盾构侧穿桥梁基础的施工影响分析及其控制研究*

2021-06-01徐前卫崔越榜王尉行龚振宇路林海邢慧堂

城市轨道交通研究 2021年5期

徐前卫崔越榜王尉行龚振宇黄杉路林海邢慧堂

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室， 201804，上海； 2.中铁五局电务城通公司， 410205，长沙；3.济南轨道交通集团公司， 250101，济南∥第一作者，副教授)

随着我国公共交通系统快速发展，越来越多的地铁隧道建设在城市建筑密集区、人流密集区地面以下。地铁隧道不得不近距离穿越一些重要的建筑物，故在盾构施工过程中，必须确保周围构筑物的正常使用，不至于出现过度侧移或基础差异沉降[1-4]。

针对盾构近距离穿越建筑物的问题，国内外学者以实际工程为依托，采取理论分析、数值模拟等手段计算和预测建筑物可能发生的沉降量，并设法将其控制在容许范围内，以确保相关工程的施工安全和正常使用[5-11]。例如，王闯等[12]基于实际工程，用数值模拟和理论解析的方法对相邻隧道不同开挖顺序引起的桩基扰动度进行了研究；徐前卫等[13]综合运用理论分析和数值模拟的方法，提出了隧道穿越桥梁桩基的地基加固、桩基托换和洞内除桩方案，现场实测结果表明该方案可有效控制桥梁结构的变形；谢雄耀等[14]发现盾构穿越火车站股道时采用桩筏基础加固能够满足沉降控制要求，通过对比仿真结果和监测数据，证明了数值模拟能够用于预测指导施工。

尽管国内外众多学者开展了盾构近接既有构筑物施工影响的工程案例分析，但是各具体工程的情况存在较大差异，所采取的分析方法和工程应对措施亦不尽相同。本文以北京砂卵石地层中双线盾构近距离侧穿桥梁工程为例，通过数值模拟对盾构近距离侧穿桥梁基础的施工影响进行了分析，在此基础上提出了对洞周土体局部加固和加强盾构掘进参数管理的施工措施。现场实测结果表明，采用该方案施工后，地层变形和桥梁变形均得到了有效控制，相关成果亦可为今后类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

天桥站—永定门外站区间采用盾构法施工，全长1 637.37 m。区间隧道顶板覆土厚度10.42～27.32 m。盾构穿越地层以细砂、卵石和粉质黏土为主。区间隧道于K34+422.094～+534.308侧穿永定门主桥西桥。图1为桥梁结构与双线盾构的立面图。

图1 隧道线路与永定门桥空间位置关系图

隧道下穿区段埋深为23.2～23.7 m。区间土层自上而下为：杂填土①层、粉土③2层、粉质黏土③层、粉砂～细砂③3层、粉质黏土④层、卵石⑤层。地层参数如表1所示，洞身所在地层主要为卵石⑤层。区间结构以上有潜水和潜水～承压水两层水，地下水距离隧道顶部约5.4 m。

在本工程中，双线盾构在砂卵石地层中侧穿永定门桥，桥桩距离盾构最近处仅9.2 m。由于盾构在施工过程中不可避免地要对周围环境产生不利影响，如引起地层沉降过大、桥桩水平位移过大、桥面差异沉降较大等问题，故施工对桥梁的影响较大。国内关于盾构在砂卵石这种危险地层中近距离穿越桥梁的施工案例较少，且桥梁环境保护等级较高，故本文以盾构侧穿永定门主桥西桥为研究对象，借助有限元分析软件对盾构侧穿时桥梁结构的受力和变形问题进行分析。

2 盾构侧穿桥梁施工模拟

2.1 计算模型

图2给出了盾构侧穿桥梁基础的数值计算模型，土体水平边界长150 m，竖向边界长60 m，纵向边界长112 m，左、右线盾构隧道全长117.6 m，模拟管片环号从470环到568环。桥梁结构长77.4 m，宽34.9 m，在计算模型中将其简化为由桥板、桥墩、承台和桥桩组成的空间结构。

图2 隧道侧穿桥梁计算模型图

计算模型中，地层、注浆层和桥梁上部结构采用实体单元模拟，其中，地层和注浆层采用修正摩尔库仑弹塑性模型，桥板、桥墩、承台采用各向同性弹性模型。管片衬砌采用壳单元模拟，桥桩采用梁单元模拟，桥桩与土之间设置界面单元与桩端单元。桩土接触单元的剪切刚度模量是48.47 MPa，法向刚度模量是126 MPa。桩端单元承载力极限值是220 kPa，弹簧刚度是250 MPa。地层参数如表1所示，模型结构参数如表2所示。

表2 结构单元力学参数

开挖过程模拟参照实际施工情况来设置，先开挖靠近桥梁一侧的左线隧道，再开挖右线隧道。左、右线隧道每次开挖长度为10环即12 m，土体开挖完毕后，施加垂直于开挖面的支护压力175.5 kPa(与实际工程中设置的开挖面支护压力一致)，激活管片单元，改变注浆层土体参数。以此循环开挖，左、右隧道各开挖20步，即从470环开挖到568环。

2.2 地层竖向变形分析

从图3中可以看出：地层最大沉降值为26.16 mm，发生在盾构底部和地层靠近桥梁结构的位置处；最大隆起位移为13.53 mm，发生在隧道顶部。因地层沉降变形过大，超过控制值15 mm，容易引起地表塌陷、桥梁结构破坏等一系列的安全事故。

单位:mm

2.3 桥梁结构竖向变形分析

左、右线盾构掘进完成后桥梁结构的最大竖向位移为最大沉降值11.5 mm，发生在靠近左线盾构隧道的桥板中部；桥板最大差异沉降为5.3 mm，承台最大差异沉降为2.2 mm。取靠近左线盾构一侧的桥梁纵向轴线位置处的桥面变形进行研究，得到盾构开挖时桥板竖向变形曲线，如图4所示。桥板的最大沉降值为10.5 mm，出现在跨中位置处，随着盾构开挖，桥板的沉降值逐渐增大。由于左线盾构距离桥板较近，故开挖对其影响更大；右线盾构距离桥板较远，开挖时桥板沉降变形不明显。

图4 隧道开挖后桥面纵向轴线位置处变形曲线

2.4 桥墩测点竖向变形及桥桩水平变形分析

桥墩竖向位移最大值为10.5 mm，发生在靠近盾构一侧桥墩的中部。1#桥墩距离盾构最近，为施工中最为关注的位置，故在其顶部布置测点。对左线盾构开挖时的竖向位移单独进行分析，如图5所示。沉降变形最大值是8.7 mm，发生在最靠近左线盾构的测点Z01上。离盾构越近的测点沉降变形越大，且随着盾构的推进，各测点沉降值逐渐增大。测点沉降变形变化最快是发生在开挖左线盾构520～560环之际，即左线隧道穿越桥墩施工过程中。

图5 未加强注浆情况下1#桥墩监测点竖向位移曲线

此外，盾构开挖完成后桥桩的最大水平位移为4.57mm，此处桥桩距离盾构水平距离仅9.2 m，故受盾构开挖影响大。

综上所述，如果不采取施工措施，一方面双线盾构侧穿桥梁将导致地层变形过大，进而引发地表塌陷、桥梁结构破坏等安全事故；另一方面，为进一步减小桥梁结构的竖向变形和桥桩的水平变形，故结合工程实际，需要对靠近桥梁结构的左线盾构采用加强注浆的方法进行辅助施工。

3 盾构加强注浆施工措施研究

鉴于左线隧道施工对桥梁结构影响较大，故考虑对左线盾构侧穿桥梁整个区域范围内的隧道周边土体进行加强注浆加固。图6给出了加强注浆范围示意图，除对隧道周围1 m范围内土体加固外，还对隧道上方迎向桩基的3 m范围内局部土体进行加固。双液浆由水玻璃稀释溶液和水泥浆体积比1∶1组成，注浆压力0.5～0.8 MPa。在有限元计算模型中，加强注浆区土体采用实体单元模拟，弹性模量480 MPa，泊松比0.23。

图6 左线盾构周边加强注浆示意图

3.1 地层竖向变形分析

从图7中可以看出：地层最大沉降位移为7.3 mm，发生在盾构底部和地层靠近桥梁结构的位置处；最大隆起位移为3.6 mm，发生在盾构顶部；沉降变形和隆起变形均在安全范围内。

单位: mm

3.2 桥梁结构竖向变形分析

加强注浆工况下左、右线盾构掘进完成后桥梁结构的竖向位移最大值为4.8 mm，发生在靠近左线盾构的桥板中部；桥板最大差异沉降为2.3 mm，承台最大差异沉降为1.7 mm。取靠近左线盾构一侧的桥梁纵向轴线位置处的桥面变形进行研究，得到盾构开挖时桥板竖向变形曲线，如图8所示。图中可见，桥板的最大沉降值为4.3 mm，出现在跨中位置处，但远低于未加固情况下的对应值。与图4进行对比可知，桥板竖向变形随盾构开挖的变化规律与盾构未加强注浆情况下的变化规律基本一致。

综上可知，盾构施工中采用加强注浆的工法，可以有效减小桥梁结构的竖向变形和承台的不均匀沉降，减小幅度在60%左右，把桥梁结构的变形控制在安全范围内。

3.3 桥墩测点竖向变形及桥桩水平变形分析

加强注浆工况下盾构开挖完成后桥墩竖向位移最大值为4.4 mm，发生在桥梁中部靠近盾构一侧的桥墩上，注浆加固的效果明显。桥墩测点在左线隧道开挖时的竖向位移如图9所示，加强注浆工况下沉降位移最大值是3.4 mm，发生在最靠近盾构隧道的测点z1上。对比图6可知，桥墩测点竖向位移随盾构开挖的变化规律与盾构未加强注浆情况下的变化规律基本一致。

加强注浆工况下盾构开挖完成后桥桩的最大水平位移为1.2 mm，位置为距离左线盾构最近的桥桩处。由于左线盾构采用加强注浆工法，使桥桩水平位移减少了3.4 mm，作用明显。

4 盾构施工参数管理及监测数据分析

4.1 盾构掘进参数管理

此段隧道平均埋深23.4 m，根据太沙基松动土压力公式可得土仓压力计算值为0.13～0.167 MPa，故左线盾构推470～568环时土仓压力可设定在0.12～0.19 MPa之间。在实际施工时，大部分实际土仓压力在理论计算值的范围内，如图10所示。

图9 加强注浆工况下桥墩监测点位移图

图10 土仓压力实测图

如图11所示，盾构实测推进速度在55～70 mm/min间波动，螺旋输送机转速在5.0～6.5 r/min间波动，刀盘转速在0.90～0.98 r/min间波动。结合图10可以看出，盾构推进速度和刀盘转速控制的进土速度和螺旋输送机转速控制的排土速度之间存在一个动态平衡，使得土仓压力和开挖面的支护压力达到一个平衡值，有效控制了地表的沉降变形。