复杂立交体系下盾构掘进施工对立交沉降的影响分析

黄显文

（甘肃铁科建设工程咨询有限公司，兰州 730030）

1 引言

盾构施工可以被简单地理解为利用圆柱状钢组件沿轴向持续推进，在推进的同时完成掘土、衬砌和灌浆等工作。其中，组件外壳又被称作护盾，可起到支撑隧洞段的作用，为尚未完成衬砌等工序的区域安全提供保证。现阶段，该项技术被频繁用于城市轨道交通区间施工，对需要穿过立交体系的工程而言，引入该项技术既能够保证施工质量，又可以提升施工速度，其现实意义有目共睹。

2 盾构掘进介绍

盾构施工流程如下：（1）沿隧道一侧挖设基坑或是竖井，为安装盾构提供便利；（2）盾构以基坑、竖井壁所开设孔洞为出发点，沿轴线向另一侧孔洞持续推进，推进期间所产生的阻力通常会通过千斤顶到达衬砌结构。作为盾构掘进期间不可或缺的工具，盾构外观多为矩形或圆形，前端装有开挖装置，内置千斤顶，另外，盾尾还留有一定空间，可为拼装衬砌环提供便利。

3 建立模拟模型

3.1 项目概况

某地政府计划对轨道交通7号线进行建设，7号线需要穿过位于市区的立交桥。线路总长为26 km，全线共包括24站，其中6站为换乘站。立交桥占地面积约9 hm2，桥梁总面积约3万m2，共有6个交叉道，可被拆分成15条匝道和2段高架桥，其中，道路全长约为8 900 m，桥长约3 500 m。

3.2 建立模型

3.2.1 模型参数

本项目所建立施工模型的接触面参数见表1。

表1 接触面参数

由于该模型相对复杂，为保证计算所得结果具有实际意义，有关人员分别对桥桩、隧道单元进行了加密，将与隧道中轴线平行的方向设为X轴，与隧道中轴垂直的方向设为Y轴，竖直方向设为Z轴，从而获得长度为100 m、宽度为80 m、高度为50 m的模型[1]。

3.2.2 模拟数值

确定数值模型后，将注浆压力设定为0.3 MPa，弹性模量设定为40 MPa，同时将开挖步长设定为2.5 m，将各项参数代入模型，对盾构施工情况进行模拟。对软件生成的位移云图进行分析能够发现，竖向沉降的最大点位于隧道中心，盾构施工对地表沉降产生影响范围和覆土深度大致相同[2]。模拟值与监测所得数据间存在一定区别，但各项参数间的差异极小，这表示利用上述模型对施工进行模拟具有可行性。

4 数据监测与分析

4.1 布设监测点

在确定横向间距和纵向间距后，便可着手对监测点进行布设。一般情况下，相邻横断面的间距以20 m为最佳，如果附近存在建筑物或交叉路口，则可将间距变更为10 m。在本项目中，各断面均要布设10个监测点。纵向监测点的间距则应控制在5 m左右。具体做法如下：先借助钻孔机钻出直径约为100 mm的孔洞，同时保证钻孔深达水稳层，再沿孔洞中心点打入钢筋，待上述工作告一段落，用砂土将孔洞填实[3]。为避免监测点受到破坏，有关人员指出应确保监测点顶端略低于路面，二者高度差以10 cm为最佳。

4.2 分析监测数据

4.2.1 竖向位移

1）沉降差异

考虑到隧道与桥桩基础间的直线距离往往存在一定差异，下穿立交桥期间桥面有较大概率出现明显的水平变化以及竖向变化，若沉降差异值超出允许范围，立交桥安全性便会受到影响。对沉降差异进行分析，可得出以下结论：盾构掘进造成的沉降差较小，通常在-1.5~-1.1 mm，符合规范要求。施工前期的沉降差异为正，与盾构所施加挤压力密切相关，其中，盾构对北侧桩基础所产生的影响明显大于南侧，使得北侧桥墩位移及隆起程度更加明显。盾构通过后，沉降差异逐渐转变成负值，这是因为随着管片的脱出，盾尾附近将出现一定的空隙，由此可见，盾构对北侧桩基础产生影响更加明显[4]。

2）开挖顺序的影响

本项目所采取施工方法为先掘进右侧隧道再掘进左侧隧道，换言之，盾构隧道需要通过桩基础两次，桩基础、地表均会受到二次扰动。

4.2.2 横向沉降

本文所讨论立交桥段的全长为3 500 m，要求沿中轴线布设多个横断面，各横断面间距为20 m，同时在相邻横断面间增设沉降点。待上述工作告一段落，按照自西向东的方向对右线进行开挖，右线开挖长度达到150 m后，再对左线进行开挖。开挖右线期间，密切关注地表沉降情况并绘制相应沉降图，如图1所示。

图1 沉降曲线

结合沉降曲线能够得出以下结论：

1）横断面对应沉降槽与正态分布曲线具有极高的相似度，最大沉降点位于中轴线附近。

2）盾构掘进所造成地表沉降，通常可被划分成到达前、到达时、通过时、通过后等阶段，其中，到达前沉降占比约为10%，到达时沉降占比约为15%，通过时沉降占比约为15%，通过后沉降占比可达35%，工程投入使用后，还会出现一定程度的沉降，其占比约为20%。

3）盾构施工对地表沉降产生的影响往往会随着距离的延长而有所减弱。

本项目将隧道断面标准内径定为5 m，要求中线平均间距约20 m。有关人员对监测所得数据进行整理后，便可结合施工进程和所掌握信息，通过式（1）对开挖与地表沉降量的关系进行确定：

左线沉降量=沉降总量-右线沉降量 （1）

结果表明，掘进盾构右线期间，沉降曲线具有明显的正态特征，其深度及宽度相对较小，掘进左线后，沉降曲线出现了不对称的情况，先行隧道附近沉降明显大于其他区域。该情况出现的原因主要是对先行隧道进行施工时，掘进作业对土体产生了较为明显的扰动，使得应力状态出现明显变化。此外，沉降曲线表现出了明显的双峰特性，沉降槽的宽度会随着开挖进度的推进而变大，后行隧道沉降量往往会大于先行隧道。

4.2.3 纵向沉降

通过分析可知，盾构到达监测点附近区域且二者间距离达到0~10 m时，沉降曲线快速下降。该情况出现的原因主要是这一阶段盾构机处于脱出状态，对应沉降量能够达到沉降总量的45%。由此可见，要使地表沉降处于可控状态，关键是要密切关注脱出阶段沉降情况，通过调整掘进参数的方式使沉降量始终维持在较低水平。盾构与监测断面间距离达到25 m后，沉降曲线将趋于平缓，这表示该阶段地表沉降速度较慢，沉降量占比也大幅下降。脱出盾尾期间，同样会使地面出现明显沉降，且存在沉降速度快的特点，若不对其加以控制，将使结构物向推进方向持续倾斜，进而造成结构物变形或弯曲。

5 结论

本文围绕盾构施工与沉降的关系展开了讨论，现将所得出结论归纳如下：

1）由盾构掘进所造成地表沉降，通常可被划分成5个阶段，且盾构施工所产生影响与掘进距离间的关系为负相关。

2）竖向位移、地表沉降所遵循变化规律大致相同。

3）盾尾注浆期间，注浆压力、弹性模量均会在不同程度上影响工程沉降，要避免沉降量超出允许范围，关键是要保证浆液具备理想的流动性、填充性以及保水性。

4）在不更改隧道中心距、直径以及埋深的情况下，先后开挖的沉降量明显大于同时开挖，且后开挖区域所受到影响更加明显。