楊俊龍， 門燕青， 廖少明， 高東奇， 蘇逢彬

(1. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系， 上海200092； 2. 上海城建置業(yè)發(fā)展有限公司， 上海 200030；3. 濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司， 濟(jì)南 250101)

“穿越”問題在地下空間開發(fā)過程中不可避免，穿越施工將對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，造成周圍地層損失，引起隧道周圍空間應(yīng)力場和位移場的變化[1].然而，下穿運(yùn)營鐵路時(shí)引起的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)往往是根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)或工程類比而來，具有一定的盲目性[2].因此，大直徑、淺覆土盾構(gòu)下穿鐵路工程與一般的穿越工程相比，不確定性更大，施工風(fēng)險(xiǎn)更高.

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)穿越工程，采用理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測等方法開展了許多卓有成效的研究.廖少明等[3-5]推導(dǎo)了盾構(gòu)近距離穿越地鐵隧道時(shí)地層土壓力的相關(guān)理論公式，預(yù)測了盾構(gòu)超近距離穿越地下構(gòu)筑物施工過程中的地層變形特性.胡群芳等[6]分析對(duì)比了盾構(gòu)兩次近距離下穿越施工的過程和特點(diǎn)，討論了周圍地層土體的沉降變形和規(guī)律.廖少明等[7]對(duì)盾構(gòu)穿越運(yùn)營地鐵隧道、危舊敏感建筑物等地下空間的盾構(gòu)選型、微擾動(dòng)控制等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析.宋克志等[8]分析了盾構(gòu)隧道地表沉降的構(gòu)成及其機(jī)理，推導(dǎo)了地表最大沉降的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差.蔣洪勝[9]研究了盾構(gòu)法隧道穿越地下污水管道時(shí)盾構(gòu)推進(jìn)與地層移動(dòng)的相關(guān)性.孔祥鵬等[10]采用三維有限元方法從理論上對(duì)既有車站的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了分析.Liu等[11]分析了在已建隧道上方新建明挖回填式隧道的過程對(duì)已建隧道的影響.郭瑞等[12]采用數(shù)值模擬的方法分析了隧道的開挖過程中位移逐漸釋放和應(yīng)力逐漸釋放的相關(guān)關(guān)系.

本文結(jié)合杭州環(huán)北地下快速路隧道工程實(shí)踐，采用數(shù)值分析的方法研究了有、無土層加固的情況下盾構(gòu)施工對(duì)地層、橋涵的位移場和應(yīng)力場的影響.在此基礎(chǔ)上，分析了盾構(gòu)穿越鐵路橋涵的施工參數(shù)的變化規(guī)律，提出了盾構(gòu)施工的控制方法，并對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)穿越鐵路橋涵過程中的橋涵沉降進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測分析，以期為大直徑盾構(gòu)淺覆土下穿鐵路橋涵設(shè)計(jì)和施工控制提供借鑒和指導(dǎo).

1 工程概況

環(huán)北地下快速路是杭州市“三縱五橫”快速路的中間一橫.環(huán)北地下快速路隧道工程采用大直徑泥水平衡式盾構(gòu)法進(jìn)行施工，分南、北兩線，北線隧道盾構(gòu)段 1 275 m，南線隧道盾構(gòu)段 1 410 m.盾構(gòu)隧道采用預(yù)制管片單層襯砌，管片環(huán)采用9等份分塊，外徑D為11.3 m，內(nèi)徑d為10.3 m，管片厚度0.5 m，環(huán)寬2.0 m.管片之間及管片環(huán)之間均采用斜螺栓連接，管片襯砌環(huán)采用C50鋼筋混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P12.隧道結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 環(huán)北地下快速路盾構(gòu)隧道斷面圖(mm)Fig.1 Shield tunnel section of Huanbei underground expressway (mm)

盾構(gòu)始發(fā)后，將近距離斜交下穿建成于1977年的滬杭鐵路橋涵，鐵路線路中心線與盾構(gòu)隧道中心線的斜交角度為69°9′43″.穿越鐵路橋涵的寬度為12.84 m，為箱型框架結(jié)構(gòu)，橋涵混凝土等級(jí)為C30，橋涵上部鐵路軌道為有砟軌道.穿越部位南、北線隧道上覆土厚度分別為8.63和8.84 m，如圖2所示.橋涵底板與引道底板間設(shè)置有防止差異沉降的榫槽.

根據(jù)地勘報(bào)告，隧道穿越鐵路橋涵區(qū)域上部地層以粉土、粉砂為主，厚度約15 m以內(nèi)為沖海相砂質(zhì)粉土夾粉砂及粉砂夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(即后文數(shù)值分析所述的第1層土)；中部為厚約18～22 m的高壓縮性流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土以及厚約20～28 m的軟塑-可塑狀粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂(即后文數(shù)值分析所述的第2層土)；下部為性能較好的圓礫(即后文數(shù)值分析所述的第3層土).盾構(gòu)穿越橋涵段土層的物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)如圖3所示.

圖2 環(huán)北地下快速路隧道與鐵路橋涵橫剖面關(guān)系圖(mm) Fig.2 Cross section of tunnel and railway bridge of Huanbei underground expressway (mm)

圖3 土體分層及巖土參數(shù)變化曲線Fig.3 Variation curves of soil stratification and parameters

2 穿越影響預(yù)測

土層加固是減小盾構(gòu)穿越過程中地表沉降的有效方法[13]，通過加固可以有效提高地基土的承載力，減少地表不均勻沉降和鐵路橋涵的變形.為確保運(yùn)營鐵路橋涵安全，有效減少盾構(gòu)穿越施工對(duì)運(yùn)營鐵路橋涵的影響，在進(jìn)行與不進(jìn)行高壓旋噴法土體加固的情況下，分別建立了不同的數(shù)值模型以對(duì)盾構(gòu)穿越影響進(jìn)行計(jì)算分析.

2.1 數(shù)值模型的建立

采用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，建立的有限元模型長126.6 m、寬92 m、高41 m，隧道外徑11.3 m、內(nèi)徑10.3 m，左右邊界與隧道邊緣相距34.3 m，底部邊界與隧道邊緣相距34.35 m.根據(jù)設(shè)計(jì)資料，地層加固范圍設(shè)置為橋涵底板下24 m區(qū)域，同時(shí)加固范圍橋涵向前后各延伸8 m，向左右各延伸8 m.有限元模型如圖4所示.

為了反映盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的影響，在掘削面上施加了0.3 MPa的面荷載以模擬盾構(gòu)開挖面的頂進(jìn)壓力；在盾構(gòu)機(jī)與土體間的環(huán)形間隙中向土體施加了0.15 MPa的面荷載以模擬注漿壓力.此外，計(jì)算分析中，采用Solid45模型單元進(jìn)行模擬，通過改變 Solid45 單元的彈性模量、密度等參數(shù)模擬開挖土體、周圍土層、加固土體、盾構(gòu)隧道管片和橋涵等不同結(jié)構(gòu).結(jié)合區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件和隧道工程概況，根據(jù)圖2和3所示的地層參數(shù)指標(biāo)，對(duì)地層參數(shù)指標(biāo)通過加權(quán)平均法進(jìn)行合理的歸并，計(jì)算分析過程中各單元計(jì)算參數(shù)如表1所示.表1中：t為厚度；E為彈性模量；μ為泊松比；γ為重度；c為內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角.

圖4 數(shù)值分析模型(m) Fig.4 Numerical simulation model (m)

Tab.1Physical-mechanicalparametersofdifferentelements

土層t/mE/MPaμγ/(kN·m-3)c/kPaφ/(°)第1層土1160.22181324第2層土2011.20.32181229.2第3層土10160.36181526等代層12.50.4181030加固土247000.4183030隧道管片0.5340000.1672500——盾構(gòu)機(jī)機(jī)殼0.52100000.47850——橋涵—300000.1672500——

2.2 盾構(gòu)穿越影響的評(píng)價(jià)

2.2.1直接穿越 圖5所示為南北線隧道直接穿越后的橋涵結(jié)構(gòu)沉降曲線.由圖可見，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)將引起鐵路橋涵的沉降，南線隧道剛剛到達(dá)橋涵時(shí)，橋涵最大沉降為3.71 mm；南線隧道剛剛盾構(gòu)穿越后，橋涵最大沉降為10.89 mm；南線隧道完全盾構(gòu)穿越后，橋涵最大沉降為16.40 mm.北線隧道盾構(gòu)通過引起了鐵路橋涵的二次沉降，待北線隧道完全盾構(gòu)穿越后，橋涵沉降最大值由南線隧道穿過后的16.40 mm增至21.61 mm.

圖6所示為地層未加固時(shí)北線隧道完全通過后橋涵的第3主應(yīng)力分布.由圖可見，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，雖然橋涵絕大多數(shù)區(qū)域的拉應(yīng)力在1.43 MPa以下，但在橋涵中隔墻的頂端和底端產(chǎn)生了應(yīng)力集中，在橋涵中隔墻的頂端、底端以及底板中部的部分區(qū)域拉應(yīng)力超出了1.43 MPa.因此，橋涵的受拉能力不完全滿足要求，將產(chǎn)生結(jié)構(gòu)開裂.

圖5 南北線隧道直接穿越后橋涵結(jié)構(gòu)沉降曲線Fig.5 Settlement curves of railway culvert caused by north and south shield tunneling without reinforced soils

圖6 地層未加固時(shí)北線隧道完全通過后橋涵的第3主應(yīng)力(MPa)Fig.6 The 3rd principal stress of the bridge without reinforced soils (MPa)

綜上所述，隧道掘進(jìn)對(duì)橋涵的沉降影響顯著.在橋涵沉降方面，南線隧道盾構(gòu)穿過后，橋涵最大沉降為16.40 mm，北線隧道盾構(gòu)穿越后，橋涵沉降最大值增至21.61 mm，超過了鐵路運(yùn)營安全控制標(biāo)準(zhǔn)(10 mm).在橋涵應(yīng)力方面，隧道掘進(jìn)對(duì)橋涵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響較大，橋涵底板的中間部分、中隔墻的頂端和底端易發(fā)生開裂，這些區(qū)域應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注以免發(fā)生危險(xiǎn).

圖7 南北線隧道地層加固后橋涵結(jié)構(gòu)沉降曲線Fig.7 Settlement curves of railway culvert caused by north and south shield tunneling with reinforced soils

2.2.2地層加固后穿越 本文通過旋噴樁及注漿的方式對(duì)地層進(jìn)行預(yù)加固.縱向加固范圍為橋涵及其前后5 m區(qū)域，加固深度為28 m(從橋涵頂部算起)，加固后土體的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.5 MPa.圖7所示為進(jìn)行地層加固后南北線隧道穿越導(dǎo)致的橋涵結(jié)構(gòu)沉降曲線.由圖可見，對(duì)橋涵下地層進(jìn)行加固后，南線隧道通過時(shí)，隧道中心線上方橋涵區(qū)域最大沉降為4.2 mm；南線隧道盾構(gòu)通過橋涵后，橋涵不均勻沉降達(dá)9.2 mm左右，傾斜率約為 0.018 2%；北線盾構(gòu)施工至鐵路橋涵時(shí)地層的最大沉降為8.525 mm；北線隧道完全盾構(gòu)穿越后地層的最大沉降9.323 mm，橋涵不均勻沉降達(dá)7.5 mm左右，傾斜率約為 0.014 8%.上述沉降均滿足鐵路橋涵最大允許沉降值(10 mm).此外，雖然橋面上各處沉降不均勻，但橋面和橋底的沉降趨勢基本相同.

圖8所示為地層加固后北線隧道完全盾構(gòu)穿越時(shí)橋涵的第3主應(yīng)力分布.可以看出，地層加固后，大部分區(qū)域的拉應(yīng)力有所降低，僅在橋涵中隔墻的頂端、底端以及橋涵底板中間部分區(qū)域的拉應(yīng)力超過1.43 MPa，但超出量極小，不影響隧道結(jié)構(gòu)的安全.

圖8 地層加固后北線隧道完全通過時(shí)橋涵的第3主應(yīng)力(MPa)Fig.8 The 3rd principal stress of the bridge with reinforced soils (MPa)

總體而言，地層加固后盾構(gòu)隧道下穿引起的橋涵附加應(yīng)力、變形發(fā)展與地層未加固時(shí)盾構(gòu)下穿相比，均有明顯的減小.實(shí)際工程中，應(yīng)在中隔墻的頂端和底端采取諸如設(shè)置加筋肋的加固措施，從而有效地增強(qiáng)這些區(qū)域的抗拉能力，減弱應(yīng)力集中現(xiàn)象.

3 盾構(gòu)施工控制效果實(shí)測

3.1 施工參數(shù)設(shè)定

在盾構(gòu)穿越的一般區(qū)間，設(shè)定切口壓力保持在比靜止土壓力計(jì)算值大15 kPa左右的水平.在盾構(gòu)下穿高鐵橋涵區(qū)段，考慮到加固土體密實(shí)度、強(qiáng)度的增大以及橋涵上列車的超載作用，切口壓力適當(dāng)調(diào)高，保持在比靜止土壓力計(jì)算值大25 kPa左右的水平.實(shí)際切口水土壓力的設(shè)定如圖9所示.

圖9 切口水土壓力設(shè)置值Fig.9 Pressure setting values of cutting ring

南、北線隧道穿越鐵路橋涵前后盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)矩和盾構(gòu)推力的設(shè)定情況如圖10所示.隧道穿越橋涵過程中，由于橋涵的上覆土壓力減小，隧道中心荷載的理論計(jì)算值降低了21 kPa，比穿越橋涵前減小了約13%，因此盾構(gòu)施工參數(shù)在穿越過程中作了相應(yīng)調(diào)整，總推力降低了約10%，轉(zhuǎn)矩降低了約10%.此外，盾尾注漿量大多處于150%～200%之間.

圖10 刀盤轉(zhuǎn)矩及盾構(gòu)推力變化曲線Fig.10 Variation of shield torque and thrust

3.2 施工控制效果實(shí)測分析

為驗(yàn)證盾構(gòu)施工控制效果，在車行橋涵底板的中部和人行橋涵的底板對(duì)應(yīng)隧道拱頂?shù)恼戏轿恢?見圖2)，沿縱向間距8 m，分別布置了QH1～QH4共計(jì)4個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)，如圖11所示.盾構(gòu)穿越橋涵前、后的7 d內(nèi)均進(jìn)行了沉降監(jiān)測，監(jiān)測頻率1次/d，QH1～QH4測點(diǎn)隨盾構(gòu)推進(jìn)的位移變化如圖12所示，橋涵縱向差異沉降變化曲線如圖13所示.由圖可見，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)橋涵前，橋涵沉降很小，介于-1～1 mm之間.當(dāng)盾構(gòu)機(jī)即將穿越橋涵時(shí)，4個(gè)測點(diǎn)都發(fā)生了3～4 mm的隆起.當(dāng)盾尾通過后，橋涵測點(diǎn)再次發(fā)生了約4 mm的下沉.上述變形均處于鐵路安全運(yùn)營規(guī)范允許范圍內(nèi).工程實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果存在微小差異，其產(chǎn)生的原因?yàn)閿?shù)值模擬分析中未對(duì)盾構(gòu)切口壓力進(jìn)行調(diào)整，而在工程實(shí)踐中切口壓力比靜止土壓力計(jì)算值大25 kPa，較大的切口壓力導(dǎo)致盾構(gòu)擠壓土體，造成地面的預(yù)隆起.

圖11 測點(diǎn)布置位置Fig.11 Monitoring points arrangement

圖12 盾構(gòu)推進(jìn)過程中橋涵各測點(diǎn)的位移值Fig.12 Displacement of monitoring points during shield advancing

圖13 橋涵縱向差異沉降變化曲線Fig.13 Longitudinal differential settlement of bridge during shield advancing

進(jìn)一步對(duì)鐵路橋涵的差異沉降進(jìn)行分析.根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)橋涵前，橋涵縱向差異沉降很小，基本介于 -0.005%～0.01% 之間.盾構(gòu)穿越鐵路橋涵過程中，縱向差異沉降逐漸增大，QH2、QH3兩點(diǎn)的差異沉降由 0.01% 增加到 0.02%，QH1、QH4兩點(diǎn)的差異沉降由 -0.001% 增加到 0.017%.盾構(gòu)機(jī)通過3 d后，差異沉降降低并較快趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在 0.01% 左右.

以上研究結(jié)果可以說明，在對(duì)橋涵下方土體進(jìn)行旋噴樁加固后，橋涵變形和受力的各項(xiàng)指標(biāo)均在鐵路安全運(yùn)營允許的范圍內(nèi)，盾構(gòu)穿越施工對(duì)運(yùn)營鐵路橋涵安全性的影響可控.

4 結(jié)論

本文結(jié)合杭州環(huán)北地下快速路大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道工程，采用數(shù)值分析的方法對(duì)盾構(gòu)穿越引起的運(yùn)營鐵路橋涵力學(xué)行為進(jìn)行了預(yù)測，并結(jié)合工程實(shí)測分析了盾構(gòu)施工參數(shù)的控制方法和實(shí)施效果，主要結(jié)論如下.

(1) 數(shù)值分析表明：未進(jìn)行橋涵區(qū)域的土體加固時(shí)，直接穿越鐵路橋涵施工將導(dǎo)致橋涵最大沉降達(dá)到21.6 mm，且在橋涵中隔墻的頂部和底部出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力可達(dá)1.60 MPa；進(jìn)行土體加固后，穿越鐵路橋涵施工導(dǎo)致橋涵最大沉降為9.3 mm，部分區(qū)域的最大拉應(yīng)力為1.46 MPa.

(2) 常規(guī)情況下，切口壓力較靜止土壓力大15 kPa，為確保盾構(gòu)穿越鐵路橋涵時(shí)結(jié)構(gòu)的安全，切口壓力調(diào)至比靜止土壓力大25 kPa.此外，考慮上覆水土荷載降低約13%，盾構(gòu)總推力降低了約10%，轉(zhuǎn)矩降低了約10%，盾尾注漿量處于 150%～200%之間，可確保穿越鐵路橋涵盾構(gòu)施工安全.

(3) 現(xiàn)場實(shí)測表明：當(dāng)盾構(gòu)機(jī)即將穿越鐵路橋涵時(shí)，橋涵結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生3～4 mm的預(yù)隆起；待盾構(gòu)穿越后，將產(chǎn)生約4 mm的沉降；盾構(gòu)機(jī)通過3 d后，差異沉降降低并較快趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在0.01%左右.