大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)段掘進對近接既有地鐵橋梁的影響分析*

王 軍

(中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

地下交通越來越成為緩解城市交通擁堵的最佳選擇[1-3]，盾構(gòu)隧道因其對周圍環(huán)境干擾小而得到廣泛應(yīng)用[4-6]。然而，盾構(gòu)施工過程中會不可避免地造成鄰近建(構(gòu))筑物的擾動，這就是所謂的盾構(gòu)近接施工。盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有橋梁樁基亦屬于盾構(gòu)近接施工中1類需要重點關(guān)注的施工重難點。此時，鄰近運營橋梁樁基將受到盾構(gòu)隧道開挖掘進較大的影響[7-8]。

為了確保盾構(gòu)近接橋梁樁基安全施工，國內(nèi)諸多學者針對盾構(gòu)近接橋梁結(jié)構(gòu)掘進施工開展了相關(guān)研究。辛振省[9]針對既有橋墩樁基在盾構(gòu)隧道近距離穿越影響下的力學行為開展了數(shù)值模擬研究。史淵等[10]以武漢市地鐵7號線某隧道區(qū)間盾構(gòu)側(cè)穿滬蓉漢高鐵橋梁為工程背景，通過建立數(shù)值模型分析了隔離樁對橋梁樁基變形的控制效果，指出隔離樁可有效減小盾構(gòu)掘進對鄰近橋梁樁基的影響規(guī)模。賴金星等[11]針對盾構(gòu)穿越群樁基礎(chǔ)開展了三維有限元動態(tài)仿真模擬，將群樁基礎(chǔ)水平位移的增長過程分為了盾構(gòu)到達前、穿越時以及注漿階段3個階段。孫雪兵[12]以武漢地鐵3號線盾構(gòu)機下穿鐵路橋梁施工為工程背景，以樁基礎(chǔ)與隧道之間凈距為變量，通過數(shù)值計算分析了盾構(gòu)掘進對地表沉降及橋梁結(jié)構(gòu)變形的影響。成煒康等[13]以鄭州某盾構(gòu)隧道在粉細砂地層下穿建筑物樁基為工程背景，建立了三維實體模型，分析了盾構(gòu)下穿建筑物樁基礎(chǔ)引起位移與內(nèi)力的變化規(guī)律。

許世偉等[14]采用FLAC3D軟件對盾構(gòu)隧道鄰近市政橋梁的施工過程進行了仿真分析，有效地對盾構(gòu)開挖掘進對既有橋梁的影響程度進行了預(yù)測，并提出了有針對性的防護措施。黃新民[15]針對鄭州地鐵1號線盾構(gòu)隧道下穿人行天橋樁基礎(chǔ)，介紹了采取“頂托+加固”確保人行天橋安全營運的方法。李幸發(fā)[16]針對廣佛線盾構(gòu)隧道穿越橋梁樁基的工程案例，介紹了盾構(gòu)施工過程中的防護措施及相關(guān)施工要點，為相似工程提供了參考與借鑒。王哲等[17]針對盾構(gòu)穿越6根大直徑橋柱的工程需求，開展了磨樁技術(shù)研究，結(jié)合有數(shù)值模擬對刀具的角度開展了相關(guān)分析，并提出了合理的刀具布置形式。徐前衛(wèi)等[18]以北京地鐵8號線某隧道側(cè)穿橋梁基礎(chǔ)為施工背景，建立了動態(tài)數(shù)值仿真模型，得到了盾構(gòu)穿越導致橋梁結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律，并給出了針對性控制方案。

目前很多學者采用理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場試驗的方法對盾構(gòu)隧道穿越既有橋梁的影響開展研究并取得了許多有意義的成果，但是針對大直徑盾構(gòu)，特別是大直徑泥水平衡盾構(gòu)的研究相對較少。盾構(gòu)始發(fā)段是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵節(jié)點，需要確保盾構(gòu)始發(fā)安全施工。本文依托京張高鐵清華園隧道工程3#～2#盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)段為工程背景，建立三維精細化有限元數(shù)值模型，對大直徑盾構(gòu)始發(fā)段施工掘進對既有橋梁結(jié)構(gòu)及地表沉降的影響規(guī)律進行分析研究，并給出有針對性的防控措施，結(jié)合信息化智能監(jiān)控保障盾構(gòu)始發(fā)段安全掘進，可為今后類似工程提供有效的依據(jù)和可靠的工程借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

清華園隧道全長約6 km，為北京至張家口城際高速鐵路中的重點控制工程，其中盾構(gòu)段長4 448.5 m，3#～2#盾構(gòu)段起訖里程為DK18+200～DK16+459，2#～1#盾構(gòu)段起訖里程為DK16+317.5～DK13+610。隧道拱頂最大埋深為28.7 m，最小埋深為6.8 m，平均埋深約18 m。隧道工程區(qū)地層主要為粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、中砂、卵石土。根據(jù)地質(zhì)勘察報告顯示，該地層中粉土及粉質(zhì)黏土超過50 μm顆粒含量占比約15%，粒徑在50～20 μm范圍內(nèi)的顆粒含量占比約50%，粒徑在20 μm以下顆粒含量占比約35%。卵石土地層中，粒徑在2～6 cm的卵石含量占比為60%，卵石最大粒徑約15 cm，詳見圖1。

圖1 清華園隧道盾構(gòu)掘進段地質(zhì)剖面

1.2 盾構(gòu)近接橋梁施工概況

清華園隧道全線近距離并行側(cè)穿北京地鐵13號線，其與地鐵13號線橋梁樁基的位置關(guān)系如圖2所示。在清華園隧道施工期間，地鐵13號線載客正常運營，故其安全性需要可靠的保障。五道口高架橋全長1 232 m，采用的截面是單箱單室，橋梁結(jié)構(gòu)為墩柱式，箱梁高1.4 m，頂板和底板的厚度均為0.2 m。橋梁采用矩形截面雙柱式橋墩，2個橋柱間距為2.0 m，墩身截面橫向為1.12 m，縱向為1.40 m，橋梁樁基通過直徑為1.0 m混凝土灌注樁進行施工。

圖2 清華園隧道與地鐵13號線位置關(guān)系

五道口高架橋盾構(gòu)區(qū)間隸屬于3#～2#盾構(gòu)區(qū)間，該區(qū)間采用泥水平衡盾構(gòu)開挖掘進，盾構(gòu)開挖直徑為12.64 m。管片外徑為12.2 m，內(nèi)徑為11.1 m，厚度為0.55 m，管片環(huán)寬為2 m。相對于一般盾構(gòu)近接施工而言，長達6 020 m的清華園隧道并行正在運營的北京地鐵13號線，清華園隧道距離北京地鐵13號線3.4～32 m。盾構(gòu)近接施工對周邊環(huán)境極為敏感，地鐵13號線道岔區(qū)沉降變形控制要求高，盾構(gòu)近接橋梁施工難度與復(fù)雜程度大。因此，十分有必要針對盾構(gòu)長距離近接橋梁施工引起的地層擾動和樁基變形位移進行有限元計算和分析，進而采取必要防控措施，確保隧道施工及地鐵運營安全。

2 數(shù)值計算三維模型的建立

由于盾構(gòu)在砂卵石地層掘進引起的地層擾動控制難度大，并且始發(fā)階段更易發(fā)生安全事故，此處選取京張高鐵清華園隧道3#～2#區(qū)間始發(fā)段盾構(gòu)掘進對鄰近地鐵橋梁樁基礎(chǔ)的影響進行數(shù)值仿真。

2.1 幾何模型參數(shù)

通過有限差分軟件FLAC3D進行建模和模擬計算，模型尺寸為142 m×120 m×45 m，總共有計算節(jié)點782 110個、計算單元762 036個，如圖3所示。土體的本構(gòu)模型基于摩爾-庫倫屈服準則，橋墩、地下連續(xù)墻、基坑結(jié)構(gòu)、管片、盾構(gòu)機等結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。其中，土層、墩身及承臺通過三維實體單元進行模擬，而灌注樁采用pile結(jié)構(gòu)單元進行建模。

圖3 三維數(shù)值模型

與清華園隧道近距離并行的地鐵13號線橋梁屬于簡支橋梁，每段簡支橋梁長度為25 m。橋墩的實際尺寸為隧道線路縱向1.4 m、隧道橫向1.0 m，墩高為1.5 m(埋于土中)+3.3 m(外露)，承臺尺寸為2.8 m(隧道線路縱向)×5.0 m(隧道橫向)?？紤]始發(fā)豎井基坑的支護對始發(fā)段土體的約束不屬于完全約束邊界條件，因此建立部分基坑模型進行計算。

模型的頂面為自由邊界，模型底面限制XYZ 3個方向的位移，模型的四周施加垂直于該面的位移約束。由于模型中的地下水位位于地表以下10 m處，且由于施工過程的時間較短，故在數(shù)值模擬中忽略土體自身固結(jié)的影響，并且地下水對數(shù)值模擬的影響也不是本文研究的內(nèi)容，故不考慮。

2.2 模型材料參數(shù)

為了能夠有效模擬盾構(gòu)掘進對鄰近橋梁的影響并與現(xiàn)場實際施工相吻合，數(shù)值模型的土體參數(shù)采用清華園隧道地質(zhì)勘查得到的數(shù)據(jù)材料，橋梁結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)參數(shù)也采用工程中的實際數(shù)據(jù)。

對于天然土層，計算模型土層自上向下共分為5層，分別是粉土、粉質(zhì)黏土1、砂卵石土1、粉質(zhì)黏土2、砂卵石土2，計算參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學參數(shù)

對于加固區(qū)土體，使用高壓旋噴法進行土體加固后的參數(shù)與天然土體參數(shù)有較大的差別，加固區(qū)土體參數(shù)依據(jù)施工現(xiàn)場實際加固方案以及孫星亮等[19]、張彥斌[20]的研究進行選取，加固區(qū)土體的物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 土體加固區(qū)物理力學參數(shù)

通過將盾構(gòu)機段的注漿層單元參數(shù)從土體參數(shù)換為鋼材參數(shù)模擬盾構(gòu)機，并加大單元密度，使得盾構(gòu)機段的視比重同實際情況類似。盾構(gòu)機段后為隧道段，此時注漿層單元的參數(shù)由盾構(gòu)機段轉(zhuǎn)換為注漿層物理力學參數(shù)，注漿層的強度不考慮時間因素。隧道結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)如表3所述。

表3 隧道結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

橋墩實體單元部分與基坑結(jié)構(gòu)采用相同的計算參數(shù)，橋墩基礎(chǔ)的鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)單元參數(shù)采用表4中的數(shù)值。簡支梁計算重量750 t，通過對墩身頂部單元施加等效面力模擬。

表4 橋墩與基坑結(jié)構(gòu)及鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)單元物理力學參數(shù)

2.3 盾構(gòu)施工過程模擬

隧道開挖引起的空間效應(yīng)(時間效應(yīng))及其產(chǎn)生的地層應(yīng)力路徑效應(yīng)是三維模擬中必不可少的。在盾構(gòu)隧道三維開挖模擬中，通過精細化建模，可以有效地實現(xiàn)盾構(gòu)機掘進的全過程動態(tài)模擬。全過程動態(tài)模擬包含更多信息，更利于工程人員開展相關(guān)預(yù)測和設(shè)計。為了盡可能多地考慮盾構(gòu)開挖掘進的施工因素，以求與實際工程更為接近，盾構(gòu)開挖掘進過程模擬涉及3個階段的初始地應(yīng)力平衡。

由于該模型涉及盾構(gòu)始發(fā)、豎井開挖、洞門破除等復(fù)雜步驟，其初始地應(yīng)力需要達到有效的平衡。數(shù)值計算中，三維模型的初始應(yīng)力場分為3個階段進行計算，采用最后得到的最終應(yīng)力場進行下一步的盾構(gòu)開挖計算。第1階段，使用原生土體參數(shù)對模型地層賦參數(shù)，計算應(yīng)力場，該階段計算得到的應(yīng)力場，如圖4(a)所示；第2階段，首先對第1階段所得模型進行位移、速度清零，激活橋墩模塊，并施加面力，該階段的自重應(yīng)力場如圖4(b)所示；第3階段，對第2階段所得模型進行位移、速度清零，開挖基坑，該階段的自重應(yīng)力場為最終采用自重應(yīng)力場，如圖4(c)所示。

圖4 初始地應(yīng)力場的生成

3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論分析

3.1 模型的驗證

為了驗證三維仿真模型的有效性，首先針對盾構(gòu)掘進引起的周圍土體地層擾動進行分析。如圖5所示為盾構(gòu)掘進74 m后的地層豎向位移云圖，由圖5可以看出隧道上方土體的最大沉降約為18 mm，隧道下方最大隆起約為12 mm。隧道上方云圖顏色較淺，呈現(xiàn)出土體向隧道洞身沉降的趨勢，隧道下方顏色較深，呈現(xiàn)出土體向隧道洞身隆起的趨勢?？梢钥闯?，隨著盾構(gòu)機向前開挖施工，隧道周圍的土體趨向于擠入隧道內(nèi)，云圖范圍擴大發(fā)展。

圖5 地層豎向位移云圖

如圖6所示，給出盾構(gòu)開挖模擬結(jié)束后隧道軸線上方地表位移曲線與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，由圖可以看出，在盾構(gòu)始發(fā)初期的加固區(qū)內(nèi)，地表位移相對較小，由于地層加固的影響，地層擾動得到了有效控制，后期地表沉降主要由盾構(gòu)脫環(huán)后盾尾空隙和盾尾注漿導致的。數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測得到的2條曲線的沉降趨勢大致相同，但2條曲線的左半部分差異較大，這是因為盾構(gòu)掘進剛離開加固區(qū)，靠近加固區(qū)的土體仍然受到加固區(qū)的影響，所以沉降很??；同時，為避免事故的發(fā)生，現(xiàn)場施工仍處于高度謹慎的狀態(tài)，因此前30 m內(nèi)的地表沉降相對較小。由圖5～6的地層擾動計算結(jié)果分析可以看出，本文所采用的三維數(shù)值計算模型是合理有效的，可以基于該模型進行盾構(gòu)掘進引起的鄰近橋梁結(jié)構(gòu)擾動影響分析。

圖6 隧道軸線上方地表沉降對比分析

3.2 近接橋梁結(jié)構(gòu)施工擾動分析

如圖7所示，為盾尾通過3號橋梁結(jié)構(gòu)后的地表位移云圖，由圖7可以看出，隧道頂部正上方的沉降最大，左右兩側(cè)亦有沉降區(qū)域產(chǎn)生。北京地鐵13號線既有橋梁橋墩也在影響區(qū)范圍內(nèi)，靠近隧道側(cè)所受影響較為嚴重，距離隧道越遠影響越小。同時，可以看出由于地鐵13號線樁基的影響，隧道兩側(cè)區(qū)域的變形特性有著明顯的不同。

圖7 盾尾通過3號橋梁結(jié)構(gòu)后的地表位移云圖

為了對盾構(gòu)掘進引起的鄰近橋梁結(jié)構(gòu)變形影響進行分析，本文定義在盾構(gòu)施工過程中，樁基和橋墩會在z方向(豎直方向)產(chǎn)生位移向下為正，在x方向(水平橫向)發(fā)生向隧道擠壓的側(cè)移為正，y方向(盾構(gòu)機掘進方向)發(fā)生與掘進方向一致的側(cè)移為正。

如圖8所示，給出了橋梁2側(cè)樁基頂部中心節(jié)點位移隨盾構(gòu)掘進的變化曲線。同時為了研究盾構(gòu)掘進對橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響，選取橋墩頂部中心節(jié)點，同樣做出橋墩頂點沉降隨盾構(gòu)掘進的變化曲線，如圖9所示。

圖8 盾構(gòu)掘進過程引起的3號橋梁樁基變形

圖9 盾構(gòu)掘進過程引起的3號橋墩變形

如圖8所示可以看出，當盾構(gòu)到達監(jiān)測斷面前，產(chǎn)生的樁基位移均較小，當盾構(gòu)到達監(jiān)測斷面后，樁基位移開始大幅增加，x方向變形有趨于穩(wěn)定的趨勢，y方向變形先正向增大后減小并產(chǎn)生負的位移，而z方向變形遠隧道側(cè)的樁基有趨于穩(wěn)定的趨勢，近隧道側(cè)樁基并沒有體現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢。

對于樁基x方向橫向位移，管片上下2部分在外荷載作用下向內(nèi)變形，左右兩側(cè)向外變形。 同時，由于盾尾注漿壓力的效果，隧道兩側(cè)的土體會遠離隧道，導致樁基底部發(fā)發(fā)生橫向位移；另一方面，盾構(gòu)掘進造成的地層損失會導致隧道上方土體向下發(fā)生擠壓位移。土體的移動會帶動樁基上半部分發(fā)生與下半部分方向相反的移動趨勢。

樁基在盾構(gòu)機推力的影響下會產(chǎn)生y方向(掘進方向)的水平位移。從圖10可以看出，樁基在y方向的水平位移小于在x方向的水平位移。隨著盾構(gòu)機靠近監(jiān)測斷面，盾構(gòu)機推力對樁基的影響越來越大，導致樁基在y方向的側(cè)斜越來越大，形成先增大后減小的位移變化趨勢，且位移發(fā)生了反向變化，這是由于后期盾尾脫環(huán)后管片拼裝和注漿壓力造成的。

圖10 3號樁基沿埋深的最終變形

在盾構(gòu)機掘進以及地層豎向擾動的影響下，樁基將在z方向(豎直方向)產(chǎn)生較大的位移。由于樁基與地層之間形成了1個整體，地層的擾動必將帶動樁基產(chǎn)生位移。隨著樁基埋深的增加，豎向位移變小，地表處位移變形最大，這與土體的擾動規(guī)律基本是一致的。

總體來看，近隧道側(cè)的樁基和橋墩的變形普遍大于遠隧道側(cè)，這說明近隧道側(cè)受到盾構(gòu)掘進的影響明顯要大得多，應(yīng)針對近隧道側(cè)樁基和橋墩添加防護措施，確保地鐵13號線的正常安全運行。

4 盾構(gòu)側(cè)穿橋梁施工三位一體防護

地層變形是隧道施工引起鄰近建(構(gòu))筑物擾動傳遞的媒介。為了減小盾構(gòu)開挖掘進對鄰近既有橋梁樁基礎(chǔ)的影響，可采用“加固”、“屏障”及“智能監(jiān)控”3種方式相結(jié)合的三位一體防護方法控制施工擾動的傳遞，進而對近接橋梁結(jié)構(gòu)施工起到有效的保護作用。

4.1 地層加固

地層加固是通過壓力注漿排出土顆粒之間的水和空氣，并用水泥漿充填孔隙，待水泥漿固化一段時間后，水泥漿液將松散的土顆粒或裂縫膠結(jié)成1個整體。注漿具有固化泥沙與土體、充填膠結(jié)和劈裂加固的作用。采用注漿加固盾構(gòu)隧道與既有橋梁樁基礎(chǔ)之間的地層，改變巖土體物理力學參數(shù)，封堵地下水，改變樁土接觸面性質(zhì)，控制地層松動范圍，減小地層變形，從而減少盾構(gòu)隧道下(側(cè))穿施工對既有橋梁樁基的影響[8]。注漿加固是常用的隧道工程防護技術(shù)之一，對減小地層擾動及控制擾動傳播十分有效，地層加固示意如圖11所示。

圖11 地層注漿加固示意

4.2 地層擾動阻隔方案

地層擾動阻隔方案是在隧道與既有橋梁樁基之間設(shè)置非直接受荷的隔離樁或隔墻，如圖12所示，利用阻隔結(jié)構(gòu)與地層的相互作用阻斷或減弱地層擾動的傳遞，使地層附加應(yīng)力通過阻隔結(jié)構(gòu)傳遞到下部持力層，從而控制樁周土體的變形，達到保護相鄰既有橋梁的目的[8]。阻隔結(jié)構(gòu)可以將盾構(gòu)施工引起的大部分地面變形限制在隔離樁和墻內(nèi)。此時，既有橋梁樁基的附加變形主要是由于阻隔結(jié)構(gòu)本身的變化以及其外側(cè)土體的松動下沉引起的。

圖12 地層變形阻隔示意

4.3 信息化智能監(jiān)控

為了保障清華園隧道安全穿越高風險敏感區(qū)，建立高鐵大直徑盾構(gòu)隧道數(shù)字化、可視化、智能化監(jiān)控預(yù)測平臺，如圖13所示。采用可視化透明施工技術(shù)，提前模擬施工工況，不斷對比盾構(gòu)機實際施工數(shù)據(jù)并預(yù)測變形值，進行數(shù)值反算修正，優(yōu)化施工參數(shù)推薦值，進而提高對風險源變形的控制效果。該系統(tǒng)被成功應(yīng)用于清華園盾構(gòu)隧道施工掘進對鄰近地鐵13號線橋梁結(jié)構(gòu)的影響的監(jiān)控量測中，起到至關(guān)重要的作用。

圖13 清華園隧道信息化智能監(jiān)控系統(tǒng)

5 結(jié)論

1)以清華園隧道盾構(gòu)始發(fā)側(cè)穿既有地鐵13號線橋梁結(jié)構(gòu)為工程背景，基于FEM法建立三維精細化數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比分析盾構(gòu)始發(fā)引起的地表沉降，驗證所采用的數(shù)值模型的有效性和合理性，可以基于此開展后續(xù)側(cè)穿橋梁樁基的研究。

2)在盾構(gòu)始發(fā)施工過程中，當盾構(gòu)到達監(jiān)測斷面前，盾構(gòu)掘進導致的鄰近樁基位移較?。划敹軜?gòu)到達監(jiān)測斷面后，樁基位移開始大幅增加，水平橫向變形有趨于穩(wěn)定的趨勢，水平縱向變形先正向增大后減小，遠隧道側(cè)的樁基豎向位移有趨于穩(wěn)定的趨勢，而近隧道側(cè)的樁基豎向位移并沒有表現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢。在始發(fā)段，當盾構(gòu)離開監(jiān)測斷面3D(D為開挖直徑)之后，橋梁樁基的變形趨于穩(wěn)定。

3)盾構(gòu)在始發(fā)段掘進引起的橋梁結(jié)構(gòu)水平橫向位移要遠大于水平縱向位移，近隧道側(cè)的樁基和橋墩的變形均大于遠隧道側(cè)，這說明近隧道側(cè)受到盾構(gòu)掘進的影響明顯要大得多，應(yīng)針對近隧道側(cè)樁基和橋墩添加防護措施。橋墩的變形被橋梁樁基變形影響較大，可在樁基和橋墩之間重點進行變形防護。

4)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果提出盾構(gòu)始發(fā)段地鐵橋梁結(jié)構(gòu)防護保障措施，綜合運用地層加固、阻隔防護、動態(tài)監(jiān)測等技術(shù)，形成源頭控制、路徑阻隔、對象加固、預(yù)警修正四位一體的大直徑盾構(gòu)側(cè)穿橋梁結(jié)構(gòu)施工安全控制技術(shù)，最終將盾構(gòu)始發(fā)引起橋梁結(jié)構(gòu)的位移控制在規(guī)范規(guī)定值范圍內(nèi)，可為類似工程提供參考。