史曉濤

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009）

1 概述

隨著城市軌道交通工程建設(shè)的快速發(fā)展，在城市中央?yún)^(qū)域修建地鐵隧道不可避免的出現(xiàn)與既有構(gòu)筑物、管線存在交叉的復(fù)雜施工環(huán)境[1-4]。盾構(gòu)下穿工程施工要求采取控制措施減小土體沉降進(jìn)而確保周邊構(gòu)筑物的安全[5-7]。土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)作為常見的盾構(gòu)機(jī)型，機(jī)械化程度高，施工速度快，在工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛，但同步漿液注入點(diǎn)位于盾尾后方時便無法及時填充盾體與土體間的空隙，造成盾體周邊土體變形較大[8-9]。在近距離下穿構(gòu)筑物等變形指標(biāo)需嚴(yán)格控制的地層施工時，可采用盾前注漿的技術(shù)以控制盾體上方土體沉降[10-11]，確保盾構(gòu)下穿工程的沉降控制符合規(guī)范要求[12-13]。

合肥市軌道交通4 號線某標(biāo)段在距離盾構(gòu)接收井較近的位置近距離下穿雨水箱涵，盾構(gòu)隧道頂面距箱涵底部僅2.6m，箱涵頂板和底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，側(cè)墻為砌體結(jié)構(gòu)。原設(shè)計對箱涵進(jìn)行改遷，后因交通導(dǎo)改不具備條件和行人行車安全等因素影響未進(jìn)行改遷，采取盾構(gòu)施工直接下穿箱涵的方法進(jìn)行施工，沉降控制難度較大。

隧道上方土體沉降控制不當(dāng)易造成箱涵產(chǎn)生剪切破壞滲漏，城市雨水滲透至隧道周邊對盾構(gòu)襯砌質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致隧道涌水，威脅地鐵線路安全，施工風(fēng)險評估為I 級。

2 數(shù)值計算模型的構(gòu)建

為深入數(shù)值分析盾構(gòu)下穿工程施工過程，選擇合理的施工方法與施工參數(shù)，為工程建設(shè)提供依據(jù)，本文構(gòu)建了盾構(gòu)近距離下穿工程數(shù)值分析模型用以分析施工過程中盾構(gòu)周邊土體位移、雨水箱涵變形與地表沉降規(guī)律，并基于數(shù)值計算研究不同斷面和工況下的盾構(gòu)隧道施工位移場變化規(guī)律。

模型中隧道直徑為6.26m，襯砌管片厚度為0.3m，隧道間距12m，模型橫向長度為100m。隧道頂面至地表為9m，模型豎向長度為60m，模型縱向取盾構(gòu)接收前70m 段進(jìn)行分析，其中雨水箱涵底部距隧道頂部2.6m，與隧道呈80°斜交，模型的單元尺寸能夠合理過渡以精確模擬盾構(gòu)與管片襯砌對周邊土體位移、雨水箱涵變形與地表沉降的影響。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 盾后注漿數(shù)值分析

由圖1 和圖2 可知，采用盾后注漿施工時，左洞土體豎向位移最大值為6.45cm，位于隧道拱頂位置，隧道底部最大位移為6.1cm。右洞土體豎向位移最大值為6.1cm，同樣位于拱頂位置，隧道底部最大位移為6.0cm。

圖1 盾后注漿左洞隧道豎向位移

圖2 盾后注漿右洞隧道豎向位移

采用盾后注漿施工，隨著盾構(gòu)的進(jìn)行，隧道拱頂土體豎向位移呈“駝峰”型分布，主要原因是雨水箱涵相較土體的剛度較大，其自身結(jié)構(gòu)與周圍土體的沉降值較小。因此，盾構(gòu)穿越箱涵前后，拱頂土體的豎向位移先逐漸減小后逐漸增大，且呈現(xiàn)由拱頂向上土體沉降值逐漸減小的規(guī)律。拱底土體的豎向位移分布規(guī)律較為均勻，呈由隧道底部向下隆起位移逐漸減小的變化規(guī)律。

在管片襯砌完成但未注漿位置的土體豎向位移明顯大于已注漿區(qū)域，表明注漿可以有效抑制土體的位移。地表沉降在穿越箱涵前最大值為4.1cm，在箱涵上方地表沉降最大值為2.1cm。

3.2 盾前注漿數(shù)值分析

3.2.1 盾前注漿隧道位移場

圖3 盾前注漿左洞隧道豎向位移

圖4 盾前注漿右洞隧道豎向位移

由圖3 和圖4 可知，采用盾前注漿施工時，左洞土體豎向位移最大值為5.3cm，位于隧道底部，隧道拱頂位置土體最大位移為3.9cm。右洞土體豎向位移最大值也為5.3cm，同樣位于拱頂位置，隧道底部最大位移為3.5cm。由盾前注漿的土體位移云圖可以看出，拱頂位置土體沉降與底部土體隆起位移均明顯減小，盾前注漿縮短了土體與盾體的分離時間，有效的約束了土體的位移。

采用盾前注漿施工，隨著盾構(gòu)的進(jìn)行，隧道拱頂土體豎向位移同樣呈“駝峰”型分布，但箱涵前后土體沉降差值相對較小。盾構(gòu)穿越箱涵前后，拱頂土體的豎向位移先逐漸減小后逐漸增大，且呈現(xiàn)由拱頂向上土體沉降值逐漸減小的規(guī)律。拱底土體的豎向位移分布規(guī)律較為均勻，呈由隧道底部向下隆起位移逐漸減小的變化規(guī)律。

地表沉降在穿越箱涵前最大值為2.3cm，在箱涵上方地表沉降最大值為1.1cm。表明采用盾前注漿有效抑制了盾構(gòu)施工對地表沉降的影響。

3.2.2 盾前注漿隧道拱頂沉降分析

圖5 盾前注漿隧道左洞拱頂沉降

圖6 盾前注漿隧道左洞拱頂沉降

在雨水箱涵正下方的隧道拱頂位置，沿著盾構(gòu)方向依次設(shè)置6 個監(jiān)測點(diǎn)，數(shù)值計算得到的拱頂土體沉降如圖5 和圖6 所示?？梢钥闯觯蠖垂绊敵两抵底畲鬄?5.1mm，右洞拱頂沉降最大值為24.9mm，左右洞的拱頂沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)下穿箱涵的過程中，掌子面到達(dá)箱涵下方時，測點(diǎn)1 的沉降值達(dá)到總沉降位移的20.7%，掌子面穿越箱涵下方時，測點(diǎn)6 沉降值達(dá)到總沉降位移的63.6%，在盾前注漿完成后，隧道拱頂沉降速率快速減小，表明盾前注漿具有良好的約束土體變形的作用。

3.2.3 盾前注漿雨水箱涵變形分析

圖7 盾前注漿雨水箱涵左側(cè)基礎(chǔ)變形

圖8 盾前注漿雨水箱涵右側(cè)基礎(chǔ)變形

在隧道穿越的雨水箱涵的基礎(chǔ)底部，沿著盾構(gòu)方向依次設(shè)置6 個監(jiān)測點(diǎn)，數(shù)值計算得到箱涵在左右隧道施工時基礎(chǔ)沉降變形如圖7 和圖8 所示?？梢钥闯?，箱涵左側(cè)基礎(chǔ)變形最大值為17.5mm，右側(cè)變形最大值為16.5mm，左右洞的拱頂沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)下穿箱涵的過程中，掌子面到達(dá)箱涵下方時，測點(diǎn)1 的沉降值達(dá)到總沉降位移的13.1%，掌子面穿越箱涵下方時，測點(diǎn)6 沉降值達(dá)到總沉降位移的60.7%。隧道下穿過程中箱涵基礎(chǔ)變形速率逐漸增大，同時隨著盾前注漿完成后，變形的速率逐漸減小，表明盾前注漿具有良好的約束土體變形的作用。

4 施工控制

4.1 工藝操作要點(diǎn)

將沉降劃分為5 個階段，即早期下沉、挖掘面下沉、通過時下沉、盾尾間隙下沉和后續(xù)下沉，其中盾構(gòu)通過時的沉降主要由施工所導(dǎo)致的地層損失引起。

盾前注漿漿液的水泥采用普通硅酸鹽水泥，膨潤土采用納基膨潤土，水玻璃采用鈉水玻璃，選擇2 臺獨(dú)立變頻控制的軟管擠壓泵并配備攪拌器、混合器、電子流量計等設(shè)備實(shí)現(xiàn)注漿。所選擇的設(shè)備應(yīng)具備緊湊、便攜的特點(diǎn)，盡量少占用盾構(gòu)機(jī)內(nèi)空間。

在盾構(gòu)機(jī)靠近盾尾附近臺車一側(cè)放置并固定拌和、注入設(shè)備，接入臨時水電，進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。高壓注入管道長度需滿足接入前盾預(yù)留徑向孔要求，材料通過襯砌完成后的隧道由臺車運(yùn)輸至現(xiàn)場。

4.2 質(zhì)量控制措施

注漿前應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的漿液配比試驗，選定合適的注漿材料及漿液配比，確保漿液黏度、初凝時間、終凝時間等物理力學(xué)指標(biāo)符合工程實(shí)際及施工要求。

制訂詳細(xì)的注漿施工設(shè)計和工藝流程及注漿質(zhì)量控制程序，嚴(yán)格按要求實(shí)施注漿并進(jìn)行檢查、記錄和分析，及時做出P（注漿壓力）-Q（注漿量）-t（時間）曲線，分析注漿效果，反饋指導(dǎo)下次注漿。

根據(jù)洞內(nèi)管片襯砌變形和地面及周圍建筑物變形監(jiān)測結(jié)果，及時進(jìn)行信息反饋，修正注漿參數(shù)及施工方法，發(fā)現(xiàn)情況及時解決。

5 結(jié)論

本文對盾構(gòu)隧道近距離下穿雨水箱涵施工過程進(jìn)行了分析，構(gòu)建了盾構(gòu)近距離下穿工程數(shù)值分析模型用以分析施工過程中盾構(gòu)周邊土體位移、雨水箱涵變形與地表沉降規(guī)律，并基于數(shù)值計算研究不同斷面和工況下的盾構(gòu)隧道施工位移場變化規(guī)律。得出如下結(jié)論：

（1）盾后注漿的隧道土體最大位移為6.45cm，而盾前注漿為5.3cm，拱頂豎向位移均呈“駝峰”型規(guī)律分布。

（2）相比盾后注漿，盾前注漿隧道拱頂沉降與箱涵基礎(chǔ)變形收斂的速度較快，且沉降數(shù)值較小。

（3）盾前注漿能夠有效控制土體變形，進(jìn)而保證下穿箱涵施工時雨水箱涵結(jié)構(gòu)的安全與地表沉降的控制。

（4）本文盡在理想開挖與襯砌狀態(tài)下討論下穿施工的數(shù)值分析，未考慮地下水等因素的影響。因此，仍需在施工中通過與監(jiān)測結(jié)果對比分析，才能更好的指導(dǎo)施工。