李旺旺，韋宏鵠

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，為了充分利用地下空間，較好地緩解城市地面交通壓力，地鐵建設(shè)范圍在不斷擴大。許多在建線路需要穿越既有線路、車站及橋梁和高速公路等重大風險源工程。由于獨特的施工優(yōu)勢，盾構(gòu)法廣泛應(yīng)用于地鐵建設(shè)。開挖斷面土體特征、改變推進方向、受擾動土體的再固結(jié)等問題是盾構(gòu)法施工引起地表土層變形的主要因素［1－3］。在相關(guān)研究中:李東海等［4］研究盾構(gòu)隧道斜交下穿越既有地鐵車站，盾構(gòu)在不同時段施工引起的既有建筑物的沉降不同，采用適合土壓減小對沉降影響;徐俊杰［5］利用有限軟件分析土壓平衡盾構(gòu)施工的地表沉降，表明地質(zhì)及注漿參數(shù)對沉降量變化影響，注漿率大于1.5時，控制沉降較好;胡長明等［6］研究了土壓平衡盾構(gòu)穿越黃土層及全斷面砂層時地表變形的主要影響因素及其控制參數(shù)。

盾構(gòu)側(cè)穿橋梁樁基時，地層應(yīng)力及變形將引起樁基承載力損失，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)在各類荷載作用下發(fā)生沉降。在相關(guān)研究中:彭坤等［7］研究了軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道開挖對承臺樁基工作性狀的影響，分析2種不同的加固方法對地表和樁身變形的控制;馬少坤等［8］通過模型試驗研究了膨脹土地基中隧道對樁基的影響，分析樁基隨開挖進度的力學(xué)狀態(tài);郭一斌等［9］研究了盾構(gòu)近距離側(cè)穿橋梁超長樁基導(dǎo)致出現(xiàn)較大變形和內(nèi)力，隧道軸線與超長樁處于不同相對位置對樁的特性產(chǎn)生不同影響;張恒等［10］利用FLAC3D模擬研究盾構(gòu)下穿橋梁，橋梁樁基下半部分朝背離隧道方向位移，上半部分朝相反方向位移。

本文通過土壓平衡盾構(gòu)側(cè)穿橋梁的實例，分析地鐵盾構(gòu)在不良雜填土層側(cè)穿橋梁時，利用橋樁及地表監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合盾構(gòu)施工參數(shù)分析盾構(gòu)施工對橋梁沉降的影響。

1 工程概況

昌平線二期地鐵盾構(gòu)工程起止里程K6+911.7～K8+355.3，區(qū)間全長1 443.6 m，盾構(gòu)管片外徑6 m，環(huán)寬1 200 mm，厚300 mm，環(huán)向分6塊?？v斷面上布置“V”字坡，以27‰，7‰和3‰下坡后，再以9‰和27‰上坡。在K7+317.500下穿河道，河道目前處于干涸狀態(tài)，盾構(gòu)覆土約 6.3 m。K6+911.7 ～ K7+436.000 區(qū)間及K7+539.660至盾構(gòu)接收井，道路兩側(cè)有建筑物，隧道位于道路下方。在K7+436.000～+539.660內(nèi)側(cè)穿連接河道兩側(cè)道路的橋梁，橋樁樁徑1.2 m，樁長22～26 m，盾構(gòu)隧道與樁基水平距離為4.1 m。在K7+486.000距離橋樁3.5 m處有一條南北走向垂直于隧道和橋梁的φ600 mm應(yīng)急補水管線。

盾構(gòu)隧道在河道穿越地層自上而下主要為:雜填土①2層、卵石⑤層、粉土⑥2層、粉質(zhì)黏土⑥層(如圖1所示)。河道內(nèi)地表分布有厚2.0～13.0 m的人工填土，該土層厚度大，且堆積時間短，結(jié)構(gòu)松散，滲透性強、土質(zhì)很不均勻，力學(xué)性質(zhì)差，穩(wěn)定性較差?？睖y最大鉆孔45 m范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)3層地下水，地下水的類型為上層滯水(一)、潛水(二)及承壓水(三)。區(qū)間隧道位于含水層，為永久靜水浸沒環(huán)境。

圖1 地質(zhì)剖面圖Fig.1 Profile showing geological conditions of the project

2 監(jiān)測設(shè)計

2.1 監(jiān)測原則及監(jiān)測技術(shù)

沉降監(jiān)測采用幾何水準測量方式，監(jiān)測設(shè)計必須符合規(guī)范，滿足國家二等水準網(wǎng)精度要求。在施工影響范圍之外的區(qū)域設(shè)置3個基準點構(gòu)成豎向變形監(jiān)測控制網(wǎng);基準點以施工高程系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立，采用附合或閉合水準路線形式，起始并閉合于精密水準點上?；鶞庶c同監(jiān)測點一起布設(shè)成獨立的閉合環(huán)或形成由附合路線構(gòu)成的結(jié)點網(wǎng)。

使用Trimble DINI03電子水準儀進行觀測，采用電子水準儀自帶記錄程序記錄外業(yè)觀測數(shù)據(jù)。觀測閉合水準路線時可以只觀測單程，采用附合水準路線形式必須進行往返觀測。從測設(shè)初始值至沉降趨于穩(wěn)定監(jiān)測頻率為1次/d，若出現(xiàn)異常情況則加大監(jiān)測頻率。

2.2 監(jiān)測點布設(shè)

橋樁沉降測點采用“L”型測點標志形式，先在橋樁上鉆孔，然后放入膨脹螺栓或螺紋鋼(φ=20 mm)預(yù)埋件放入，孔與預(yù)埋件四周空隙用水泥砂漿或錨固劑填實(測點固定部位做成螺紋)，共設(shè)18個橋樁監(jiān)測點。橋頭沉降監(jiān)測點采用在橋頭鉆孔的形式，鉆出5 cm深的孔洞，埋入測點標識，灌入標號不低于C20的混凝土，上部加裝鋼制保護蓋，養(yǎng)護15 d以上;在橋梁兩端分別布設(shè)3個橋頭監(jiān)測點，共6個橋頭監(jiān)測點。管線沉降監(jiān)測點采用在管線上方的地表點代替，人工或鉆具成孔加設(shè)護筒和護罩保護，設(shè)9個管線監(jiān)測點。監(jiān)測點布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點布設(shè)圖Fig.2 Layout of monitoring points

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)工程測點布設(shè)設(shè)計，監(jiān)測數(shù)據(jù)分為橋樁垂直位移、橋頭垂直位移和管線沉降3部分。管線監(jiān)測點可作為地表監(jiān)測點。盾構(gòu)推進都是在姿態(tài)較好的狀態(tài)之下，推進速度為2～8 cm/min。按照盾構(gòu)在不同區(qū)域?qū)蛄河绊懘笮〉年P(guān)系分為3個階段。

3.1 盾構(gòu)到達前階段

為了保證可靠的初始值及工程安全，要求監(jiān)測范圍為開挖斷面前150 m及開挖斷面后100 m。在盾構(gòu)到達橋端斷面前150 m時，對相關(guān)監(jiān)測點取初始值。當開挖面距觀測點為3～7環(huán)時，由于盾構(gòu)推力對土體擾動，引起土艙壓力波動。當開挖面土艙壓力偏高時，使得開挖面土體受擠壓，從而引起地表隆起;當開挖面土艙壓力偏低時，造成盾構(gòu)開挖面應(yīng)力釋放，從而引起地表沉降。為保證安全側(cè)穿橋梁，盾構(gòu)改變直線推進，偏向橋左側(cè)推進。盾構(gòu)右側(cè)推力增加，引起右側(cè)土壓改變，使得橋臺開挖面土體受到擠壓變形。同時，盾構(gòu)機體發(fā)生偏移，盾構(gòu)機體偏移使擠壓土體產(chǎn)生卸荷。盾構(gòu)右側(cè)土壓和盾構(gòu)機體偏移量如圖3和圖4所示。

圖3 盾構(gòu)右側(cè)土壓(單位:kPa)Fig.3 Pressure on right side of shield(kPa)

圖4 盾構(gòu)機體偏移量(單位:mm)Fig.4 Offset value of shield body(mm)

在此階段分析橋頭監(jiān)測點QT01，QT02，QT03及與其在同一縱斷面上相鄰的地表監(jiān)測點DB61，DB62，DB63。在盾構(gòu)到達橋頭斷面過程中，2類測點沉降關(guān)系如圖5所示。

在431環(huán)時改變推進方向，盾構(gòu)發(fā)生偏移，盾構(gòu)在434環(huán)處右側(cè)土壓增加。盾構(gòu)機體偏移量增加，誘發(fā)地表沉降速率增加。地表監(jiān)測點從監(jiān)測開始處于變形沉降狀態(tài)，并且隨著盾構(gòu)的接近，變形速率隨之變大，沉降速率最大值在監(jiān)測點DB62，于6月9日沉降值為－1.2 mm;累計沉降最大值在監(jiān)測點DB61，沉降值為－3.2 mm。橋臺監(jiān)測點累計變形值最大為0.6 mm，變形速率較小。橋頭監(jiān)測點和地表監(jiān)測點相對沉降值較小，在風險控制范圍內(nèi)。在此階段盾構(gòu)推進對橋梁影響較小。

圖5 地表監(jiān)測點與橋頭監(jiān)測點的沉降量Fig.5 Settlement of ground surface and bridge

3.2 盾構(gòu)側(cè)穿階段

該橋位于城區(qū)，交通比較繁忙，在橋梁上部動荷載作用下，橋樁會產(chǎn)生變形和位移，并且河道內(nèi)有厚度很大的雜填土、素填土和卵石填土，隧道頂部為新近沉積層或者碎石土層，上述地層的滲透性均較大。當土壓過低時，不僅容易造成地層的沉降，而且對盾構(gòu)軸線的控制也有影響。盾構(gòu)隧道在河道穿越地層為粉質(zhì)黏土、粉土、細中砂，對泡沫量進行調(diào)整以更好地改變土體的塑流性，使土體變得更為均勻，可以較好地把壓力傳遞至開挖面上，避免開挖面的水土流失過多。在此階段土壓和注漿量如圖6和圖7所示。

圖6 盾構(gòu)側(cè)穿階段盾構(gòu)土壓(單位:kPa)Fig.6 Earth pressure of shield in side crossing phase(kPa)

當盾構(gòu)進入橋臺斷面開始監(jiān)測橋樁和管線，直至盾構(gòu)機尾離開另一端橋端斷面。圖8和圖9為盾構(gòu)側(cè)穿橋梁監(jiān)測點沉降值。

從452環(huán)至457環(huán)及498環(huán)至503環(huán)左側(cè)土壓降低80 kPa，通過加大同步注漿量彌補土層損失。其他時間段內(nèi)左側(cè)土壓在140 kPa左右。盾構(gòu)側(cè)穿橋梁階段，為了減小盾構(gòu)隧道推進對橋樁的擠壓影響，右側(cè)土壓直到盾構(gòu)通過橋梁斷面維持在40 kPa左右較低狀態(tài)。設(shè)計理論注漿量為2.20～2.24 m3，如圖7顯示，最大注漿量為455 環(huán)時4.00 m3，最小注漿量為 504 環(huán)時的 0.30 m3，平均注漿量為2.40 m3。工程中注漿率為1.08。

圖7 盾構(gòu)側(cè)穿階段同步注漿量(單位:m3)Fig.7 Volume of simultaneous grouting in side crossing phase(m3)

圖8 橋樁監(jiān)測點沉降值Fig.8 Settlement of bridge piles

圖9 管線監(jiān)測點沉降值Fig.9 Settlement of utility lines

橋樁整體都在下沉，監(jiān)測點QD01在6月16日監(jiān)測沉降速率為－1.6 mm，是速率最大值，接近速率預(yù)警值(－1.7 mm);之后仍繼續(xù)下沉，最大累計沉降點為QD01，沉降值為－5.4 mm。所有橋梁右側(cè)監(jiān)測點沉降比左側(cè)沉降大，最大相對沉降差為3 mm。GXC20，GXC21位于隧道左側(cè)，受調(diào)整盾構(gòu)推進方向而超出控制值(50 kPa)左側(cè)40 kPa土壓力的影響，在隧道推進階段出現(xiàn)上浮。上側(cè)土壓40 kPa，注漿率1.08，但管線監(jiān)測點處于上浮狀態(tài)，監(jiān)測點GXC21隆起最大，累計最大值+2.6 mm。隧道上方覆土厚度及土層都會影響地表沉降。

3.3 盾構(gòu)離開階段

盾構(gòu)施工過程對土體的擾動是一個從平衡到不平衡再到新的平衡的運動過程，在盾構(gòu)離開階段受擾動土?xí)l(fā)生再固結(jié)。土體受擾動后，土體發(fā)生持續(xù)長時間壓縮發(fā)生徐變，土體在蠕變過程中產(chǎn)生地面沉降。注漿液的強度隨時間的變化也是影響地表沉降的因素。

以管線點沉降變化可觀測盾構(gòu)通過后隧道結(jié)構(gòu)圍巖的變形穩(wěn)定情況，從橋樁沉降變化可知隧道周邊土體后期變化情形。圖10和圖11分別為盾構(gòu)繼通過橋梁后橋樁和管線監(jiān)測點沉降值。

圖10 盾構(gòu)通過之后橋樁監(jiān)測點沉降值Fig.10 Settlement of bridge piles after shield passing

圖11 盾構(gòu)通過之后管線監(jiān)測點沉降值Fig.11 Settlement of utility lines after shield passing

盾構(gòu)離開初期橋樁監(jiān)測點仍有沉降，之后進入穩(wěn)定狀態(tài);管線監(jiān)測點則處于穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)生顯著變化。QD04，QD08，QD13在此階段沉降大，橫向距離隧道越近，沉降變化越明顯。因此，橋梁橫向產(chǎn)生差異沉降，若差異沉降較大，橋梁結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生破裂，則影響橋梁安全。隧道上方的GXC22有明顯的沉降(在控制±10 mm范圍內(nèi))，地表沉降觀測后期則需注意受擾動土再固結(jié);在后期巡視中，未發(fā)現(xiàn)管線有破壞現(xiàn)象。

同時觀測 QT04，QT05，QT06 及 DB66，DB67，DB68，橋臺沉降最大值為監(jiān)測點QT04，累計沉降－1.2 mm，最小值為監(jiān)測點QT06，累計沉降值為－0.4 mm;地表最大值為監(jiān)測點DB66，累計沉降值為－7.4 mm，最小值為DB67，累計沉降值為－3.6 mm。2類觀測點差異沉降最大值為7.0 mm，在風險控制范圍之內(nèi)，但相對于橋梁差異沉降值控制10.0 mm，此值接近于報警值。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)實測數(shù)據(jù)的分析，對盾構(gòu)側(cè)穿橋梁變形規(guī)律進行了研究，結(jié)合施工及監(jiān)測情況提出以下結(jié)論與建議:

1)在盾構(gòu)推進階段，靠近開挖隧道一側(cè)的橋樁沉降持續(xù)時間較長，并且與遠側(cè)橋樁的橫向差異沉降明顯。若隧道開挖擠壓變形過大，在上部荷載的作用下，將破壞橋樁所處的平衡狀態(tài)，橋樁產(chǎn)生變形，進而危及橋樁的穩(wěn)定性;必要時，應(yīng)對橋樁進行預(yù)加固。盾構(gòu)施工中需了解橋樁的深度、位置以及與隧道相對位置關(guān)系。

2)河道覆土較淺時，應(yīng)考慮隧道上覆土厚度對地表及建筑物的影響。管線前期發(fā)生上浮現(xiàn)象，由于后期的受擾動土固結(jié)沉降，使得隧道上方的點出現(xiàn)明顯沉降。在不良地層，可能會出現(xiàn)地表冒漿的情況。若周邊管線的變形超過控制值，需防止管線接頭滲漏水使周邊土體軟化，進一步加劇管線變形、管線前期上浮及后期的固結(jié)沉降。

3)改變盾構(gòu)推進方向，會誘發(fā)地表沉降速率增加。橋頭與橋臺差異沉降值接近于控制值，需要后期長期監(jiān)測觀測。為了避免較大沉降，合理控制推進土壓，增加同步注漿量，減小橋臺變形沉降。

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