杭州环北大直径泥水盾构隧道下穿高铁桥涵的实测分析

高东奇, 廖少明,2, 张　迪, 门燕青

(1. 同济大学地下建筑与工程系， 上海　200092； 2. 同济大学岩土与地下工程教育部重点实验室，上海　200092； 3. 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉　430063)



杭州环北大直径泥水盾构隧道下穿高铁桥涵的实测分析

高东奇1, 廖少明1,2, 张迪3, 门燕青1

(1. 同济大学地下建筑与工程系， 上海200092； 2. 同济大学岩土与地下工程教育部重点实验室，上海200092； 3. 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉430063)

摘要：杭州环北地下快速路隧道工程采用大直径(11.58 m)泥水平衡盾构浅覆土斜交下穿既有沪杭高铁桥涵。为确保高铁运营安全，对桥涵沉降进行监测，同时考虑盾构穿越施工阶段隧道所处的复杂环境条件，通过在管片中埋设纵向和环向钢筋应力计，对盾构施工引起的隧道纵向及环向结构响应进行全过程跟踪实测分析。监测结果表明： 桥涵最大纵向差异沉降率为0.20‰，最大横向差异沉降率为0.30‰，均在铁路安全控制标准内；在隧道穿越施工过程中，盾构总推力随盾构姿态的变化而变化，并对隧道管片受力和桥涵位移产生明显影响，其中，管片纵向轴力呈现“顶部大，底部小”的趋势，环向弯矩呈现“腰部最大，拱顶、拱底次之，两肩最小”的特点，桥涵倾斜方向也会发生变化。研究成果证明： 在大直径泥水盾构穿越施工过程中，为保障施工质量与安全，除了需要对穿越对象进行严格监控之外，对隧道本体进行监控研究也同等重要。

关键词：隧道； 大直径泥水盾构； 下穿； 高铁桥涵； 位移监测； 沉降规律； 相互影响

0引言

盾构近距离下穿高速铁路通常面临2个难题： 一是易引起铁路路基产生较大沉降或脱空，造成铁路轨道的纵横向不平顺，影响列车的运营安全；二是盾构在浅覆土及加固地基的复杂环境中掘进导致隧道本身纵向及环向受力状态发生急剧变化，进而影响到隧道的承载性能。

关于盾构穿越铁路的安全施工方面，国内学者进行了较多的研究。臧延伟等[1]介绍了盾构隧道下穿铁路地基加固的施工设计；姜忻良等[2]利用有限元软件，分析预测了盾构法施工对既有石德铁路线路造成的沉降变形及水平变形；吕培林等[3]对隧道下穿铁路的施工期及其后续阶段的线路沉降进行了观测；肖广亮[4]采用有限元软件分析了有无旋喷桩情况下盾构穿越铁路的风险因素，提出控制沉降的技术措施。

在隧道管片受力方面，隧道管片在施工阶段承受的荷载及相应的力学行为与正常使用阶段相比均有较大差异[5]，盾构施工控制不当易导致管片破损[6-8]。近年来，管片结构在不同施工阶段的力学效应得到了一些学者的关注。CHEN J. S.等[9]研究了注浆压力和千斤顶顶力等施工因素对管片受力的影响；李林等[10]对盾构下穿引起的周围环境以及地层内力变化进行了分析；宋克志等[11]对管片常见的局部破损现象及产生的原因进行了分析与总结；廖少明等[12]采用力学解析方法分析了管片拼装成环的整个过程，得到了管片拼装对隧道衬砌结构内力的影响规律；唐孟雄等[13]通过实测，分析了不同工况下管片钢筋应力的变化规律；张厚美等[14]通过现场监测，得到了盾构管片外表面的围岩压力随时间的变化规律。

以上研究大多针对的是地铁盾构隧道，且偏于对穿越对象或隧道本体单方面的研究，而有关泥水盾构穿越高铁桥涵时隧道与桥涵的相互作用的研究极少。本文以杭州环北地下快速路隧道工程(以下简称环北地下快速路)为背景，对大直径泥水盾构穿越高铁桥涵过程中的桥涵沉降以及该过程中隧道纵向及环向结构响应同时进行监测分析，以探究盾构隧道和高铁桥涵的相互影响规律。

1工程概况

环北地下快速路工程采用大直径泥水平衡式盾构法施工，分南北两线，两线先后施工。盾构外径为11 580 mm，主体长度为11 545 mm。单管盾构隧道外径为11.3 m，内径为10.3 m，管片厚度为0.5 m，环宽为2 m。管片环采用9等分分块，管片衬砌环采用C50钢筋混凝土，抗渗等级为P12。

环北地下快速路隧道近距离斜交下穿既有沪杭高铁桥涵，桥涵涵洞为箱型框架结构，混凝土等级为C30。框架结构上方为能够运行和谐号动车组列车的高速铁路。在盾构到达桥涵前，对桥涵下方的地层进行了“门式”加固，加固工艺为高压旋喷桩加固(如图1所示)。

图1　环北地下快速路隧道下穿沪杭高铁断面图(单位： m)

通过调研国内外已有盾构下穿高铁的安全控制标准[15]，结合本工程自身特点，得出本工程盾构穿越桥涵段的安全控制标准： 轨道沉降量须≤10 mm，轨道纵向差异沉降率(差异沉降率是指差异沉降量与水平距离的比值)须≤1/1 250，铁路2条钢轨间的横向高差须≤4 mm，轨道横向差异沉降率须≤1/2 500。由于铁路轨道和桥涵之间仅通过500 mm厚的道床和300 mm厚的填土相连接，且桥涵刚度较大，故本研究通过桥涵测点的位移来估计铁路轨道的沉降。

本工程盾构穿越段上部以粉土和粉砂为主，中部以高压缩性流塑状淤泥质粉质黏土、软塑—可塑状粉质黏土和粉细砂为主，下部为性能较好的圆砾。盾构穿越桥涵段桥涵下方的土层分布及其主要物理力学指标如表1所示。盾构穿越沪杭高铁桥涵过程中，泥水压力设定值为0.16 MPa，掘进速度为20 mm/min，同步注浆量为12 m3/环，注浆率为180%。

表1　桥涵下方的土层参数表

2试验方案

2.1桥涵位移监测方案

盾构穿越桥涵过程中，桥涵位移测点布置如图1和图2所示(QH表示桥涵测点)。其中，北线隧道中心线上部的桥涵位置处布置2个测点，桥涵中部位置处布置2个测点。

2.2管片应力监测方案

管片应力监测试验环布置在桥涵下方的北线隧道中，如图2所示。钢筋应力计测试元件布置如图3所示。试验环管片浇筑前，沿管片环向及纵向分别埋设18个振弦式钢筋应力计，布置于每块管片的内外两侧，分别用于测量后续管片拼装引起的试验环环向及纵向受力状态的变化。

图2　试验环及桥涵测点布置图

图3　钢筋应力计测试元件布置图

本试验结合上述布置的18个纵向钢筋应力计和18个环向钢筋应力计，对盾构穿越施工过程中管片结构的纵向轴力、纵向弯矩及环向弯矩进行实测分析，以揭示隧道结构的纵向和横向响应规律。管片应力的测试频率如表2所示。

3实测结果分析

3.1地层沉降规律分析(盾构到达桥涵前)

为探究盾构推进对地层的扰动程度，在桥涵前后200 m区域的地面布置沿隧道纵向和横向分布的沉降测点，用以监测地层沉降。

表2　现场试验监测频率

选取盾构到达桥涵前，距离桥涵约100 m(位置1)、70 m(位置2)和40 m(位置3)3个位置沿隧道纵向地层沉降的分布情况，盾构位于这3个位置时，沿隧道纵向地层沉降分布曲线如图4所示。

由图4可知，沿隧道纵向地表沉降分布呈现以下3个特征：

1)切口前方5～10 m的区域，地表产生3～6 mm的隆起，开挖面正上方发生0～1.5 mm的隆起；

2)由于盾构对土体的扰动和盾尾空隙的影响，盾构后方发生2～6 mm的沉降；

3)盾尾通过较长距离后，土体发生后续沉降，地层最终沉降值稳定在2～6 mm。

同样选取上述3个典型位置研究地层沉降横向沉降槽。盾构位于这3个位置时，盾尾正上方地层横向沉降槽如图5所示。

图4　盾构到达桥涵前沿隧道纵向地表沉降分布情况

图5　盾构到达桥涵前地层横向沉降槽

Fig. 5Transverse surface settlements before shield arrived bridge and culvert

由图5可知： 地层横向沉降槽接近Peck沉降槽曲线，表现为隧道中心正上方的沉降值最大，达到4～6 mm； 地表测点距离隧道中心线越远，沉降值越小，距离中心线0.8D(D代表隧道直径，下同)的测点，沉降值已小于1 mm，说明盾构掘进对地层沿隧道横向沉降的影响范围为左右0.8D(约9 m)。据此分析，盾构穿越施工过程中的地层损失率约为0.09%。

3.2铁路桥涵沉降规律分析

布置4个测点监测桥涵沉降(如图2所示)，QH1和QH2布置在北线隧道中心线上部的桥涵位置处，QH3和QH4布置在桥涵中部位置处。4个测点随盾构推进的位移变化曲线如图6所示。

图6　桥涵位移变化曲线(2014年)

由图6可知： 在盾构穿越过程中，高铁桥涵测点位移会发生“先沉降，后隆起，再沉隆”的变化趋势。盾构到达桥涵前，桥涵沉降很小，介于-1～1 mm；当盾构快要通过桥涵时，4个测点都发生了3～4 mm的隆起，可见，尽管穿越桥涵时盾构推力已降低了10%，但还有下降的余地；当盾尾通过后，桥涵测点再次发生了约4 mm的下沉，可见，同步注浆量还可以适当提高。

对于铁路桥涵的安全而言，纵横向的差异沉降更重要。根据桥涵测点的位置，通过桥涵测点QH2、QH3和QH1、QH4的差异沉降率揭示桥涵纵向差异沉降的变化规律，通过桥涵测点QH1、QH2和QH3、QH4的差异沉降率揭示桥涵横向差异沉降的变化规律。

桥涵测点QH2、QH3和QH1、QH4的差异沉降率随盾构推进的变化如图7所示(图中纵坐标为沿铁路方向上两相邻测点的差值与其水平距离的比值)。由图7可知： 盾构到达桥涵前，桥涵纵向差异沉降率很小，介于-0.05‰～0.10‰；盾构通过铁路桥涵过程中，纵向差异沉降率逐渐增大，QH2、QH3的差异沉降率由0.10‰增加到0.20‰，QH1、QH4的差异沉降率由-0.01‰增加到0.17‰；盾构通过3 d后，差异沉降率降低并较快趋于稳定，稳定值约为0.10‰。

图7　桥涵纵向差异沉降率变化曲线(2014年)

Fig. 7Curves of longitudinal differential settlement rates of bridge and culvert (in 2014)

桥涵测点QH1、QH2和QH3、QH4的差异沉降率随盾构推进的变化如图8所示(图中纵坐标为垂直铁路方向上两相邻测点的差值与其水平距离的比值)。由图8可知： 盾构到达桥涵前，桥涵横向差异沉降率基本介于-0.10‰～0.10‰；盾构通过铁路桥涵后，桥涵的横向差异沉降率逐渐增大，QH1、QH2的差异沉降率由-0.10‰增加到0.30‰，QH3、QH4的差异沉降率由0.075‰增加到0.275‰；盾构通过3 d后，差异沉降率降低并较快趋于稳定，稳定在0.15‰～0.25‰。同时，通过QH1、QH2的差异沉降率可以看出，盾构切口穿过桥涵前，桥涵朝盾构驶来的方向倾斜，而当盾构切口穿过桥涵后，桥涵倾斜方向发生变化，改为朝盾构前进方向倾斜。

图8　桥涵横向差异沉降率变化曲线(2014年)

Fig. 8Curves of transverse differential settlement rates of bridge and culvert (in 2014)

由图7和图8可知： 桥涵最大纵向差异沉降率约为0.20‰，远小于1/1 250，最大横向差异沉降率为0.30‰，小于1/2 500，均满足铁路安全控制标准。同时，盾构到达桥涵1 d(距离10 m)以前，桥涵差异沉降率基本不变；而盾构到达桥涵前1 d以内，桥涵纵向差异沉降率由0.01%增大至0.10%，横向差异沉降率由0.02%增大至0.10%，增幅明显。故可认为，盾构隧道在距离桥涵10 m(约1D)范围内施工时，将会对高铁桥涵产生影响。

3.3盾构隧道及桥涵的相互作用分析

通过研究隧道纵向、环向内力响应和桥涵位移随盾构总推力、盾构姿态等施工参数的变化情况，探究盾构隧道及桥涵的相互作用。

试验环上各管片纵向轴力(受拉为正，受压为负)变化情况如图9所示(监测数据均在盾构掘进状态下测得，轴力为各管片内外两侧钢筋应力计读数的平均值)。

图9　管片①—⑨的轴力随盾构推进的变化

Fig. 9Variation of axial forces from segment No. 1 to No. 9 vs. ring number

由图9可知，管片受到的轴力均为压力。随着盾构的推进，各管片纵向轴力的变化具有以下2个明显特征：

1)管片拼装完成后，由于千斤顶的顶进作用，管片结构承受的纵向轴力较大，并且在盾构通过10环左右的范围内，轴力变化幅度较大；而在盾构通过10环以后，轴力变化幅度较小，可见千斤顶顶力影响距离约为10环(20 m)。

2)隧道轴力呈现“顶部大，底部小”的趋势。

在盾构通过10环后，试验环管片纵向轴力分布如图10所示。由图10可知，试验环各管片的轴力实测值呈现出“顶部大，腰部次之，底部最小”的规律。

图10试验环管片纵向轴力实测值(盾构通过10环后)(单位： kN)

Fig. 10Measured axial forces of experimental segments (after passing 10 rings)(kN)

管片纵向轴力随测试高度不同存在的差异与盾构姿态有关，施工数据显示，试验环处于盾构上坡路段，但由于盾构推进到试验环前10环左右，盾构底部推力设定过大，导致机身向上稍微偏离了规划路线，故为纠正盾构姿态，在拼装试验环及以后的过程中，盾构千斤顶顶力设定方式为“顶部略大于底部”，故使得试验环管片轴力呈现“顶部大，底部小”的趋势。

盾构试验环整环的纵向弯矩(弯矩以顶部管片受压为正，底部管片受压为负)随着盾构推进的变化情况如图11所示(实测数据均在盾构掘进状态下测量所得)。图11中A、B、C 3个典型状态下盾构总推力设定值、桥涵倾斜情况和盾构姿态情况如图12所示。

由图11可知，随着盾构的推进，试验环整环的纵向弯矩、盾构总推力、桥涵倾斜和盾构姿态变化具有以下3个明显特征。

图11　试验环整环纵向弯矩实测值

图12A、B、C 3个状态下的盾构总推力、桥涵倾斜和盾构姿态示意图

Fig. 12Shield thrusting force, bridge and culvert tilt and shield attitude under typical conditions

1)试验环整环的纵向弯矩皆为正值，说明顶部管片受压程度大于底部管片，图10中试验环轴力的实测值也证明了这一点。

2)盾构通过6环左右的范围内，整环的纵向弯矩由5 700 kN·m增加至6 550 kN·m，纵向弯矩的变大应该是由于盾构纠偏引起的。施工数据显示(见图12(a))，在试验环后面6环的盾构推进过程中，盾构始终处于纠偏状态，千斤顶推力始终保持“顶部略大于底部”的设定方式，且顶部推力不断加大，底部推力不断减小，这直接导致了桥涵由朝盾构驶来的方向倾斜变为朝盾构前进方向倾斜(见图12(b))。

3)盾构通过6环以后，试验环纵向弯矩开始减小，并在盾构通过24环时减小至初始值5 700 kN·m。这一方面是由于盾构回归规划路线(见图12(c))，顶部和底部千斤顶推力差距缩小(见图12(a))，管片受力产生了重分布；另一方面是因为试验环慢慢脱离了盾构顶力的影响范围，管片受力趋于稳定。随着盾构总推力恢复正常，桥涵倾斜程度也在逐渐减小。

在试验环拼装完成、脱出盾尾和脱出车架3个典型工况下，试验环管片的环向弯矩实测值(弯矩以管片内弧面受拉为正，外弧面受拉为负)如图13所示。

图13　试验环管片每环的环向弯矩实测值(单位： (kN·m)/环)

Fig. 13Measured circumferential bending moments of experimental segments((kN·m)/ring)

由图13可知，随着盾构的推进，试验环各管片的环向弯矩变化呈现以下4个明显特征：

1)隧道横断面环向弯矩呈现“腰部最大，拱顶、拱底次之，两肩最小”的特点；

2)试验环刚刚拼装完成时，管片结构承受的环向弯矩很小，仅为试验环脱出盾尾后的20%～40%；

3)试验环脱出盾尾后，管片环向弯矩突然增大2～3倍，介于-290～260 kN·m；

4)试验环脱出车架后，管片环向弯矩与脱出盾尾时相比，绝对值变化不明显，但是各管片弯矩有“趋于接近”的趋势，各管片之间弯矩的差距越来越小。

管片刚刚拼装完成且未脱出盾尾时，由于管片与盾壳之间间隙的存在，管片基本上只承受自身的重力以及盾尾注浆压力，故环向弯矩较小。当盾构脱出盾尾后，管片除承受自身重力和注浆压力外，还承受周围的水土荷载，故弯矩急剧变大。

试验环脱出车架后，各管片弯矩“趋于接近”，说明随着盾构的推进，管片承受的外力及内力产生了重分布，各管片所受的弯矩差距缩小并趋于稳定。

4结论与建议

1)在盾构穿越高铁桥涵过程中，高铁桥涵测点位移会发生“先沉降，后隆起，再沉降”的变化趋势。桥涵在盾构穿越全过程中最大纵向差异沉降率为0.20‰，最大横向差异沉降率为0.30‰，均小于铁路部门制定的差异沉降控制标准。

2)盾构总推力随盾构姿态的变化而变化，并对隧道管片受力和桥涵位移产生明显影响。穿越桥涵段，由于盾构姿态的不断调整，盾构总推力不断变化，隧道管片的纵向轴力呈现“顶部大，底部小”的趋势，隧道整环的纵向弯矩呈现“先增大，后减小”的趋势，桥涵倾斜方向由朝盾构驶来的方向倾斜变为朝盾构前进方向倾斜。

3)隧道横断面环向弯矩呈现“腰部最大，拱顶、拱底次之，两肩最小”的特点。试验环刚刚拼装完成时，管片承受的弯矩很小；试验环脱出盾尾后，弯矩急剧增大约3倍，绝对值最大达到290 (kN·m)/环；试验环脱出车架后，各管片弯矩逐渐趋于相同。

大直径浅覆土盾构隧道下穿高速铁路施工中，因其特殊性和复杂性，不确定性大，施工风险高。在下一步的研究中，建议对铁路正常运营中的列车和地面公路上车辆振动引起的管片力学响应规律以及大直径浅覆土盾构的施工控制技术等内容进行分析。

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Analysis of Monitoring of Large Diameter Slurry Shield Tunnel Crossing Underneath High-speed Railway Bridge and Culvert： Case Study on North Huancheng Road Underground Expressway in Hangzhou

GAO Dongqi1, LIAO Shaoming1,2, ZHANG Di3, MEN Yanqing1

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;3.ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

Abstract:Large diameter (11.58 m) slurry balance shield is used for boring North Huancheng Road underground expressway tunnel crossing underneath existing Shanghai-Hangzhou high-speed railway bridge and culvert. Considering the complex environment the shield tunnel located and the safety of the running of high-speed railway, the longitudinal and circumferential structural responses induced by shield tunneling are monitored by means of longitudinal and circumferential rebar stressmeter. The monitoring results show that: 1) The longitudinal and circumferential differential settlement rates are 0.20‰ and 0.30‰, which can meet the requirement of safe construction of railway. 2) The thrusting force of shield varies with the change of shield attitude and has a significant influence on segment force and displacement of bridge and culvert; the longitudinal axial force of the segment top is larger than that on the segment feet; the circumferential bending moment of the segment waist followed by that of the segment top and that of segment feet; and the circumferential bending moment of the segment shoulder is the smallest. The study results show that the monitoring of the shield tunnel structure is important as well.

Keywords:tunnel; large diameter slurry shield; underneath crossing; high-speed railway bridge and culvert; displacement monitoring; settlement regular; interaction

中图分类号：U 456

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)04-0403-08

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.006

第一作者简介：高东奇 (1991—)，男，吉林四平人，同济大学土木工程专业在读硕士，研究方向为盾构隧道施工环境影响。E-mail: dongqigao@126.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378389)； 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB057806)

收稿日期：2015-09-28; 修回日期: 2015-11-19