沈奇

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200072）

0 引言

近年來，國內(nèi)主要城市地鐵建設(shè)規(guī)模越來越大，盾構(gòu)區(qū)間穿越重要建、構(gòu)筑物的案例也越來越多。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，土體的卸載作用使得其周圍巖土體的初始應(yīng)力場受到破壞進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力重分布。巖土中應(yīng)力的變化使得土體顆粒相互擠壓或移動(dòng)，最終體現(xiàn)為上部建、構(gòu)筑物及地面的沉降和側(cè)向位移。境內(nèi)外很多專家學(xué)者前期對(duì)上述各種相似工況開展了研討、論證，并獲得了某些研究結(jié)論，但基于城市地質(zhì)情況復(fù)雜多變的特點(diǎn)，以及不同的周邊環(huán)境，盾構(gòu)下穿引起的上部建、構(gòu)筑物的變形及應(yīng)力變化規(guī)律也會(huì)有所不同，因此采取的加固措施也不盡相同。

文中立足于成都市某條地鐵線路中的某個(gè)區(qū)間工程，探討砂卵石地區(qū)盾構(gòu)下穿城市某拱肋梁橋的加固設(shè)計(jì)，利用有限元分析軟件模擬穿越前預(yù)加固工況及盾構(gòu)掘進(jìn)工況，分析了在采取預(yù)加固措施條件下盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)橋梁產(chǎn)生的影響，為相似工程提供借鑒和指導(dǎo)。

1 工程概況

成都市某地鐵區(qū)間下穿一處拱肋梁橋，該橋橋臺(tái)為重力式橋臺(tái)，持力層為中密砂卵石層，橋型為單跨鋼筋混凝土中承式拱肋橋。該拱肋梁橋橋臺(tái)底埋深約12.44m。

工程場地標(biāo)高為500.45～500.58m（1956成都高程系），地形地貌較為簡單，場地范圍內(nèi)上覆第四系人工填土層（1-1雜填土、1-2素填土）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（2-3黏質(zhì)粉土、2-5砂卵石）組成，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖（4-2強(qiáng)風(fēng)化泥巖、4-3中風(fēng)化泥巖）。盾構(gòu)下穿橋臺(tái)區(qū)段掘進(jìn)地層以2-5砂卵石及4-2、4-3泥巖為主。

橋梁所跨越地表河流為成都市某主要河流，該河流河床較平坦，河面寬度約50m，河水面坡降不大，低于現(xiàn)河岸地坪標(biāo)高約3.0m；該河段河水流速為1m/s左右，流向由北向南，岸坡由漿砌條石砌筑。場地地表水均屬于四川西部平原岷江水系，具有較多的地表水徑流，是該地區(qū)地下水、地表水和河水之間轉(zhuǎn)化的主要方式。

根據(jù)成都地區(qū)水文資料、地下水的賦存情況，地下水存在以下幾種不同類型：一是存在于黏性土、粉土層之上填土層的上層滯水；二是存在于第四系黏性土、粉土、砂土、卵石土層的孔隙潛水；三是存在于基巖裂隙水（基巖溶孔溶隙裂隙潛水）。

（1） 上層滯水。上部滯水以透鏡體的形式分布在表面，并沉積在卵石層上方的填充層中，主要來源于降水和周邊城鄉(xiāng)居民的生活用水。水量變化大，且不穩(wěn)定。

（2） 第四系孔隙水。場地卵石層厚且分層，有較多的孔隙水，水位也較高，主要來源于大氣降水和區(qū)域地表水。孔隙水在卵石層中形成自由且貫通的水面。

（3） 基巖裂隙水。下伏基巖為白堊系灌口組泥巖，地下水主要存在于基巖裂隙中，含水量較小，但在巖層較為破碎的情況下，容易形成一個(gè)局部富水區(qū)域。根據(jù)相關(guān)水文地質(zhì)資料和現(xiàn)有工程資料，滲透系數(shù)k 約為0.027～2.01m/d，平均為0.44m/d。屬弱～中等透水層?？辈炱陂g對(duì)鉆探孔進(jìn)行了潛水靜止水位測量，地下水位埋深3.00～5.80m，水位年變化幅度約1～2m之間。區(qū)間卵石層滲透系數(shù)較大，水量比較豐富。

區(qū)間可采用的工法有明挖法、盾構(gòu)法和礦山法。因區(qū)間線路埋深較深，若采用明挖法施工，需拆除橋梁、河流導(dǎo)改、交通疏解、管線改遷，工程造價(jià)較高且對(duì)周邊環(huán)境影響較大，不宜采用明挖法施工。若采用礦山法施工，需進(jìn)行施工降水至隧道底板以下1m，而開挖地層為強(qiáng)透水卵石層且與上方河道存在水力聯(lián)系，無法實(shí)現(xiàn)上述降水目標(biāo)，同時(shí)礦山法施工工期較長，對(duì)地面建構(gòu)筑物的影響較大，不宜采用礦山法施工。盾構(gòu)法施工能更好的適應(yīng)地下水位較高、滲透系數(shù)較大的工程環(huán)境，且施工工期短、對(duì)地面建構(gòu)筑物的影響較小，因此區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，與橋臺(tái)豎向距離最小約12.6m，管片外直徑為6m。

圖1 某拱肋梁橋與地鐵區(qū)間隧道位置關(guān)系

2 盾構(gòu)法施工引起沉降機(jī)理

2.1 盾構(gòu)法施工主要階段

盾構(gòu)施工按照工序主要分為3個(gè)步驟。第1步驟為土層開挖階段，通過盾構(gòu)機(jī)前端全斷面刀盤的旋轉(zhuǎn)，對(duì)開挖面上的土層進(jìn)行切割；第2 步驟是管片拼裝、注漿施工階段：盾構(gòu)機(jī)向前頂進(jìn)某個(gè)行程量（即略大于管片寬度）后，可以進(jìn)行管片的拼裝及盾尾同步注漿。此時(shí)，由于盾體向前移動(dòng)，此處地層土壓力主要由盾尾到管片周邊的同步注漿壓力平衡；第3 步驟為盾尾剝離與管片階段：管片與土層之間的注漿材料逐漸固化，強(qiáng)度增加。

2.2 盾構(gòu)法施工導(dǎo)致地表變形的因素

盾構(gòu)法施工導(dǎo)致地層表面隆沉是一個(gè)復(fù)雜的工程技術(shù)問題。具體情況來說，導(dǎo)致地層表面隆沉有多個(gè)因素：刀盤開挖面土體產(chǎn)生的移動(dòng)、該處地下水位的下降；土體顆粒被擠壓到盾體的尾部空間；盾構(gòu)本體上下俯仰、左右擺動(dòng)的變化；盾體在掘進(jìn)過程中對(duì)周邊土體產(chǎn)生摩擦力、剪切力；掘進(jìn)施工造成該處水體流失從而造成土體固結(jié)；管片在受到較大的水、土壓力作用下可能會(huì)產(chǎn)生的收斂變形；盾尾通過后，管片周邊地層形成或大或小的孔隙，并且沒有及時(shí)進(jìn)行二次注漿作業(yè)。盾構(gòu)掘進(jìn)引起地層表面沉降發(fā)展的過程和不同發(fā)展階段［1］見表1。

表1 盾構(gòu)法施工引起地表沉降發(fā)展階段

2.3 盾構(gòu)法施工沉降曲線

盾構(gòu)法施工引起的地層表面沉降表現(xiàn)出以盾構(gòu)機(jī)為中心的擴(kuò)散式分布。典型的地面沉降曲線如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)法施工沉降曲線

3 變形控制標(biāo)準(zhǔn)及變形測點(diǎn)布置

3.1 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

在盾構(gòu)隧道施工及相關(guān)輔助施工（如地基加固、跟蹤注漿等）過程中，均應(yīng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)、地層、地表、建（構(gòu)）筑物及地下管線等，進(jìn)行系統(tǒng)全面的監(jiān)控量測。監(jiān)控量測項(xiàng)目主要包括隧道結(jié)構(gòu)的變形、地層變形和地表沉隆、建（構(gòu)）筑物及地下管線的變形（位移）、建（構(gòu)）筑物外觀觀察等。建（構(gòu)）筑物沉降、變形控制標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)［2，3］，并按其他相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及產(chǎn)權(quán)主管部門的要求執(zhí)行。

市政橋梁工程控制指包括橋梁墩臺(tái)允許沉降控制值、縱橫向相鄰橋梁墩臺(tái)間差異沉降控制值等。城市橋梁沉降控制值可參照表2取值。

表2 城市橋梁沉降控制值 mm

3.2 變形測點(diǎn)布置

為研究盾構(gòu)施工對(duì)橋臺(tái)的影響，在南北兩側(cè)橋臺(tái)基礎(chǔ)底部角點(diǎn)布置8個(gè)變形測點(diǎn)，編號(hào)為0-1～0-4、1-1～1-4，分析橋臺(tái)的位移變形情況，測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 變形測點(diǎn)布置

4 設(shè)計(jì)加固措施

盾構(gòu)下穿該拱肋梁橋采用加固措施如下：

（1） 盾構(gòu)始發(fā)前在橋臺(tái)外側(cè)采用袖閥管注漿加固，參考標(biāo)準(zhǔn)［4］，注漿漿液采用水泥漿，注漿孔在地面進(jìn)行鉆孔，注漿孔間距0.6m 梅花型布置，漿液有效擴(kuò)散半徑0.4m。加固體水平范圍為橋臺(tái)周邊（非臨河面）8m、豎向深度24m。

（4） 下穿區(qū)段采用增設(shè)注漿孔管片進(jìn)行洞內(nèi)360°二次注漿加固，注漿加固半徑為3m。

5 盾構(gòu)施工數(shù)值仿真模擬分析

運(yùn)用Midas/civil 和Midas/GTS 有限元計(jì)算軟件對(duì)盾構(gòu)下穿該拱肋梁橋建立三維數(shù)值模型，主要分析盾構(gòu)通過后由于地層的滯后沉降對(duì)橋梁的影響，并結(jié)合城市橋梁沉降控制值評(píng)估橋梁的安全性。模型尺寸153m×94m×44m（長×寬×高）。網(wǎng)格劃分如圖4 所示。模型邊界施加連桿約束。

圖4 整體三維數(shù)值模型網(wǎng)格

圖5 拱肋梁橋與地鐵盾構(gòu)隧道三維數(shù)值模型關(guān)系

表3 土層物理力學(xué)參數(shù)

表4 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

根據(jù)勘察報(bào)告顯示，該項(xiàng)目所處地層物理力學(xué)參數(shù)主要如下：

模型中巖土層采用彈塑性摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則［5］；橋臺(tái)基礎(chǔ)、管片結(jié)構(gòu)等均采用線彈性材料本構(gòu)模型；兩個(gè)圓曲形拱肋梁、橋面下方的橫、縱梁采用梁單元，拱肋梁至橋面之間的吊桿采用桁架單元，橋面結(jié)構(gòu)采用板單元。

計(jì)算荷載綜合考慮巖土體自重、地應(yīng)力場、結(jié)構(gòu)自重、車道荷載等，不考慮溫度和地震作用的對(duì)結(jié)構(gòu)模型的影響。按照施工工序的模擬流程具體如下：

（1） 模擬整體計(jì)算模型范圍內(nèi)地層的初始地應(yīng)力場。

（2） 加入橋梁結(jié)構(gòu)，模擬施工前整體計(jì)算模型模擬區(qū)域的應(yīng)力場。

（3） 對(duì)兩側(cè)橋臺(tái)周邊土體進(jìn)行袖閥管注漿加固，在橋臺(tái)后側(cè)施作1.5m@2.5m鋼筋混凝土樁，并在相鄰車站端頭處打設(shè)兩排159 超前大管棚，角度為2°，施作范圍是150°范圍內(nèi)。

（4） 右線盾構(gòu)掘進(jìn)，管片拼裝完成后進(jìn)行整環(huán)二次注漿加固，加固半徑3m。

（5） 左線盾構(gòu)掘進(jìn)，管片拼裝完成后進(jìn)行整環(huán)二次注漿加固，加固半徑3m。

計(jì)算采用的是累加模型，即每個(gè)模擬施工工況都延續(xù)了上一個(gè)施工工況的計(jì)算結(jié)果，并累加了施工工況的計(jì)算結(jié)果［6］。最后一次施工工況結(jié)構(gòu)體系和荷載的變化將影響后續(xù)模擬工況的計(jì)算結(jié)果。

圖6 模型初始應(yīng)力場狀態(tài)土層應(yīng)力云圖

圖7 某拱肋梁橋豎向沉降云圖

圖8 某拱肋梁橋橋臺(tái)測點(diǎn)位移圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，整理橋臺(tái)工后沉降、縱向差異沉降與城市橋梁沉降控制值對(duì)比見表5、表6。

表5 橋臺(tái)工后沉降與控制值對(duì)比

表6 橋臺(tái)工后縱向差異沉降與控制值對(duì)比

根據(jù)以上對(duì)比表，某拱肋梁橋橋臺(tái)最大沉降值4.34mm（控制值15mm）、最大縱向差異沉降值1.41mm（控制值5mm），均小于規(guī)范要求的控制值，滿足要求。

6 結(jié)語

經(jīng)過分析，得到如下主要結(jié)論：

（1） 在采取設(shè)計(jì)加固措施條件下，盾構(gòu)下穿某拱肋梁橋所引起的橋臺(tái)沉降值及差異沉降值均小于城市橋梁沉降控制值。

（2） 橋臺(tái)周邊預(yù)注漿及盾構(gòu)隧道二次注漿施工時(shí)應(yīng)保證充填密實(shí)，施工前應(yīng)通過現(xiàn)場注漿試驗(yàn)驗(yàn)證注漿參數(shù)。

（3） 因有限元計(jì)算模型所采用的各項(xiàng)參數(shù)與實(shí)際工程存在差異，計(jì)算結(jié)果無法與實(shí)際工況完全相同，建議在盾構(gòu)下穿本橋梁的過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)反饋參建各方，根據(jù)監(jiān)測情況采取相應(yīng)措施，確保安全穿越。

（4） 砂卵石土地層廣泛分布于全國各大城市：北京、廣州、深圳、南寧、成都、西安、蘭州以及烏魯木齊等地。以上城市的地鐵及市政工程中，區(qū)間下穿跨河橋梁的情況很多，從安全、工期、造價(jià)等方面綜合考慮基本均采用盾構(gòu)法，因此盾構(gòu)區(qū)間下穿某拱肋梁數(shù)值模擬，對(duì)砂卵石地層條件下的類似工程具有普適性及一定的借鑒意義，可以用于指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)和施工。