宗 原，王 智，李旭光，尹明玉

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130061）

盾構(gòu)法穿越松花江干流道里堤影響研究

宗 原，王 智，李旭光，尹明玉

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130061）

哈爾濱市軌道交通2號線一期工程是哈爾濱市首條穿越松花江隧道，工程擬采用盾構(gòu)法穿越松花江干流右岸道里堤，道里堤設(shè)有樁柱梁裝配式活動鋼閘板及截滲墻，在穿越過程中有可能造成不利影響。文中采用道里堤樁基礎(chǔ)沉降與變形有限元計算、滲透穩(wěn)定與抗滑穩(wěn)定計算對工程穿越道里堤的影響進(jìn)行分析研究。研究結(jié)果表明，盾構(gòu)法穿越不影響道里堤鋼板樁的安裝，在采取補救措施后道里堤及截滲板墻的穩(wěn)定影響很小。

盾構(gòu)法；道里堤；截滲墻；有限元計算；滲流計算

1　項目基本情況

1.1工程基本情況

哈爾濱市軌道交通2號線一期工程設(shè)計使用年限為100年，穿越松花江段雙線布置，隧洞軸線間距約為17.0m左右，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)為圓環(huán)，襯砌圓環(huán)外徑6.0m，內(nèi)徑5.4m。

根據(jù)線路平面布置、埋深、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及線路所經(jīng)地區(qū)的環(huán)境條件，軌道交通2號線一期工程區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。

1.2道里堤基本情況

軌道交通2號線在樁號K15+646.044與右岸道里堤（堤防樁號K1+906.92）相交，道里堤防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，堤防防洪型式為樁柱梁結(jié)合裝配式活動鋼閘板，混凝土灌注樁樁徑0.8m，樁長15.0m，樁間距5.0m；樁上設(shè)承臺梁，梁高1.4m，梁寬0.9m，梁頂高程120.90m；梁上設(shè)混凝土直墻，與梁整體澆筑，墻高0.6m，墻寬0.5m，墻頂高程121.50m；墻上設(shè)裝配式活動鋼閘板，鋼閘板高2.0m，鋼閘板頂高程123.50m。墻后堤面上有九站公園，堤頂高程約120.90m，寬約120.0m。堤頂距堤防背水側(cè)堤肩約4.0m處，設(shè)有高壓定噴截滲板墻，灌漿材料為425號硅酸鹽水泥和冒漿土混合液，截滲板墻厚0.18m，深25.0m，頂部高程120.90m，底部高程95.90m，滲透系數(shù)不高于1×10-6cm/s。相交處堤防中心位置處2號線一期工程襯砌圓環(huán)頂高程97.37m；截滲板墻位置處2號線一期工程襯砌圓環(huán)頂高程100.28m，高于截滲板墻底部4.38m。

2　工程穿越道里堤裝配式鋼閘板基礎(chǔ)影響分析

2.1計算模型及參數(shù)

為了分析盾構(gòu)下穿道里堤下樁基時對道里堤的影響，采用有限元分析軟件PLAXIS進(jìn)行計算。

2.2模型網(wǎng)格及工況分析

此次模擬計算主要為盾構(gòu)下穿過程中對周邊土體擾動引起堤壩沉降以及對裝配式活動鋼閘板樁基礎(chǔ)的影響，所以盾構(gòu)下穿之前的工況沉降值均清零，僅模擬盾構(gòu)穿越過程引起的沉降這一工況。

2.3計算結(jié)果

2.3.1沉降

根據(jù)有限元沉降計算結(jié)果可知，穿道里堤鋼閘板樁基礎(chǔ)里程處的地層沉降最大值為8.48mm，發(fā)生在拱頂。道里堤鋼閘板樁基礎(chǔ)頂冠梁處的地層沉降值為4mm，小于盾構(gòu)下穿過程中的鋼閘板樁基礎(chǔ)允許不均勻沉降值△。根據(jù)GB50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，△=L×0.1%=5000×0.1%=5 mm，其中，L——鋼閘板樁基礎(chǔ)縱向間距，為5m。

2.3.2樁基礎(chǔ)內(nèi)力與變形

1）彎矩

盾構(gòu)下穿引起的鋼閘板樁基礎(chǔ)附加彎矩值為18.77kN·m，遠(yuǎn)小于正常配筋的φ800鉆孔灌注樁樁身承載力，而且鋼閘板樁基礎(chǔ)設(shè)計控制工況是“只受水平力的樁的水平承載能力”，因此盾構(gòu)下穿引起的鋼閘板樁基礎(chǔ)附加彎矩在樁基礎(chǔ)承載能力范圍內(nèi)。

2）樁基水平變形

太～人區(qū)間下穿道里堤鋼閘板樁基礎(chǔ)里程處的樁基礎(chǔ)水平變形為1.46mm，小于盾構(gòu)下穿過程中的鋼閘板樁基礎(chǔ)允許變形值。

3）樁基豎向沉降

太～人區(qū)間下穿道里堤鋼閘板樁基礎(chǔ)里程處的樁基礎(chǔ)豎向沉降為3.94mm，小于盾構(gòu)下穿過程中的鋼閘板樁基礎(chǔ)允許變形值。

根據(jù)上述有限元模擬計算結(jié)果可知，在地鐵盾構(gòu)區(qū)間正常設(shè)計、正常施工的條件下，道里堤及其鋼閘板樁基礎(chǔ)豎向沉降值小于堤壩沉降允許值，能保證樁、梁、柱不破壞，鋼閘板能安裝，不需采取專門的加固措施。

從樁基礎(chǔ)沉降、內(nèi)力與變形結(jié)果來看，堤頂裝配式活動鋼閘板樁基礎(chǔ)不需要采取專門加固措施，在正常設(shè)計、正常施工條件下，盾構(gòu)區(qū)間下穿鋼閘板樁基礎(chǔ)對樁基礎(chǔ)影響很小。

3　盾構(gòu)法穿越道里堤截滲板墻防護(hù)措施

為了使盾構(gòu)法穿越對堤防及截滲墻影響降至最低，擬對截滲板墻采取防護(hù)措施，并對截滲板墻局部破損處進(jìn)行同等補強。按照“道里堤在地鐵區(qū)間隧道施工、使用過程中防洪、防滲功能不削弱，大堤主體結(jié)構(gòu)整體完好，局部破損需補強?！钡脑O(shè)計原則，采取的防護(hù)措施應(yīng)能提供既有防滲板墻局部破損后的防滲功能，能控制既有防滲板墻的破損范圍，能為盾構(gòu)施工提供良好的工作條件，根據(jù)上述要求，制定了以下防護(hù)措施。

1）新增防滲墻

根據(jù)盾構(gòu)施工工藝特點，盾構(gòu)機頭在鉆穿既有防滲板墻的過程中，防滲板墻局部失去防滲能力，形成地下水滲流路徑。盾構(gòu)機頭通過后，在預(yù)制拼裝的隧道管片外側(cè)與周圍地層、防滲板墻之間的空隙用水泥砂漿填充，既可補充土層，防止沉降，又可封堵水的滲流通路。因此，正常情況下盾構(gòu)施工對防滲板墻的削弱發(fā)生在盾構(gòu)機頭鉆穿墻體的過程中，通過后可恢復(fù)墻體抗?jié)B能力。

鑒于此，在既有防滲墻兩側(cè)各5m處及垂直方向新增一道防滲墻，形成10m×10m的圍合空間，盾構(gòu)機頭長約9m，能將其完全圍合其內(nèi)，保證盾構(gòu)機不同時跨越3道防滲墻（1道既有，2道新增）。

盾構(gòu)機首先鉆越第一道新增防滲墻，此時既有防滲墻未局部破壞，防滲能力不降低；盾構(gòu)機其次鉆越既有防滲墻，此時另一側(cè)的新增防滲墻未破壞，防滲能力不降低；盾構(gòu)機最后鉆越另一側(cè)新增防滲墻，此時首先鉆越的新增防滲墻與預(yù)制拼裝的管片之間的空隙已用水泥砂漿填充密實，封閉了地下水滲流路徑，防滲能力仍未降低。綜上所述，增加了兩道防滲墻后，盾構(gòu)機在鉆穿過程中，始終保持了道里堤防滲墻的防滲能力不降低。

2）土體加固

盾構(gòu)機在軟硬不均地層中推進(jìn)，姿態(tài)控制難度極大，在鉆穿既有防滲墻時，工作面上部是高壓噴射灌漿形成的較高強度墻體，下部是原狀土層，盾構(gòu)機極易超挖下部土體，產(chǎn)生磕頭現(xiàn)象，造成隧道軸線偏差，擴大防滲墻破壞范圍。并且盾構(gòu)機在鉆穿防滲墻過程中，為了避免防滲墻在頂推力作用下開裂、折斷，需要在防滲墻背后提供強有力的后靠背支撐。因此，對防滲墻10m×10m的圍合空間內(nèi)部土體進(jìn)行加固。加固后土體無側(cè)限抗壓強度不小于1MPa。加固深度范圍為隧洞下方1.0 m至隧洞上方3.0m，加固體總高度不小于10m。

土體加固可采用化學(xué)注漿、高壓噴灌、水泥土攪拌等工藝，鑒于圍合空間內(nèi)土體加固的目的僅是提高強度，不需要隔水抗?jié)B，對加固體的均勻性要求不高，因此采用工藝成熟、造價低的袖閥管注漿工藝。

3）盾構(gòu)施工措施

1）在盾構(gòu)到達(dá)防滲墻前，降低推進(jìn)速度，嚴(yán)格控制盾構(gòu)方向，根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析，及時調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，確保盾構(gòu)機的平穩(wěn)穿越。

2）盾構(gòu)施工過程中，采用同步注漿工藝，確保漿液填充滿盾尾管片與加固后土體間的建筑空隙。

3）盾構(gòu)通過后，為防止后期沉降產(chǎn)生空隙，進(jìn)行二次注漿，將管片與地層的空隙填滿，切掉滲流路徑。

4　工程穿越道里堤截滲板墻后滲流計算分析

對2號線一期工程穿越道里堤防后進(jìn)行滲流和抗滑穩(wěn)定計算，穿越后道里堤截滲板墻橫截面包括截滲板墻（截掉4.38m）及隧洞斷面組成。

4.1計算內(nèi)容

對軌道交通2號線一期工程與右岸道里堤交叉處堤防斷面進(jìn)行2號線一期工程穿越前后滲流和抗滑穩(wěn)定計算。穩(wěn)定計算包括設(shè)計洪水位下背水側(cè)堤坡和設(shè)計洪水位驟降期臨水側(cè)堤坡兩種情況。

4.2計算結(jié)果

1）滲流及滲透穩(wěn)定計算成果

水位組合考慮臨水側(cè)為堤防設(shè)計洪水位，背水側(cè)為地下水位。滲透穩(wěn)定計算結(jié)果，見表1。

表1　右岸道里堤滲透計算成果

在100年一遇洪水穩(wěn)定滲流期，2號線一期工程穿越后，由于工程實施后截滲墻與隧洞共同防滲，因此單寬滲流量有所減小；由于堤基透水性減弱，浸潤線比穿越前略有抬高，堤肩樁柱梁位置處抬高約0.25m；堤防滲流場水力坡降和水頭損失主要集中在滲透系數(shù)小的粘土層和防滲板墻內(nèi)；在防滲板墻底部有集中繞流現(xiàn)象。

由表2計算結(jié)果可知，哈爾濱市軌道交通2號線一期工程穿越松花江段，100年一遇堤防設(shè)計洪水時，穿越右岸道里堤后堤防背水面滲流出口比降0.027，稍大于穿越前0.025，但均小于允許比降0.08，堤防滲透穩(wěn)定滿足要求。

2）抗滑穩(wěn)定計算成果

計算工況考慮正常運用條件下，計算內(nèi)容為設(shè)計洪水位下穩(wěn)定滲流期背水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定和設(shè)計洪水位驟降期臨水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定，計算公式分別為有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法。設(shè)計洪水位驟降情況，為偏于安全，堤身浸潤線采用設(shè)計洪水位情況下的浸潤線?？够€(wěn)定計算結(jié)果，見表2。

表2　右岸道里堤抗滑穩(wěn)定計算成果

由表2計算結(jié)果可知，100年一遇設(shè)計洪水時，穿越后右岸道里堤防背水面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均為5.08，大于允許安全系數(shù)1.30，堤防抗滑穩(wěn)定滿足要求。

5　結(jié)論

1）道里堤鋼閘板樁基礎(chǔ)頂冠梁處的地層沉降值為4mm，小于盾構(gòu)下穿過程中的鋼閘板樁基礎(chǔ)允許不均勻沉降值5mm，說明樁基礎(chǔ)不需要采取專門加固措施，正常設(shè)計、正常施工條件下，盾構(gòu)法穿越對鋼閘板樁基礎(chǔ)影響很小。

2）滲透穩(wěn)定及抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果表明在采用防護(hù)措施后，100年一遇堤防設(shè)計洪水時，堤防滲透穩(wěn)定滿足要求，100年一遇堤防設(shè)計洪水時、100年一遇設(shè)計洪水驟降時，堤防抗滑穩(wěn)定滿足要求。

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1002－0624（2015）10－0047－02