁或復(fù)合錨桿樁，都能夠有效隔斷地層變形傳遞，保護(hù)13號(hào)線橋梁結(jié)構(gòu)不受隧道開(kāi)挖的影響。

3 防護(hù)措施現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 監(jiān)測(cè)布置

以DK17+985斷面為例進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)斷面布置5個(gè)地表測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)地表沉降，1個(gè)模擬樁（包含4個(gè)測(cè)斜管）監(jiān)測(cè)樁頂沉降及樁身水平位移，1排鉆孔灌注樁（包含3個(gè)測(cè)斜管）監(jiān)測(cè)樁頂沉降及樁身水平位移，監(jiān)測(cè)布置如圖3所示。

圖3 DK17+985斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Locations of the monitoring points on the section DK17+985

3.2 地表沉降

以DK17+985斷面為例進(jìn)行地表沉降觀測(cè)，如圖4所示。

圖4 DK17+985斷面地表沉降圖Fig.4 Surface settlement of the section DK17+985

由圖4可以看出，測(cè)點(diǎn)隨著掘進(jìn)距離的增加，在前20 m范圍內(nèi)沉降值明顯增大。本監(jiān)測(cè)斷面的地表沉降點(diǎn)總體來(lái)說(shuō)量值很小，沉降速率在開(kāi)挖面到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)候接近最大值，而后由于盾尾同步注漿及二次注漿會(huì)使沉降得到補(bǔ)償，最終沉降在14 mm以內(nèi)。從圖中還可以看出，樁側(cè)土體的沉降最小，不到2.2 mm，其分布仍然可用高斯曲線近似模擬，鉆孔灌注樁有效地阻隔了變形的傳遞。

3.3 防護(hù)樁頂沉降

以DK17+985斷面為例進(jìn)行防護(hù)樁頂沉降觀測(cè)，如圖5所示。

圖5 DK17+985斷面防護(hù)樁頂沉降圖Fig.5 Settlement of the protecting pile on the section DK17+985

由圖5可以看出，樁的沉降非常小，最大值僅為2.1 mm，由于樁相對(duì)于土體而言，剛性較大，其樁頂沉降與樁底沉降基本相等，而隧道底部的沉降已經(jīng)很小，所以樁頂部的沉降較小。

3.4 防護(hù)樁水平位移

以DK17+985斷面為例，監(jiān)測(cè)防護(hù)樁的水平位移，呈現(xiàn)出向隧道外側(cè)頂?shù)淖冃我?guī)律，如圖6所示。其中變形穩(wěn)定階段的水平位移整體變形趨勢(shì)和量值較到達(dá)前、切口到達(dá)和盾尾脫出3個(gè)階段的變化大，最大變形值在1~2 mm范圍內(nèi)。

圖6 DK17+985斷面防護(hù)樁水平位移圖Fig.6 Lateral displacement of the protecting pile on the section DK17+985

4 評(píng)價(jià)指標(biāo)及分析評(píng)價(jià)

防護(hù)措施的作用主要是隔斷變形的傳遞過(guò)程，即土體變形在防護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。為了定量化地體現(xiàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)的這種防護(hù)效果，基于防護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面變形穩(wěn)定階段的地表變形曲線，通過(guò)公式（1）計(jì)算得到變形斜率相對(duì)減小率濁。

式中：K0為選取變形曲線防護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)曲線斜率；Ki為防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)曲線斜率。

將選取防護(hù)段每個(gè)斷面穩(wěn)定階段的地表沉降曲線計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)濁，并通過(guò)對(duì)比濁的值來(lái)評(píng)價(jià)3種防護(hù)措施的效果。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 防護(hù)措施效果評(píng)價(jià)表Table 1 Evaluation on the defending effect of protecting measures

從表1可以看出：防護(hù)試驗(yàn)段3種防護(hù)措施效果強(qiáng)弱順序如下：鉆孔灌注樁>復(fù)合錨桿樁>跟蹤注漿。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)近距離并行高架的盾構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行了分析，研究了不同防護(hù)方案下盾構(gòu)施工引起的臨近建筑變形，主要結(jié)論如下：

1）3種防護(hù)措施在盾構(gòu)隧道施工中，都起到有效阻隔地層變形的效果。防護(hù)樁的水平位移呈現(xiàn)出向隧道外側(cè)頂?shù)淖冃我?guī)律，其中變形穩(wěn)定階段的水平位移整體變形趨勢(shì)和量值較到達(dá)前、切口到達(dá)和盾尾脫出3個(gè)階段的變化大。

2）防護(hù)措施對(duì)地層損失的影響較小，防護(hù)措施的作用主要是隔斷變形的傳遞過(guò)程。防護(hù)試驗(yàn)段的3種防護(hù)措施對(duì)地層變形均具有一定的隔斷作用，鉆孔灌注樁較復(fù)合錨桿樁的好，地層跟蹤注漿加固防護(hù)措施的效果最弱。

3）從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析來(lái)看，目前試驗(yàn)段盾構(gòu)施工參數(shù)控制較好，地表最終沉降在14 mm以內(nèi)，樁的沉降量?jī)H為2.1 mm。防護(hù)樁的水平位移向隧道外側(cè)頂，最大變形值在1~2 mm范圍內(nèi)。