【摘 要】依托成都至浦江鐵路紫瑞隧道盾構(gòu)區(qū)間工程，結(jié)合對周邊地質(zhì)條件、施工難度、施工安全的分析，提出了大直徑盾構(gòu)盾體減阻及防沉降工法，并對其中大直徑泥水平衡盾構(gòu)側(cè)穿高架橋群工況進(jìn)行三維數(shù)值模擬，計算了隔離樁方案對于樁基加固的效果。結(jié)果表明：伴隨土壓力的增大，橋梁樁基的水平位移隨之增大；橋梁樁基的水平位移隨著深度增加先增大再減小；對比隔離樁和橋樁的水平位移，可知橋樁的最大水平位移明顯小于隔離樁的水平位移，說明隔離樁取得了較好的效果。研究結(jié)果為保證盾構(gòu)掘進(jìn)安全性，減少高架橋變形沉降提供了重要的理論支撐。

【關(guān)鍵詞】隧道工程； 泥水平衡盾構(gòu)； 盾構(gòu)減阻及防沉降工法； 側(cè)穿； 橋梁樁基

【中圖分類號】U455.43【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

［定稿日期］2023-02-13

［作者簡介］鄒坤秘（1990—），男，本科，高級工程師，主要從事盾構(gòu)隧道建設(shè)工作。

0 引言

在我國城市化進(jìn)程穩(wěn)步推進(jìn)的過程中，地鐵建設(shè)是一些人口集中、交通需求量大的大城市必不可少的一環(huán)。在使用盾構(gòu)工法進(jìn)行隧道開挖時，常常會遇到復(fù)雜工況，引起附近建構(gòu)筑物的變形或受力特征的顯著改變［1］。其中，盾構(gòu)側(cè)穿橋梁樁基就是常見的幾種復(fù)雜工況之一，針對盾構(gòu)側(cè)穿橋梁樁基的影響問題，近年來許多學(xué)者進(jìn)行了研究。

洪杰［2］針對雙圓盾構(gòu)研究了不同理論對盾構(gòu)側(cè)穿施工造成建筑物位移變形規(guī)律，并利用數(shù)值模擬修正建筑物影響評價標(biāo)準(zhǔn)；方勇等［3］采用三維有限元方法對盾構(gòu)隧道近接樁基施工進(jìn)行模擬，分析盾構(gòu)機(jī)動態(tài)掘進(jìn)時既有樁基位移的變化規(guī)律；賀美德等［4］以北京地鐵施工為例，將有限元法所得結(jié)果與工程實(shí)測進(jìn)行了對比對盾構(gòu)側(cè)穿樁基礎(chǔ)建筑物的不同位移變形階段進(jìn)行分析得出了土體及建筑物的位移變形規(guī)律；袁鵬等［5］建立了精細(xì)化模型模擬超大直徑盾構(gòu)側(cè)穿既有橋梁樁基的過程，并得到了鄰近大堤對盾構(gòu)穿越過程的影響特點(diǎn)；劉超等［6］則借助三維有限差分軟件研究了盾構(gòu)開挖對既有城市立交橋樁基和地層穩(wěn)定性的影響；史淵等［7］使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬了雙線盾構(gòu)近接側(cè)穿高鐵橋梁樁基的工況，研究了隔離樁對地層及橋梁樁基的控制效果；王國富等［8-9］提出高架橋主動預(yù)支護(hù)方法，分析了不同預(yù)支護(hù)方法的地表沉降、橋梁樁基變形規(guī)律和管片主應(yīng)力分布狀況；趙巖等［10］分析了某工程地鐵盾構(gòu)穿越高速公路橋臺案例，提出采取現(xiàn)代化動態(tài)施工和監(jiān)控聯(lián)動措施，以控制盾構(gòu)下穿影響；喬世杰等［11］利用FLAC3D三維有限元軟件建立了數(shù)值模型，模擬分析加固措施對橋梁樁基沉降變形的影響，確定了盾構(gòu)下穿段的施工參數(shù)；漆偉強(qiáng)等［12］通過對盾構(gòu)側(cè)穿樁基有限元分析，對盾構(gòu)掘進(jìn)過程中樁基變形及沉降規(guī)律，并結(jié)合墩柱實(shí)測數(shù)據(jù)探究了橋梁樁基在盾構(gòu)側(cè)穿的保護(hù)措施。

綜上所述，盡管已有許多學(xué)者對盾構(gòu)側(cè)穿橋梁樁基問題進(jìn)行研究，但是大直徑盾構(gòu)及泥水平衡盾構(gòu)側(cè)穿高架橋的研究仍較少，工程事故經(jīng)常發(fā)生［13］，因此開展盾構(gòu)隧道側(cè)穿高架橋群的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。由于大直徑雙模盾構(gòu)的施工對鄰近結(jié)構(gòu)物會產(chǎn)生一定的影響，為了減小盾構(gòu)掘進(jìn)對周圍地層的擾動、保證施工安全，本文依托成都至浦江鐵路紫瑞隧道盾構(gòu)區(qū)間工程，結(jié)合對周邊地質(zhì)條件、施工難度、施工安全的分析提出了大直徑盾構(gòu)盾體減阻及防沉降工法，并通過建造隔離樁的措施對橋梁樁基進(jìn)行了加固，采用數(shù)值模擬對隔離樁的加固效果對樁基的影響進(jìn)行研究分析，確定了隔離樁加固措施和大直徑盾構(gòu)盾體減阻及防沉降工法具有良好的效果，對保障盾構(gòu)施工和城市高架橋的安全控制具有很高的參考價值，并以期為類似工程設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

本工程紫瑞隧道盾構(gòu)段為單洞雙線，采用盾構(gòu)法施工，隧道外徑為12.4 m，隧道內(nèi)徑11.3 m，管片厚度為550 mm。隧道埋深約為8.6-21.75 m，里程XHDK1+500～1+600（218～285環(huán)）側(cè)穿神仙樹高架橋群，（橋樁對應(yīng)的橋墩編號：GA84#～GA95#，ZE20#～ZE26#，ZJ6#～ZJ10#，ZF13#～ZF14#，XHDK1+800位置對應(yīng)市政天橋圍護(hù)樁等；GA55#～GA72#，ZE1#～ZE9#，GA8#～GA84#等），隧道與橋樁距水平凈距2.67～10 m，隧道與神仙樹高架橋群平面關(guān)系如圖1所示。

隧道洞身位于lt;5-2gt;粗圓礫土、lt;6gt;泥巖夾砂巖地層中，上部覆土依次為lt;1gt;人工填土、lt;1-1gt;粉質(zhì)黏土、lt;1-2-1gt;粉土、lt;5-2gt;粗圓礫土。高架橋樁施工期間為盾構(gòu)隧道施工已預(yù)留條件并施作隔離樁保護(hù)自身橋基。隧道與神仙樹高架橋群剖面關(guān)系如圖2所示。

2 大直徑盾構(gòu)盾體減阻及防沉降工法

紫瑞隧道區(qū)間工程掘進(jìn)地層多為富水砂卵石、泥巖復(fù)合地層，該地層情況下既加劇了刀盤磨損，采用大直徑盾構(gòu)也意味著與地層的接觸面積也隨之增大，地層摩擦阻力同樣加大。富水砂卵石地層具有一定自穩(wěn)能力，地層具有一定的自穩(wěn)能力或成拱性，地層損失產(chǎn)生空洞的拱頂會暫時保持穩(wěn)定一段時間，但同樣會因細(xì)顆粒的流失而緩慢垮塌，造成地表塌陷［14-15］，危險性極高，在該地層下無疑極大地加大了大直徑盾構(gòu)的施工難度。

本工程為了保持施工進(jìn)度，同時確保盾構(gòu)穿越時高架橋及地面建筑物安全可控、保證成型隧道質(zhì)量優(yōu)良、隧道建設(shè)工期進(jìn)度可控，通過前期策劃對掘進(jìn)參數(shù)以及渣土改良方式進(jìn)行設(shè)定，在施工過程中根據(jù)實(shí)際施工情況（地表監(jiān)測數(shù)據(jù)變化）對掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良情況進(jìn)行調(diào)整，最終摸索出了一套行之有效的盾體減阻及防沉降變形施工工法，在保障了施工進(jìn)度的同時有效提高了該地層條件下盾構(gòu)施工的安全性、可靠性。該工法適用于富水砂卵石地層，使用泥水平衡盾構(gòu)或含泥水平衡盾構(gòu)的多模式盾構(gòu)施工的情況。

2.1 工法原理

在泥水盾構(gòu)或含泥水盾構(gòu)的多模式盾構(gòu)中，對于富水砂卵石地層，在前期施工策劃階段設(shè)定初步掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良方式、確定所需的砂漿配比以及泥漿配比，在盾構(gòu)掘進(jìn)期間，根據(jù)該地層實(shí)際掘進(jìn)情況以及地面監(jiān)測數(shù)據(jù)情況對后續(xù)的掘進(jìn)參數(shù)、砂漿配比以及泥漿配合比進(jìn)行調(diào)整，尋找最優(yōu)參數(shù)，通過調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)以及注漿的方式以達(dá)到在盾體減阻及防沉降變形的目的。

2.2 工法特點(diǎn)

（1）根據(jù)地質(zhì)情況，對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，提前進(jìn)行試驗(yàn)以確定渣土改良方式以及注漿材料配比等。

（2）在掘進(jìn)過程中根據(jù)定點(diǎn)開倉檢查刀具情況，以判斷渣土改良是否滿足掘進(jìn)需求；根據(jù)地表監(jiān)測情況及時對掘進(jìn)參數(shù)、注漿量等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（3）拼裝及掘進(jìn)過程中使用特定的外加注漿材料通過盾體自帶的注漿孔注入緩凝型注漿材料ZR-2以達(dá)到盾體減阻。

2.3 施工工藝流程

成都富水砂卵石地層大直徑盾構(gòu)盾體減阻及防沉降變形工法在操作時主要分3個階段進(jìn)行：掘進(jìn)前、掘進(jìn)中、掘進(jìn)后。

施工工藝流程：地質(zhì)分析調(diào)查—掘進(jìn)相關(guān)參數(shù)計算—掘進(jìn)過程中沉降防治與減阻—掘進(jìn)后參數(shù)分析—洞內(nèi)2次注漿填充—繼續(xù)掘進(jìn)。

2.3.1 掘進(jìn)前

在項(xiàng)目前期籌劃階段需根據(jù)地勘資料中的相關(guān)地質(zhì)情況確定初步的較為契合該隧道地層情況的掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良方式以及相應(yīng)的砂漿配比、泥漿配比，選定停機(jī)開倉位置以避免因盾構(gòu)機(jī)刀盤磨損而造成掘進(jìn)受阻，導(dǎo)致出現(xiàn)其他不良影響。

掘進(jìn)前參照類似地質(zhì)情況下的施工監(jiān)測情況，編制適合當(dāng)前地層、地表環(huán)境及建構(gòu)筑物的監(jiān)測方案。做好地面原始高程測量和記錄，為掘進(jìn)中和掘進(jìn)后地面監(jiān)測做好準(zhǔn)備。測量是盾構(gòu)掘進(jìn)必不可少的一環(huán)，而監(jiān)測則是控制地表沉降最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，地表監(jiān)測數(shù)據(jù)是盾構(gòu)掘進(jìn)施工是否出現(xiàn)沉降最直觀的一種體現(xiàn)方式。

2.3.2 掘進(jìn)過程中

掘進(jìn)過程中主要是超挖防治以及盾體減阻的一系列措施。防治超挖主要是一“防”一“治”，“防”是防止掘進(jìn)過程中超挖造成地層損失，“治”則是治理已經(jīng)發(fā)生地層損失但未造成明顯地面沉降變形的地段（針對富水砂卵石地層等存在滯后沉降的地層可適用），避免因地層損失而造成地面沉降變形。盾體減阻主要通過增加盾體周圍土體的流動性、調(diào)整盾構(gòu)機(jī)偏移角度來實(shí)現(xiàn)。

2.3.3 掘進(jìn)后

掘進(jìn)后控制措施主要是2個方面的措施，一是發(fā)現(xiàn)可能存在的沉降問題，其主要表現(xiàn)形式是掘進(jìn)參數(shù)異常波動、同步注漿量偏低、監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯降低等；二是沉降防治處理，掘進(jìn)后的防治處理則主要是通過二次注漿實(shí)現(xiàn)。因此需要對盾構(gòu)通過后的地段要進(jìn)行全面、及時地分析，包括掘進(jìn)原始資料、地面監(jiān)測資料等，最后根據(jù)各類數(shù)據(jù)對比確定是否需要在管片預(yù)留注漿孔上采取二次注漿的方式進(jìn)行地層填充，避免造成地面沉降、塌陷。

2.4 掘進(jìn)工法效果

本工法的使用有效緩解了大直徑盾構(gòu)機(jī)在富水砂卵石地層的摩阻力，在防止地面沉降方面作用較大，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測橋墩的豎向位移，如圖3所示，符合區(qū)間監(jiān)測項(xiàng)目控制值的要求［16-17］。本工法取得了良好效果，極大保障了項(xiàng)目施工的安全及最終節(jié)點(diǎn)工期的兌現(xiàn)。

在經(jīng)濟(jì)方面，本工法減少了二次注漿作業(yè)次數(shù)，加快了施工進(jìn)度，減少工期28天，為按期完成業(yè)主工期目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)，工法的應(yīng)用為工程項(xiàng)目帶來了經(jīng)濟(jì)效益。

本大直徑盾構(gòu)盾體減阻及防沉降變形施工工法便捷有效、便于操作，在確保盾構(gòu)掘進(jìn)施工順利安全穩(wěn)定快速的同時，耗材少，可操作性強(qiáng)，對于類似地質(zhì)情況的盾體減阻及防沉降變形施工具有可操作性，可復(fù)制性及推廣借鑒價值。采取此項(xiàng)工法能夠有效緩解地層阻力、防地表沉降變形，減少因地表沉降變形而帶來二次注漿次數(shù)及地表處理次數(shù)，降低施工處理成本，在成都市就安全文明施工而言取得了較大的社會效益。

3 盾構(gòu)側(cè)穿高架橋施工控制方案數(shù)值分析

3.1 計算模型

土體采用彈塑性模型，利用不同屬性材料模擬不同的土層，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。為模擬盾構(gòu)隧道側(cè)穿對高架橋群的影響，依照區(qū)間隧道和高架橋的空間位置關(guān)系，選取隧道穿越的橋樁進(jìn)行分析。使用Midas GTS NX建立模型并劃分網(wǎng)格，再將網(wǎng)格文件導(dǎo)入至FLAC3D中，完成建模步驟。模型尺寸為：橫向80 m，豎向50 m，縱向40 m。神仙樹高架橋GA95橋樁與紫瑞隧道的位置關(guān)系如圖4所示。

對各地層和橋樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)賦值，施加Z向重力加速度g=9.8 m/s2，形成自重應(yīng)力場如圖5所示。

3.2 結(jié)果分析

進(jìn)行盾構(gòu)開挖，每次開挖進(jìn)尺1 m，共開挖40步，開挖完成后的Z向位移如圖6所示，由圖6可知，隔離樁附近的地表沉降明顯小于附近沉降值，這是由于隔離樁與土體之間存在摩擦力，抑制了附近土體的沉降，并且修建隔離樁增強(qiáng)了周圍土體的整體性。

3種土壓力作用下橋面的沉降時程曲線如圖7所示，由圖7可知橋面沉降隨土壓力的增大而減小，土壓力為60 kPa時，最大沉降值為1.05 cm；土壓力為80 kPa時，最大沉降值為0.81 cm。

圖8為隔離樁和橋樁的X方向位移云圖，由圖8可知，隔離樁和橋樁均有遠(yuǎn)離隧道的橫向位移，其中隔離樁的橫向位移明顯大于橋樁的橫向位移。

3種土壓力下隔離樁及橋樁的X方向位移如圖9、圖10所示，隨著土壓力增大，樁的水平位移也隨之變大。樁基的水平位移隨著距離樁頂?shù)木嚯x增加，呈先變大再減小的趨勢，其中橋樁在距樁頂距離22 m時，達(dá)到最大水平位移4.82 cm。

對比隔離樁和橋樁的水平位移可知，隔離樁的最大水平位移為4.82 cm，而橋樁的最大水平位移為3.40 cm，橋樁的水平位移明顯小于隔離樁的水平位移，這既有橋樁距離隧道較遠(yuǎn)的緣故，也有隔離樁阻止了部分應(yīng)力向橋樁傳遞的關(guān)系，說明隔離樁取得了較好的效果。

4 結(jié)束語

本文針對紫瑞隧道盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿神仙樹高架橋群樁基工程案例，提出了大直徑盾構(gòu)盾體減阻及防沉降變形工法，研究了隔離樁加固方案的效果，輔以理論分析和三維數(shù)值計算，主要結(jié)論：

（1）隨土壓力的增大，樁的水平位移也隨之增大，但總體變化微弱。樁的水平位移隨著深度的增加呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢。

（2）隔離樁阻止了部分應(yīng)力向橋樁傳遞的關(guān)系，橋樁的水平位移明顯小于隔離樁的水平位移，隔離樁加固方案取得了較好的效果。

（3）本工程采用的盾體減阻及防沉降變形施工工法，在保障了施工進(jìn)度的同時也有效提高了該地層條件下盾構(gòu)施工的安全性、可靠性。該工法適用于富水砂卵石地層，使用泥水平衡盾構(gòu)或含泥水平衡盾構(gòu)的多模式盾構(gòu)施工的情況。

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