李谷陽，程盼盼，徐前衛(wèi)（.中鐵五局電務(wù)城通公司，湖南　長沙4005；.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海0804）

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砂卵石地層盾構(gòu)施工對高鐵橋梁的影響及控制

李谷陽1，程盼盼2，徐前衛(wèi)2
（1.中鐵五局電務(wù)城通公司，湖南長沙410205；2.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

摘要：在北京地鐵8號線天橋—永定門外區(qū)間隧道的施工過程中，盾構(gòu)需要從既有京津城際鐵路和京山鐵路的上跨橋梁下方穿過，穿越段地層以砂卵石為主。盾構(gòu)在砂卵石地層中施工極易導(dǎo)致地表沉降和塌陷，而高速鐵路運營線又對軌道平順性有著嚴(yán)格的要求；因此隧道施工的風(fēng)險極高。借助數(shù)值分析軟件對盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋梁的動態(tài)施工過程進行模擬，研究盾構(gòu)施工引起的砂卵石地層擾動變形、孔隙水壓力變化及橋梁結(jié)構(gòu)變形等規(guī)律，并據(jù)此提出確保橋梁運行安全的工程保障措施與監(jiān)控量測體系。上述研究成果不僅用于指導(dǎo)隧道工程的設(shè)計與施工，而且也可為今后類似工程問題提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：砂卵石地層；盾構(gòu)隧道；近接施工；施工措施

自從1818年法國工程師布魯諾爾發(fā)明盾構(gòu)法以來，經(jīng)過近兩百年的應(yīng)用和發(fā)展，盾構(gòu)法技術(shù)日趨成熟，相對于其它施工方法，其優(yōu)越性越來越明顯，應(yīng)用范圍也越來越廣。但由于城市中地下管線與地面建（構(gòu)）筑物十分密集，盾構(gòu)施工過程中又不可避免地會對地層產(chǎn)生擾動，包括盾構(gòu)對土體的擠壓和松動、加載和卸載、超孔隙水壓力的產(chǎn)生和消散，從而導(dǎo)致土體發(fā)生彈性或塑性變形，造成地表隆起或下沉，進而對既有地面建筑和地下管線等市政設(shè)施的安全性產(chǎn)生不利的影響。特別是在建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)不同部位之間，由于荷載不同或土層壓縮性不同會引起不均勻沉降，沉降差過大會影響建筑物的安全和正常使用。近年來有關(guān)盾構(gòu)施工引起的工程事故時有發(fā)生，比如道路的突然垮塌、建筑物的開裂與傾斜、地下管線的斷裂等[1-4]。為了保證建（構(gòu)）筑物的安全與正常使用，在盾構(gòu)掘進前必須有效計算和預(yù)測建筑物基礎(chǔ)可能發(fā)生的沉降量和沉降差，并設(shè)法將其控制在容許范圍內(nèi)，必要時還需采取相應(yīng)的工程措施，以確保建筑物的安全和正常使用。目前估計隧道施工引起的地表移動和變形的方法主要有經(jīng)驗法、解析法和數(shù)值法[5-6]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬在預(yù)測分析盾構(gòu)隧道引起的地層變形中被廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的分析方法無法很好地完成地層變形估計，而數(shù)值計算法可以考慮地層結(jié)構(gòu)，適應(yīng)復(fù)雜邊界條件，提供更為豐富全面的計算成果，更適合地層變形分析。

北京地鐵8號線天橋站—永定門外站區(qū)間隧道所處地層以砂卵石為主，且同時具有無水、富水、淺埋、深埋等不同地層賦藏特征。砂卵石地層是一種典型的不穩(wěn)定地層。卵石塊在地層中起骨架作用，卵石塊點對點傳力。卵石塊間空隙大，其間充填各類砂層，結(jié)構(gòu)松散，無粘聚力，若同時地層含水量大，在隧道開挖時，極易發(fā)生噴涌現(xiàn)象，從而造成掘進階段的出土量把握不準(zhǔn)，使土倉、刀盤上部的土體失穩(wěn)而發(fā)生坍塌，這一松散、坍塌過程逐漸向上傳遞，最終導(dǎo)致地表沉降或塌陷[7]。再加上本線路近接環(huán)境復(fù)雜：房屋建筑多為民用建筑、有重要的大型立交橋、共穿越4個地下通道、線路下穿南護城河以及在建的14號線永定門外車站等，施工風(fēng)險比較大。本文以隧道下穿京津城際鐵路、京山鐵路上跨鐵路橋為例，通過數(shù)值計算來預(yù)測隧道施工對鐵路橋的影響，并提出相應(yīng)的施工控制措施及監(jiān)測方案。

1 工程概況

地鐵8號線天橋站—永定門外站區(qū)間右線于右K34 +744.003～+778.022，左線于左K34 + 744.358～+774.121處下穿京津城際鐵路、京滬鐵路框構(gòu)橋。地鐵區(qū)間從北至南依次穿越既有京滬鐵路上下行線及京津城際鐵路上下行線。

圖1 鐵路橋與盾構(gòu)隧道的空間位置關(guān)系（單位：mm）Fig.1 Spatial position relationship between the railway bridge and the shield tunnel (unit: mm)

京津城際鐵路、京山線鐵路橋?qū)?跨共81.2 m，長33.27 m，高7.9 m。與盾構(gòu)隧道斜交約80°。結(jié)構(gòu)主要受力部位頂進框架用C35鋼筋混凝土澆筑。

隧道下穿鐵路橋區(qū)段埋深約22.4～24.8 m。區(qū)間土層自上而下為：雜填土①層、粉質(zhì)粘土③層、粉砂～細(xì)砂③3層、粉質(zhì)粘土④層、粉砂～細(xì)砂④3層、粉質(zhì)粘土④層、細(xì)砂～中砂⑤2層、卵石⑤層、粉質(zhì)粘土⑥層、細(xì)砂～中砂⑦2層、卵石⑦層，地層參數(shù)詳見表1；洞身所在地層主要為卵石⑤層、粉質(zhì)粘土⑥層。區(qū)間結(jié)構(gòu)以上有潛水和潛水～承壓水兩層水，地下水埋深約17 m。

地鐵左右線分別下穿鐵路橋西側(cè)的第2，1跨，線間距為16.2 m。平面上位于曲線段，左右線曲線半徑均為350 m。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)與鐵路框構(gòu)橋底板凈距約為20.758 m。地鐵線路與鐵路的空間關(guān)系分別如圖1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Physical and mechanical parameters of soils

2 存在問題

從橫斷面上隧道開挖的影響范圍分析，隧道上方土層變形范圍偏向框架橋的左側(cè)，這易引起框架橋向左側(cè)的傾斜變形，進而引起軌道縱向上的高低不平順，降低列車運行的舒適性和安全性。

隨著隧道的開挖，隧道掌子面沿隧道縱向的前后方一定范圍內(nèi)都將發(fā)生沉降變形。但一般來說，開挖面前方沉降較小，而后方沉降逐步發(fā)展并最終趨于穩(wěn)定，地層的沉降變形值沿著隧道開挖方向逐漸變小，這種差異沉降將引起框架橋縱向上的傾斜變形，即框架橋發(fā)生向隧道掌子面一側(cè)的傾斜變形，這種傾斜變形將導(dǎo)致軌道的水平不平順，可能造成列車運行不平穩(wěn)，嚴(yán)重時可導(dǎo)致出軌。有鑒于此，必須針對盾構(gòu)施工對橋梁結(jié)構(gòu)的安全影響及其施工控制技術(shù)開展必要的研究。

3 盾構(gòu)下穿鐵路橋的施工模擬

3.1 計算模型的建立

采用有限差分軟件對盾構(gòu)下穿京津城際、京山鐵路框架橋進行數(shù)值模擬。

1）模型尺寸。隧道開挖引起的滑動面與水平面的夾角約為53°，單個隧道開挖的影響半徑約為22 m，取模型左邊界距離左隧道中心線30 m，右邊界距離框架橋10 m；因此模型總長為121.2 m。為消除模型邊界效應(yīng)的影響，隧道以下計算深度大于3倍洞徑，為20 m，模型總高為55 m；鐵路框架橋?qū)?3 m，縱向取60 m長進行計算，計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型示意圖Fig.2 Mesh of calculation model

2）分析模式。盾構(gòu)下穿鐵路橋段地下水位線距離隧道頂部約為6.6 m，為考慮地下水滲流與土體因開挖造成的應(yīng)力狀態(tài)改變之間的相互影響，采用流固耦合分析模式進行計算。

3）力學(xué)模型及滲流模型。計算時地基土、框架橋、管片及注漿層均用實體單元模擬，地基土采用Mohr-Coulomb模型，管片、框架橋及注漿層采用線彈性模型。土層、管片、注漿層采用各向同性滲流模型，框架橋結(jié)構(gòu)采用不透水模型。各土層的計算參數(shù)如表1所示，其它單元的計算參數(shù)如表2所示。

4）邊界條件。假定計算邊界處不受隧道開挖的影響，即該處為靜止的原始應(yīng)力狀態(tài)，變形為零，用約束來模擬，本計算邊界條件設(shè)置為豎向邊界約束水平位移，水平底部邊界約束豎向位移，頂部是自由面。

表2 框架橋、注漿層、管片的計算參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parameters of frame bridge, grouting layer and segment

3.2 荷載條件

鐵路橋上有京津城際鐵路與京山鐵路運營，我國《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621-2014）規(guī)定：高速鐵路列車荷載采用ZK標(biāo)準(zhǔn)活載，即4個200 kN的集中荷載與64 kN·m-1的均布荷載[8]，計算時將荷載折算成用實體單元模擬的土柱加在框架橋上。

橋下為公路，可通行車輛和行人，參照《地鐵設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，地面車輛荷載可按20 kPa的均布荷載取值。

3.3 施工過程模擬

首先進行彈性計算，使土體達到開挖前的固結(jié)狀態(tài)，并形成初始應(yīng)力場。在彈性平衡后，給模型賦以塑性參數(shù)，使其在開挖過程中可以根據(jù)摩爾—庫倫準(zhǔn)則判斷自身是否破壞，是否產(chǎn)生相應(yīng)的塑形變形。橋梁結(jié)構(gòu)及荷載在形成初始應(yīng)力場后加入，形成盾構(gòu)掘進前的地層應(yīng)力狀態(tài)，并對已經(jīng)達到開挖前狀態(tài)的土體模型進行位移清零。隧道盾構(gòu)施工的模擬過程如下：

1）開挖一個管片寬長度的隧道土體，包括預(yù)先定義的隧道土體、管片層、注漿層；

2）將新開挖的一段注漿層單元賦以盾殼的力學(xué)參數(shù)，以模擬盾構(gòu)機本身對四壁土體的支撐作用；

3）給開挖面施加土艙壓力，以保持開挖面的穩(wěn)定平衡；

4）將距離開挖面后方6 m處緊貼盾殼單元內(nèi)部的薄層單元設(shè)為盾構(gòu)管片；

5）將距離開挖面后方6 m處的盾殼單元的材料強度改為漿液初凝強度的1/2，9 m處改為初凝強度，12 m處改為終凝強度，即假定注漿材料的硬化過程滯后4個管環(huán)。

3.4 計算成果及分析

1）地層變形分析。盾構(gòu)掘進之后所引起的地層豎向位移如圖3所示。隧道開挖后引起的最大沉降量約為13.91 mm，發(fā)生在左隧道頂部；最大隆起量約為8.89 mm，發(fā)生在右隧道底部。

2）孔隙水壓力變化分析。圖4為隧道開挖后土體中孔隙水壓力分布圖，由圖可知，由于擾動引起的地層中的孔隙水壓力與原始地層靜止?fàn)顟B(tài)下的孔壓分布明顯不同，開挖面周圍土體膨脹，開挖面附近將形成負(fù)的超孔隙水壓力，因而使隧道周圍產(chǎn)生局部孔隙水壓力集中，后期由于開挖面附近超孔隙水壓力的消散會使土體發(fā)生固結(jié)沉降，進而對上部鐵路橋產(chǎn)生影響，這一點在施工中應(yīng)予以關(guān)注。

圖3 地層豎向位移圖Fig.3 Figure of vertical displacement

圖4 孔隙水壓力分布云圖Fig.4 Figure of pore water pressure distribution

3）橋梁結(jié)構(gòu)變形分析。圖5為左右線均開挖完后將框架橋變形放大1 000倍的效果圖及豎向位移云圖。圖6為盾構(gòu)掘進過程中框架橋的最大沉降及隆起的變化趨勢圖。

圖5 橋梁結(jié)構(gòu)變形放大圖Fig.5 Figure of amplified deformation of bridge structure

由圖6可以看出，右線掘進過程中框架橋的位移變化較快，右線隧道開挖完后，橋梁的最大沉降為10.34 mm，最大隆起為5.34 mm；而在開挖左線時橋梁的位移變化相對較緩，左線開挖完后框架橋最大沉降變形為13.34 mm，發(fā)生在框架橋底板西側(cè)，受橋體剛度的影響，東側(cè)發(fā)生輕微的隆起變形，框架橋最大隆起變形為7.27 mm。此區(qū)段京津城際高鐵為無砟軌道線路，京滬高鐵為有砟軌道線路，《高速鐵路工務(wù)知識手冊》（路橋）規(guī)定：高速鐵路橋梁基礎(chǔ)工后沉降：無砟軌道不大于20 mm，250 km·h-1和350 km·h-1線路有砟軌道分別不大于50 mm和30 mm。雖然計算結(jié)果表明橋梁的最終沉降小于控制標(biāo)準(zhǔn)，但變形值相對偏大，并且后期因超孔隙水壓消散和土體骨架蠕變還會引起橋梁沉降，為確保鐵路運行安全，需要采取相應(yīng)的措施加以控制。

圖6 盾構(gòu)掘進過程中框架橋最大位移變化趨勢圖Fig.6 Trend chart of maximum displacement of frame bridge during shield tunneling

此外，框架橋的最大差異沉降是隨著隧道的開挖逐漸增大的，右線開挖完后最大差異沉降為15.68 mm，到左右線均開挖完后最大差異沉降達到20.61 mm，最大差異沉降主要發(fā)生在橋梁東西兩側(cè)，將引起軌道的高低不平順，降低列車運行的舒適性和安全性，對行車安全造成巨大隱患。

4 控制措施及監(jiān)測方案

4.1 加固措施

多種注漿方式的組合是盾構(gòu)法穿越砂卵石地層施工控制地表沉降最有效的措施[9]；因此在下穿過程中可采取多種注漿技術(shù)來減小盾構(gòu)掘進對地表的影響。例如提前對盾構(gòu)隧道上半部分2 m以內(nèi)部分土體進行注漿加固處理，左線加固里程為K34+739～+779，右線加固里程為K34+738～+783，如圖7所示。為驗證加固效果，進行了數(shù)值計算，計算結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，隧道周圍土體經(jīng)過加固處理后，框架橋的最大沉降為11.73 mm，最大隆起為6.17 mm；因此在開挖前對盾構(gòu)隧道上半部分2 m以內(nèi)部分土體進行注漿加固處理，可以減小高鐵橋梁的變形，但是效果不顯著，還需要采取地面深孔注漿、盾尾補漿等其它加固措施。

圖7 隧道上方土體注漿加固示意圖Fig.7 Schematic diagram of soil grouting reinforcement around tunnel

4.2 施工措施

1）根據(jù)城際列車運營時間，在施工中選擇合適的盾構(gòu)下穿時間，比如天窗時間，盡量減少下穿風(fēng)險。

圖8 采取加固措施后鐵路橋豎向位移云圖Fig.8 Figure of vertical displacement of railway bridge with soil reinforcement

2）選擇正確的掘進參數(shù)，嚴(yán)格控制出土量，盡可能保證土艙壓力達到設(shè)定值，并及時進行同步注漿。加強軌面、地表沉降，地下水位及周圍建（構(gòu)）筑物傾斜觀測，并及時反饋施工。加強過程控制管理，實施信息化施工，防止開挖面失穩(wěn)引起過大的地表沉降。

3）盾構(gòu)機本身應(yīng)增加盾尾刷保護及其嚴(yán)格控制盾尾油脂的壓注，在使用時對盾尾艙進行定期檢查，平均每8環(huán)全面檢查一次，并且在管片拼裝前必須把盾殼內(nèi)的雜物清理干凈，以防對盾尾刷造成損壞。

4）加強對盾構(gòu)掘進中的工況管理，嚴(yán)防由于泥餅生成和土倉的堵塞，并導(dǎo)致在鐵路框構(gòu)橋下清洗土倉。

5）若在掘進施工過程中發(fā)現(xiàn)軌面沉降，應(yīng)協(xié)同鐵路相關(guān)部門，采取方法及時調(diào)整軌面高程，以滿足鐵路道路的標(biāo)準(zhǔn)。

6）通過框架橋地段穿越卵石地層區(qū)域較長，在穿越前做好刀盤刀具的檢修與更換，做好盾構(gòu)設(shè)備的維保，以盾構(gòu)設(shè)備最好的狀態(tài)通過。

4.3 監(jiān)測方案

1）根據(jù)不同的施工進程，采取相應(yīng)的監(jiān)測方法，準(zhǔn)確測量地面及鐵路的變形。

2）施工監(jiān)測中，應(yīng)對測量結(jié)果及時分析與反饋，參照我國高速鐵路軌道不平順維修管理標(biāo)準(zhǔn)，京津城際鐵路與京滬鐵路的軌道靜態(tài)變形監(jiān)測控制指標(biāo)如表3，表4所示。

表3 京津城際軌道施工過程靜態(tài)變形控制標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Static deformation control standard of Beijing-Tianjin intercity rail construction

表4 京滬鐵路軌道施工過程靜態(tài)變形控制標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Static deformation control standard of Beijing-Shanghai rail construction

3）根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，確保地鐵隧道及鐵路運營安全。

4）每一監(jiān)測斷面不少于9個檢測點，施工監(jiān)測應(yīng)有可靠的基準(zhǔn)點，其設(shè)在變形影響范圍外，且不少于3個，基準(zhǔn)點系統(tǒng)應(yīng)定期校核。

5）警戒值取80%的設(shè)計容許值。

6）下穿框構(gòu)橋通道的沉降及變形按權(quán)屬部門的規(guī)定及相關(guān)的規(guī)范執(zhí)行。

5 結(jié)語

對北京地鐵8號線天橋—永定門外站盾構(gòu)下穿京津城際鐵路、京山鐵路上跨框架橋進行了定性分析和數(shù)值計算，計算結(jié)果表明，在不采取任何輔助措施的前提下，雙線隧道貫通后框架橋的不均勻沉降差較大，而高速鐵路對沉降控制要求非常嚴(yán)格，為減小施工對鐵路橋的安全風(fēng)險，本文提出了施工時可采取的控制措施，并給出了相應(yīng)的監(jiān)測方案，從而更好地指導(dǎo)后續(xù)施工。通過對此案例的分析，可進一步對砂卵石地層盾構(gòu)施工對周邊環(huán)境影響控制提出以下建議：

1）砂卵石地層盾構(gòu)施工對周邊環(huán)境變形影響較大，雖然先期沉降可能小于控制標(biāo)準(zhǔn)，但由于砂卵石地層的成拱效應(yīng)及超孔隙水壓的消散，沉降具有滯后性，所以對于高風(fēng)險源應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施加以控制；

2）多種注漿方式的組合可以有效控制砂卵石地層地表沉降，如地面深孔注漿、盾尾補漿等；

3）在施工時應(yīng)注意選擇合適的盾構(gòu)下穿時間、合理的掘進參數(shù)，并做好盾構(gòu)設(shè)備的維保；

4）實施信息化施工，提前制定監(jiān)測方案，施工期間加強地表沉降、地下水位等的觀測，并及時反饋施工。

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（責(zé)任編輯 劉棉玲）

Research on Influence and Control of Shield Tunneling Construction in Sandy Pebble Stratum on High-speed Railway Bridge

Li Guyang1，Cheng Panpan2，Xu Qianwei2
（1. Five Iron Group Electric Service City Link Engineering Co., Ltd., Changsha 410205；2. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804，China）

Abstract：The shield passes through a bridge, on which Beijing-Tianjin intercity railway and Jingshan railway are laid, during tunneling in the section from Tianqiao to Yongdingmenwai of Beijing Metro Line 8 with mainly sandy pebble stratum. It's a high-risk project for it's easy to cause surface subsidence and collapse during shield tunneling in sandy pebble stratum, in addition to the strict requirements of track smoothness for high-speed railway. Based on numerical analysis software, the paper simulated dynamic construction process of shield tunnel overpassing railway bridge, researched the deformation of sandy pebble stratum, distribution of pore pressure and deformation of bridge structure caused by tunnel excavation. It finally put forward engineering countermeasures and monitoring schemes to ensure the safety of bridge. Research results can not only guide the design and construction of tunnel engineering, but also provide reference for similar project issues.

Key words：sandy pebble stratum；shield tunnel；adjacent buildings；construction measures

中圖分類號：U455.43

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-0523（2016）03-0047-07

收稿日期：2015－11－25

作者簡介：李谷陽(1976—)，男，高級工程師，碩士，研究方向為隧道與地下工程。