复合地层盾构隧道近距离下穿桥基施工控制技术

2021-04-30卢泽霖王旭春

青岛理工大学学报 2021年2期

卢泽霖，王旭春，冯磊，朱珍

(青岛理工大学土木工程学院，青岛 266033)

截止到2019年底，我国共有40个城市开通了城市地铁(不含港澳台地区)，总运营里程达6736 km，比2018年新增运营里程975 km[1].在地铁隧道施工中，盾构法因为其掘进安全性能高、掘进速度快已经逐渐成为了主流的施工方法.随着地面交通路网的日益完善，盾构机在施工过程中不可避免地需要穿越各种构筑物，使得盾构隧道掘进对施工控制技术提出更高的要求.

对于盾构穿越桥梁基础方面，国内众多学者也进行了大量的研究[2-5]，如朱连臣等[6]结合长沙轨道交通3号线盾构隧道下穿京广铁路框架桥工程，提出了袖阀管注浆加固与深层二次注浆措施，并探讨了地层加固前后盾构下穿铁路框架桥及地表变形特征；黄新民[7]依托郑州地铁1号线下穿人行天桥基础工程，提出了“顶托+加固”的方法对人行天桥进行保护，并采用数值分析对不采取保护措施、仅采取顶托保护和“顶托+注浆”3种工况的桥基位移和应力进行对比，得到“顶托+加固”能显著改善隧道的施工条件；高志刚等[8]采用FLAC3D对南京地铁S8线某段盾构隧道下穿既有宁启铁路进行分析，并提出了对铁路路基采取地基注浆加固的处理措施.由此可见，目前文献在研究盾构隧道下穿桥基时，大多数是对地层注浆加固效果的研究，而对下穿段盾构掘进参数控制的研究较少.

本文依托青岛地铁某盾构隧道区间，采用三维数值模型研究复合地层无加固措施时盾构隧道近距离下穿桥基的可靠性，并结合盾构掘进参数提出隧道下穿桥基的施工控制措施，最后通过现场桥基沉降监测验证施工控制技术的有效性.

1 工程概况

1.1 工程及地质概况

青岛地铁某盾构区间盾构隧道为双线平行圆形断面，右线里程为YK66+994.530—YK68+350.080，长度为1355.550 m；左线里程为ZK66+994.530—ZK68+350.080，长度为1369.091 m；平面线间距为14 m.区间纵断面整体呈“V”字形，最大纵坡为18‰，竖曲线半径为3000 m，区间结构覆土厚度为9.0～16.6 m，围岩等级为VI级.

隧道上覆地层从上到下依次为素填土、粉质黏土、中粗砂、强风化安山岩、中风化安山岩以及微风化安山岩，区间纵断面基岩起伏面较大，软硬不均.纵断面总体上呈现上软下硬，属于典型的复合地层结构.另外，隧道在穿越虹子河桥区段上覆砂土为强透水层，粉质黏土力学指标一般，自稳性能较差，易蠕动变形.

1.2 盾构设备型号及参数

该区间采用CTE6250土压平衡复合式盾构机，最大开挖直径6.28 m，刀盘选用复合式(辐条+面板)结构形式，开口率为35%，中心开口率为38%，刀具的主要参数如表1所示.设备最大推力为39 000 kN，最大扭矩为6650 kN·m，脱困扭矩为8100 kN·m.

表1 盾构刀盘主要技术参数

1.3 隧道与虹子河桥位置关系

虹子河桥始建于1995年，结构为3孔简支板桥，桥墩为浆砌石桥墩.该桥为南北走向，桥面宽50.00 m，桥长24.88 m.桥基为扩大条形基础，基础距隧道拱顶5.60 m.据现场实地调查发现，该桥梁墩台存在局部开裂.

图1 下穿段地质纵断面

隧道走向与虹子河桥走向一致，盾构机左线由北向南先行掘进，与右线隧道掌子面间隔约50 m.隧道下穿段管片环号为885—905环，洞身段地层从上往下依次为：第⑨层中粗砂地层(揭露层厚约为3.00 m)、第-9层强风化安山岩(揭露层厚约为1.00 m)、第-9层中风化安山(揭露层厚约为2.00 m)，下穿段地质纵断面见图1.

2 无加固措施盾构隧道近距离下穿桥基可靠性研究

2.1 数值模型建立

结合隧道埋深及桥梁总长，确定模型的宽度为57.12 m，高度为19.28 m，总长度为51.00 m.为了防止桥台靠近模型边界而造成局部应力集中，设置两侧桥台距离模型边界为11.00 m.由盾构机开挖参数可知，隧道开挖直径为6.28 m，管片内径为5.40 m，外径为6.00 m，每环管片宽度为1.50 m，同步注浆厚度为0.14 m，隧道开挖面与管片拼装面步距为6.00 m.隧道左右线净距为8.00 m，因左右线隧道掌子面间距较远，本模型仅模拟左线隧道开挖.

查阅虹子河桥相关资料，桥梁基础宽度2.00 m，高度为1.00 m，相邻两墩台之间间距为7.00 m，条形基础长度为50.00 m.桥梁荷载采用正常使用极限状态下的标准荷载组合(考虑桥梁自重、行车荷载以及人群荷载)进行计算，相当于50 kPa的竖向应力作用在桥基上.

2.2 岩层参数选取

假定岩层变形服从摩尔-库伦定律，桥梁基础变形服从弹性变形假定.隧道管片可以看作是较大刚度的均质圆环柱，管片背后同步注浆假定为线弹性材料.根据地质资料，可以得到各岩层的物理力学参数，如表2所示.

表2 岩层和衬砌材料物理力学参数

2.3 无加固措施盾构下穿桥基可靠性研究

按照模型尺寸及岩体相关参数，建立盾构隧道下穿桥基的数值模型.为了监测桥基的变形沉降，分别在隧道拱顶正上方北侧桥台、北侧桥墩、南侧桥墩以及南侧桥台底部，沿隧道掘进方向设置变形监测点1—4，模型测点布置如图2.对模型岩体的初始应力进行计算，得到模型的最大不平衡力趋于收敛，可以认为模型的初始应力基本平衡.

对隧道进行循环开挖(循环进尺为1.50 m)，可以得到桥基的竖向位移云图和桥基监测点1—4的沉降曲线，如图3和图4所示.

由图3可知，隧道进行循环开挖时桥台的竖向位移比桥墩的竖向位移大，其中北侧桥台监测点1的沉降终值为48.11 mm，南侧桥台监测点4沉降终值为42.34 mm.由图4可得，监测点1—4的最大沉降值分别为51.61，23.39，22.65，48.29 mm.桥基沉降达到最大值后，随着管片拼装和同步注浆施工，监测点1—4均出现了不同程度的上升，桥台基础比桥墩基础上升更为显著，其中监测点4上升幅度最大，沉降值回升了3.50 mm.

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)的规定，地表沉降监测控制值取20 mm[9].由此可知，在不采取加固措施的前提下，盾构隧道近距离下穿桥基时无论是桥墩基础还是桥台基础的沉降量都远超过了规范要求，故在复合地层中盾构隧道在近距离下穿桥基时必须对下穿段采取有效的加固措施.否则，在盾构掘进过程中不仅会使桥基沉降严重超限，危及桥面行车安全，而且也存在因地层扰动河水倒灌入土仓，导致隧道内出现螺旋机喷涌、管片开裂、上浮及渗漏水等施工隐患.

图3 桥基竖向位移云图(单位：m)

3 盾构隧道下穿桥基施工控制

鉴于该桥梁建设年限较长，且在桥梁墩台处出现局部开裂等情况，为了确保掘进期间桥梁结构的稳定性以及隧道施工安全，对该复合地层区段采用“地层加固+桥梁加固+掘进控制”的施工控制方法.

3.1 袖阀管地层加固

隧道下穿桥基段拱顶地层主要为中粗砂，透水性较强.为了确保地层的加固效果，拟对该桥梁墩台之间采用袖阀管注浆加固.袖阀管采用Φ50硬质PVC管，能承受的最大注浆压力为3.0 MPa.注浆采用分段后退式注浆方式，浆液采用水泥与水玻璃双液浆，体积配比1∶1.

注浆孔采取梅花形布置，各墩台之间分别布设注浆点位5个，每个断面布设15个.注浆孔孔间距为1.00～1.20 m，注浆深度为6.12 m，垂直注浆孔编号为1—15.靠近墩台侧2个注浆点位分别搭设斜孔，孔底垂直深度分别为3.12，6.12 m，斜注浆孔编号为1′—15′.整个加固区域长为26.54 m，宽度为12.00 m(隧道左右边界各外扩3.00 m)，加固高度为5.00 m，袖阀管地层加固布置方式如图5所示.袖阀管注浆加固完成后，需要严格检验地层加固效果.

图5 袖阀管地层加固布置(单位：mm)

3.2 满堂脚手架桥梁结构加固

为了避免桥梁自重及桥面荷载完全集中在桥基上，采用满堂脚手架支撑桥面板不仅可以分担桥梁的上部荷载，而且在盾构隧道掘进过程中还能减小因地表沉降而引起的桥梁不均匀沉降，确保桥梁结构的安全和桥面正常通行.

由于虹子河地下水位较浅，故在河床上进行简单的地面硬化后，采用满堂脚手架对桥面板进行加固.脚手架钢管采用Φ48 mm×3.00 mm，立杆、横杆横向间距和纵向间距均为0.60 m.脚手架顶部和底部设置可调节托座，最大可调范围为450 mm，顶部托座上方设置100 mm×100 mm方木，沿河道走向布设，间距为0.60 m.脚手架纵横向每隔4.5 m左右设置剪刀撑，剪刀撑底端与地面顶紧，跟地面夹角约为45°～60°.

3.3 下穿段盾构掘进控制

盾构隧道近距离下穿虹子河桥基掘进控制可以分为3个控制时段，即盾构下穿前、盾构下穿时以及掘进完成后.

盾构下穿桥基前，需要对河道及周边地质情况进行补勘，充分了解下穿段地层情况.掘进至下穿段前，在地层情况较好地段对盾构机刀具磨损情况进行评估，对磨损严重的刀具提前进行更换，确保盾构机在下穿桥基时不停机、不换刀.

盾构下穿桥基的过程中，需要根据掘进地层控制合理的掘进参数，尤其是盾构的土仓压力、每环出土量、同步注浆量和同步注浆压力等对地层沉降影响较大的掘进参数.

土仓压力可以根据式(1)进行确定：

ptu=Ktuγh

(1)

式中：ptu为土仓压力；Ktu为土仓计算侧压力系数；γ为土体容重；h为隧道埋深.

由于隧道埋深较小，为5.6 m，为了确保地表沉降较小，土仓计算侧压力系数Ktu取值需要介于静止土压力系数K0和被动土压力系数Kp之间，取Ktu=0.50～3.00.为了确保掘进效率，本工程取Ktu=0.80～1.00，即将盾构机土仓压力严格控制在120～150 kPa，盾构隧道下穿段掘进实时土仓压力实测值如图6所示.

每环出土量可以按照式(2)计算：

(2)

式中：V实为实际出土量；k为岩石的膨胀系数；V理为理论出土量；D为盾构机开挖直径；L为隧道每环进尺.

盾构机开挖直径为6.28 m，每环进尺为1.5 m，岩石的膨胀系数k=1.18～1.39，则本工程盾构每环出土量需严格控制在55～65 m3，每环实际出土量如图7所示.

图6 土仓压力实测值

图7 每环实际出土量

其他对地表沉降影响较小的因素确定方法，可以参考盾构下穿前的掘进参数选取.即，刀盘转速控制在1.50 r/min左右，刀盘扭矩控制在1500～3000 kN·m，盾构总推力控制在10 000～15 000 kN，掘进速度控制在45～65 mm/min.

掘进完成后，及时对脱出盾尾的管片进行同步注浆，采用注浆量和注浆压力的双控指标确保盾构管片外壁与围岩之间填充密实.注浆量可以根据公式(3)确定：

(3)

式中：V浆为实际注浆量；K为扩大系数；V为理论注浆量；D1为盾构开挖直径；D2为管片外径；L为每环开挖进尺.

表3 每环注浆压力值与注浆量

盾构开挖直径为6.28 m，管片外径为6.00 m，每环进尺为1.5 m，考虑到当前地层为中粗砂层，浆液易流入周边地层，故适当提高注浆量，取扩大系数K=1.73.经计算，下穿段同步注浆量应控制在7 m3左右.

一般来说，注浆压力根据静止水土压力值确定，宜取1～1.5倍的静止水土压力.因下穿桥基段地层为中粗砂，可以适当提高注浆压力，建议注浆压力控制在150～250 kPa，下穿段每环注浆压力值与注浆量见表3.同步注浆完成后，及时查验管片外壁填充情况.对于填充不密实或者存在管片渗漏水等情况，需及时采取二次补浆措施.总而言之，在盾构隧道近距离下穿桥基时宜采取“恒土压，匀掘速，勤注浆，严出土”的施工控制方法.

4 隧道下穿桥基施工控制措施有效性验证

4.1 采取施工控制措施后模型数值计算

由于预先对下穿段进行袖阀管地层加固、满堂脚手架桥梁加固、盾构掘进控制等处理，则模型地层参数、下穿段桥基边界条件以及施工参数均相应地发生改变.取加固区地层密度为2300 kg/m3，弹性模量为540 MPa，泊松比为0.28，内摩擦角为30°，黏聚力为24 kPa.桥梁及桥面荷载可以看作是16 kPa竖向应力均匀作用在河床表面.盾构机土仓压力取150 kPa作用在开挖掌子面上，及时对开挖隧道进行同步注浆和管片拼装，循环开挖进尺为1.5 m.通过模型计算，得到采取施工控制技术后桥基的竖向位移云图和桥基监测点1—4沉降曲线，如图8和图9.

图8 采取施工措施后桥基竖向位移云图

由图8和图9可知，采取施工控制措施后，桥基监测点1—4的沉降终值分别为2.07，1.78，1.77和2.04 mm.从模拟结果来看，采取“地层加固+桥梁加固+掘进控制”的施工控制技术能满足盾构隧道近距离下穿桥基的沉降要求.

4.2 隧道下穿段桥基沉降监测

4.2.1 沉降监测点布置

在虹子河桥北侧桥台、北侧桥墩、南侧桥墩以及南侧桥台基础附近设置4条监测线，分别为JGC01，JGC02，JGC03和JGC04，测线之间相互平行，分别对应隧道内环号为886环、891环、897环和902环.每条测线布置5个监测点，各测点之间间距为7 m，由东向西布置，以JGC01为例，监测点分别为JGC01-01，JGC01-02，JGC01-03，JGC01-04和JGC01-05.其中，监测点JGC01-02位于右线隧道正上方，监测点JGC01-04位于左线隧道正上方.以测线JGC01为例，测线横断面布置如图10所示.

图10 测线横断面布置(单位：mm)

4.2.2 桥基测点监测结果

在盾构到达下穿段之前(掘进环号为877环处)开始对地表桥台和桥墩的4条测线进行监测，监测频率为3～4 h/次，得到测线JGC01(886环)、测线JGC02(891环)、测线JGC03(897环)和测线JGC04(902环)的现场沉降监测结果，如图11所示.

图11 现场沉降监测结果

由图11监测结果可知，当盾构到达桥基测线正下方之前，地表存在轻微的局部隆起，特别是监测点JGC03-03和JGC02-05，最大隆起值达1.57 mm.盾构刀盘到达监测桥基正下方时，测线JGC01—JGC04的监测点03—05均产生明显的沉降，其中监测点04的沉降速率最大.当管片脱出盾尾后随着同步注浆的施工，测线JGC01—JGC04的监测点03—05沉降值均有些许回升，随后沉降值又逐步下降，最后慢慢趋于平缓.另外，桥台地基的沉降终值要略大于相邻桥墩的沉降值，这与数值计算中的结论一致.测线JGC01—JGC04的监测点01和监测点02因为布置在靠近隧道右线的缘故，左线隧道掘进过程中对测点沉降值影响不大，监测结果表现出无关联性.但是，测线JGC03在同步注浆后监测点JGC03-02隆起值较大，可能是由于注浆压力较大引起的地表隆起.

结合图11可知，测线JGC01—JGC04最大沉降终值均发生在监测点04的位置，最大沉降终值分别为-2.17，-1.70，-0.80，-1.29 mm.将现场实测的沉降结果与数值模拟的结果对比可知，数值模拟结果与现场沉降实测值较为接近，同时也证明了数值计算的准确性.根据《深圳市轨道交通工程周边环境调查导则》(SJG 23—2012)规范要求，对于静定结构的桥梁基础，墩台均匀沉降量允许值为30 mm，桥梁纵向相邻墩台均匀沉降量之差允许值为20 mm[10].经过对测线JGC01—JGC04各测点的沉降终值进行计算，得到相邻墩台沉降量最大沉降差分别为2.20，2.38，2.38，1.97 mm，该下穿段相邻墩台沉降量最大仅为2.38 mm，远小于规范规定的要求.综上所述，监测结果表明“地层加固+桥梁加固+掘进控制”施工控制技术在盾构下穿桥梁基础的施工中能有效地控制桥梁基础的沉降，确保盾构机的正常掘进和桥梁的正常安全通行.