張珣

（北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100089）

作為城市軌道交通地下隧道的主要施工方法，盾構(gòu)法在隧道施工中越來(lái)越占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著新建盾構(gòu)隧道日益增多，不可避免地出現(xiàn)隧道下穿城市主干道、橋樁、高壓管線等既有構(gòu)筑物的情況，對(duì)施工過(guò)程控制措施提出了很高的要求［1]。

針對(duì)盾構(gòu)法施工對(duì)城市主干道、橋樁、高壓管線等既有構(gòu)筑物產(chǎn)生的不利影響，常用分析方法有解析法、模型試驗(yàn)法、有限元法等。魏綱等［2]基于通用Peck公式研究了管線埋深、材質(zhì)對(duì)其受力的影響規(guī)律；劉曉強(qiáng)等［3]基于能量變分原理，分析了在隧道穿越過(guò)程中地下管線豎向位移的變化規(guī)律。呂培林等［4]研究了軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規(guī)律；劉銀偉等［5]基于數(shù)值模擬計(jì)算分析并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)，研究了盾構(gòu)法施工過(guò)程中掌子面的受力及變形對(duì)地表沉降的影響。朱小龍［6]通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，分析出盾構(gòu)下穿鐵路過(guò)程中地表沉降的規(guī)律，并提出有效控制地表沉降的安全措施。

北京地區(qū)盾構(gòu)施工主要采用直徑6.4 m 的盾構(gòu)機(jī)，對(duì)盾構(gòu)施工引起的既有構(gòu)筑物的影響研究也主要基于此種設(shè)備型號(hào)。北京軌道交通新機(jī)場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間采用管片外徑8.8 m 的盾構(gòu)機(jī)，在穿越不同風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)，不能直接應(yīng)用原有研究成果。應(yīng)結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)參數(shù)選擇、模型計(jì)算等方法，對(duì)既有構(gòu)筑物變形進(jìn)行研究。為今后類似盾構(gòu)工程制定相應(yīng)的施工控制措施。

1 工程概述

以北京軌道交通新機(jī)場(chǎng)線一期工程土建04 合同段為工程背景予以介紹。結(jié)合新機(jī)場(chǎng)的功能定位，新機(jī)場(chǎng)線建設(shè)充分吸收了北京市及國(guó)內(nèi)其他地鐵線的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。新機(jī)場(chǎng)線使用的盾構(gòu)機(jī)管片外徑8800 mm，北京第一次使用該尺寸的盾構(gòu)斷面，區(qū)間隧道全長(zhǎng)16.15 km，其中盾構(gòu)施工長(zhǎng)度為15.37 km。

所研究的區(qū)間盾構(gòu)段于里程K27+018.893—K27+162.778 下穿南六環(huán)路，洞頂距南六環(huán)路路面約17.3～17.4 m。盾構(gòu)在K27+020.857處下穿φ1000高壓燃?xì)夤?，高壓燃?xì)夤芄艿茁裆罴s7.3 m，區(qū)間隧道頂部距離地面約16.2 m，隧道距離管底約8.9 m。盾構(gòu)段K27+050—K27+140側(cè)穿廣順橋，區(qū)間與橋梁順行，拱頂埋深14.5～17.3 m，區(qū)間與橋樁凈距約4.6～11.9 m。

1.1 工程地質(zhì)與工程水文條件

根據(jù)工程巖土工程勘察報(bào)告可知，該標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間圍巖主要為第四紀(jì)沉積層，隧道主要穿越細(xì)砂～中砂層⑥3、黏土層⑥1，粉質(zhì)黏土層⑥和粉土層⑥2，土的物理力學(xué)性質(zhì)為一般～較好。該區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)以上有三層地下水，分別為層間水、第一層承壓水、第二層承壓水。該盾構(gòu)區(qū)間隧道主要穿越層間水，局部穿越第一層承壓水。

1.2 周邊環(huán)境及工程難點(diǎn)

1）區(qū)間盾構(gòu)下穿的現(xiàn)狀道路下方市政管線密集，管徑、規(guī)模較大，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)豎向位移控制要求較高，盾構(gòu)施工期間須要做好地層豎向位移及管線變形監(jiān)測(cè)。

2）區(qū)間盾構(gòu)側(cè)穿廣順橋，區(qū)間與橋梁順行。盾構(gòu)側(cè)穿施工過(guò)程中道路保持正常通行，且廣順橋交通繁忙，車流量很大。這對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中橋梁及地面的豎向位移控制提出了很高的要求。

2 盾構(gòu)下穿南六環(huán)危險(xiǎn)源變形預(yù)測(cè)

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

以北京地鐵新機(jī)場(chǎng)線04 標(biāo)穿越南六環(huán)為模擬對(duì)象，根據(jù)圣維南原理，為滿足計(jì)算速度與求解精度的要求，在確保計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，盡量縮短計(jì)算時(shí)間，最為合理的模型尺寸應(yīng)選取3～5倍的地鐵隧道開(kāi)挖洞徑。通過(guò)充分考慮盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程對(duì)周圍地層的影響范圍，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)及外部因素綜合考慮，選擇采用FLAC 3D軟件建立60 m（寬）×32 m（高）×90 m（長(zhǎng)）的計(jì)算模型。為進(jìn)一步確保計(jì)算精度，在建模過(guò)程中適當(dāng)提高了隧道周圍網(wǎng)格單元的劃分精度，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了加密。最終的三維計(jì)算模型如圖1所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)

將六環(huán)路附近地層作水平層簡(jiǎn)化處理，巖土力學(xué)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

盾構(gòu)隧道的開(kāi)挖采用Null模型，巖土體采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型，盾構(gòu)隧道的管片結(jié)構(gòu)采用Shell結(jié)構(gòu)單元，采用C50混凝土，考慮到螺栓連接和拼裝方式對(duì)管片剛度的影響，取折減系數(shù)0.87 進(jìn)行修正，彈性模量取30 GPa。管片及橋墩計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。模型共劃分158960 個(gè)單元，164187 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型兩側(cè)邊界施加水平位移約束，模型底部施加水平位移約束，模型頂部為固定約束。

表2 管片及橋樁計(jì)算參數(shù)

2.3 盾構(gòu)施工近接廣順橋計(jì)算結(jié)果

無(wú)任何加固措施下，盾構(gòu)隧道下穿期間橋樁最大豎向位移見(jiàn)圖2。

圖2 盾構(gòu)施工過(guò)程中廣順橋橋樁豎向位移（單位：m）

由圖2可知：隨著隧道盾構(gòu)的掘進(jìn)，在盾構(gòu)臨近廣順橋前，只對(duì)1#樁及與其相連的承臺(tái)A影響較大，會(huì)產(chǎn)生2.4 mm 的豎向位移，離隧道盾構(gòu)較遠(yuǎn)的5#，6#，7#，8#樁基及承臺(tái)C、承臺(tái)D 所受影響不大；隨著隧道盾構(gòu)不斷近接廣順橋樁，盾構(gòu)施工對(duì)橋樁的影響日趨明顯，產(chǎn)生豎向位移的橋樁不斷增加。由圖2（e）可知，盾構(gòu)貫通后對(duì)靠近隧道一側(cè)的橋樁產(chǎn)生較為顯著的影響，而遠(yuǎn)離隧道一側(cè)的橋樁則比較穩(wěn)定。

圖3 橋樁豎向位移曲線

選取靠近隧道一側(cè)橋樁為觀察點(diǎn)，獲取模擬盾構(gòu)施工過(guò)程中相應(yīng)的豎向位移進(jìn)行分析?？拷軜?gòu)一側(cè)廣順橋橋樁在盾構(gòu)施工過(guò)程中的豎向位移曲線見(jiàn)圖3。可知：隨著盾構(gòu)不斷推進(jìn)，靠近隧道盾構(gòu)一側(cè)樁的豎向位移不斷加大，橋樁受盾構(gòu)影響區(qū)域不斷增加，但是隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，遠(yuǎn)離隧道盾構(gòu)的橋樁在前期會(huì)產(chǎn)生少量向上位移。這是由于樁基剛度比周圍土體剛度大很多，使得橋樁產(chǎn)生向上的位移，但是隨著盾構(gòu)的接近，橋樁最終全部產(chǎn)生豎向位移，最大位移產(chǎn)生在1#樁，為10.2 mm。

2.4 盾構(gòu)施工下穿高壓燃?xì)夤艿烙?jì)算結(jié)果

沿高壓燃?xì)夤艿理敳?、底部位置觀察點(diǎn)的豎向位移見(jiàn)圖4。

圖4 高壓燃?xì)夤艿啦煌恢锰庁Q向位移

由圖4可知：由于盾構(gòu)隧道下穿高壓燃?xì)夤艿?，所以沿管道方向，高壓燃?xì)夤艿赖呢Q向位移分布遵循Peck 公式，整個(gè)管道沿隧道中軸線呈沉降槽分布，影響范圍在20 m 左右。無(wú)論管道頂部還是底部，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)逐漸產(chǎn)生豎向位移。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)到第5 步后，管道位移基本保持不變，管道頂部豎向位移為32.5 mm，底部為27.5 mm，說(shuō)明盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)管道變形的影響在前5步較大，第5步之后影響減弱。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)控制

隧道穿越南六環(huán)路段，實(shí)際穿越地層處于細(xì)砂～中砂，粉質(zhì)黏土地層，在沒(méi)有加固措施的情況下，通過(guò)模擬分析可知，風(fēng)險(xiǎn)源豎向位移各有不同。下面針對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)源的豎向位移要求進(jìn)行分析［7]，從而采取適合南六環(huán)地層的加固措施。

3.1 各風(fēng)險(xiǎn)源豎向位移控制指標(biāo)

由于設(shè)計(jì)未給出針對(duì)廣順橋的變形控制限值，現(xiàn)參考橋梁通用標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定廣順橋的變形控制限值，見(jiàn)表3。由2.3 節(jié)可知，橋樁基礎(chǔ)的最大豎向位移為17.5 mm，相鄰橋樁基礎(chǔ)總豎向位移差值在3 mm 以內(nèi)。豎向位移超過(guò)控制限值，可通過(guò)控制施工參數(shù)來(lái)減小盾構(gòu)施工對(duì)廣順橋的影響。

表3 廣順橋變形控制指標(biāo)

由于地層的不均勻豎向位移管線撓曲變形，產(chǎn)生了附加的變形和應(yīng)力，管線的控制指標(biāo)為管線最大豎向位移10 mm。由2.4 節(jié)可知，高壓燃?xì)夤艿赖淖畲筘Q向位移為32.5 mm，遠(yuǎn)超過(guò)管線變形控制限值，表明盾構(gòu)對(duì)管線的影響較大。為避免管線破壞，須采取必要加固措施以降低管線的變形。

3.2 施工加固措施

1）100m試驗(yàn)段

將下穿南六環(huán)路前的盾構(gòu)推進(jìn)段作為試驗(yàn)段，按照下穿段進(jìn)行管理。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段采集的豎向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。在完善掘進(jìn)施工工藝的同時(shí)總結(jié)出合理的盾構(gòu)機(jī)在該類土層中掘進(jìn)的最佳參數(shù)。掘進(jìn)速度控制在70～80 mm/min，確保盾構(gòu)能夠較為勻速地穿越，同時(shí)也能夠保證刀盤(pán)充分切削土體。根據(jù)試驗(yàn)段確定的控制土壓動(dòng)態(tài)控制盾構(gòu)機(jī)出土量，土壓在0.07～0.15 MPa，盾構(gòu)單環(huán)出土實(shí)方量為102.64 m3，單環(huán)出土虛方量為115.7 m3，以保證掘進(jìn)面的土壓穩(wěn)定。

2）土體加固

在隧道內(nèi)對(duì)管片背后進(jìn)行同步注漿以加固近接區(qū)土體，是確保施工安全常用的手段。采用水泥+改性水玻璃雙液漿作為盾構(gòu)穿越段的同步注漿材料，注漿壓力控制在0.35～0.55 MPa，注漿量控制在5.37～6.95 m3，漿液凝固時(shí)間調(diào)整到25～30 s。通過(guò)調(diào)整參數(shù)盡可能減少由于漿液凝固時(shí)間導(dǎo)致的豎向位移和漿液損失。

同步注漿在盾構(gòu)常規(guī)段施工過(guò)程中，采用注漿量控制即可滿足地表豎向位移控制要求。在盾構(gòu)下穿段須采取“注漿壓力控制為主，注漿量控制為輔”的雙控措施，確保同步注漿飽滿。注漿量主要通過(guò)參考施工監(jiān)測(cè)反饋的數(shù)據(jù)加以控制，盡可能降低施工對(duì)地層的擾動(dòng)。在下穿可能發(fā)生過(guò)大位移的危險(xiǎn)區(qū)域，如下穿高壓燃?xì)夤艿赖?，?duì)危險(xiǎn)區(qū)域同步注漿可以增大局部應(yīng)力并改善土質(zhì)。

在盾構(gòu)下穿段施工過(guò)程中，將盾尾密封油脂的加入量提高為常規(guī)加入量的2倍，以確保盾尾密封良好，施工過(guò)程中不漏水、不漏漿，鞏固同步注漿效果［8-11]。

4 基于Peck公式的地表豎向位移預(yù)測(cè)

根據(jù)實(shí)際施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算，建議一個(gè)沉降槽寬度系數(shù)K參數(shù)范圍，從而修正Peck公式在相似地層的使用范圍。

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在穿越位置盾構(gòu)隧道中線、兩隧道中間部位及兩隧道結(jié)構(gòu)邊線部位布設(shè)測(cè)點(diǎn)，并沿外側(cè)結(jié)構(gòu)線向外布設(shè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距結(jié)構(gòu)外邊線5，12 m。如圖5所示，每個(gè)斷面布設(shè)11 個(gè)測(cè)點(diǎn)，斷面布設(shè)在黃馬路中間隔離帶、兩車道外邊線以及兩側(cè)邊溝內(nèi)。共布設(shè)5 個(gè)斷面，55個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖5 黃馬路監(jiān)測(cè)布點(diǎn)情況

4.2 地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

選取部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見(jiàn)表4。左側(cè)到軸線的距離為負(fù)值，右側(cè)到軸線的距離為正值。將表4中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)Peak公式計(jì)算，所獲的沉降槽寬度系數(shù)K的參數(shù)范圍為0.40～0.45。分別取K值為0.42，0.43 對(duì)地面豎向位移進(jìn)行分析，驗(yàn)證K值的取值是否正確。以監(jiān)測(cè)斷面2 為例，理論計(jì)算預(yù)估所得最大豎向位移為-6.00 mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)最大豎向位移為-5.78mm。計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果差別較小，表明所取K值較為合理。

表4 斷面1—斷面5地表豎向位移 mm

4.3 地表豎向位移預(yù)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)加固后再盾構(gòu)施工，沿南六環(huán)路斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻累計(jì)豎向位移及監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終豎向位移經(jīng)高斯擬合后得出的曲線見(jiàn)圖6?？芍?，實(shí)際施工過(guò)程中，通過(guò)控制盾構(gòu)參數(shù)以及采取加固措施，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得到的累計(jì)豎向位移曲線與經(jīng)數(shù)值模擬所得圖形大體一致。經(jīng)過(guò)實(shí)際加固后，現(xiàn)場(chǎng)豎向位移控制良好，地表豎向位移明顯減小，地表最大豎向位移為6.2 mm?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)高斯曲線擬合，計(jì)算得出沉降槽曲線寬度系數(shù)i= 9.61，則沉降槽寬度系數(shù)K=0.42。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻累計(jì)豎向位移及擬合曲線

5 結(jié)論

1）在未采取任何加固措施的情況下，盾構(gòu)側(cè)穿廣順橋時(shí)橋樁的最大豎向位移為10.2 mm，發(fā)生在靠近隧道一側(cè)的承臺(tái)角點(diǎn)。盾構(gòu)隧道下穿高壓燃?xì)夤艿?，無(wú)論管道頂部還是底部，第5 步掘進(jìn)豎向位移達(dá)到最大值，為32.9 mm，第5步后管道位移基本保持不變。

2）除采取注漿加固措施外，選取了100 m 試驗(yàn)段區(qū)間，對(duì)盾構(gòu)下穿段的主要掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化控制，確定土壓參數(shù)，為正式掘進(jìn)打好基礎(chǔ)。

3）對(duì)試驗(yàn)段地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯曲線擬合，得到此地層的沉降槽寬度系數(shù)為0.42，以此指導(dǎo)后續(xù)盾構(gòu)施工。