地鐵盾構隧道下穿重力式墩橋施工措施及影響分析

李永利 趙旭偉 周冠南 王春凱

(1.中鐵上海設計院集團有限公司,200070,上海;2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,200092,上海∥第一作者,教授級高工)

在城市地鐵工程的修建中,盾構法隧道施工技術以其獨有的智能化、安全、快捷、地層適用性廣等特點與優勢,越來越多地得到推廣和應用[1]。雖然盾構法取得了斐然成績,但此法施工時不可避免地會引起地表沉降;若地表沉降過大,就會影響到盾構隧道的安全施工和地表建筑物的正常使用[2]。

盾構穿越橋梁、河流,是地鐵施工的關鍵性技術。文獻[3]等通過對實測數據的分析,總結了軟土地區盾構隧道下穿鐵路的沉降規律。文獻[4]分析了盾構隧道下穿鐵路的施工風險,提出分區注漿旋噴加固以減少鐵路軌道變形、降低軌下動應力的方法。

成都地鐵1號線下穿府南河和河上的萬福橋,過河段的河床覆土厚度變化大,地下水豐富,且水位壓力大;同時地鐵隧道線路處于緩和曲線地段,縱斷面為13‰的下坡,使盾構姿態很難控制,容易發生不可控的超挖現象。由于土層上軟下硬,盾構掘進受力不均勻,對刀盤、刀具磨損較大。刀盤旋轉切削時,地層的相對穩定或平衡狀態很容易被破壞而造成坍塌,引起較大的圍巖擾動,使開挖面和洞壁失去穩定,嚴重時可能危及既有橋梁上部結構的安全。因此,如何控制施工擾動、防止地表沉降、保證開挖面穩定、避免發生涌水、防止刀具刀盤發生非正常磨損等,是施工需要解決的關鍵問題。本文結合以往施工經驗,對掘進參數通過數值模擬并參照具體的地質條件進行了分析論證,提出了成都地鐵盾構隧道下穿橋梁、河流的施工技術措施,以供類似工程施工時作參考。

1 工程背景

1.1 盾構穿越情況

成都地鐵1號線的隧道盾構區間的左右線隧道在府南河下從既有萬福橋上游側橋梁正下方穿過,左線隧道處于橋梁人行道的正下方,右線隧道處于橋梁主車道的正下方。隧道與橋墩結構的相對位置關系斷面圖如圖1所示。

萬福橋在1996年1月至9月進行了改造,改造前基礎為條形擴大基礎,三層臺階形基礎總厚2.96 m,改造后在河床底整體鋪設厚0.2 m C15混凝土護底。其橋梁結構為16.80 m+16.81 m+16.83 m三跨預應力空心板簡支梁橋,其中橋墩、橋臺為整體重力式。

圖1 地鐵隧道與既有橋墩結構相對關系斷面圖(單位:m)

1.2 地層特點及以往地面沉降規律

盾構隧道穿越地層為砂卵石層。地鐵所穿越的成都獨特的砂卵石地層是一種典型的力學不穩定地層,其顆粒之間孔隙大,幾乎沒有黏聚力,卵石之間點對點傳力,地層反應靈敏,盾構周圍地層的成拱性差。對以往盾構施工監測數據的統計分析表明,地表沉降主要有以下規律:

1)地表變形主要表現為沉降,基本無隆起。

2)進出洞段地表累計沉降不超過30 mm,區間段地表沉降不超過20 mm。

3)盾構施工期地表沉降主要集中在盾構切口到達與通過后10環以內時間段。該段沉降速率較大,可持續2到3天,沉降速度到達4～6 mm/d。

4)盾構施工形成的橫向沉降槽寬度較小,地表沉降集中在盾構隧道正上方2.5 D～3.0 D范圍內(D為盾構外直徑)。

2 數值模擬

2.1 計算模型

數值模擬計算采用巖土工程軟件PLAXIS,幾何對象采用平面應變模型,有限元網格基于15節點單元。計算土層區域橫向為60 m,縱向為35 m(根據以往工程經驗,此范圍能夠滿足工程研究需要)。土體采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準則。隧道管片與土體相互作用通過設置古德曼接觸面單元并選取虛擬厚度因子及強度折減因子模擬。模型底部施加完全固定約束,兩側施加豎直滑動約束,表面取為自由邊界。隧道外徑為6.0 m,內徑為5.4 m,隧頂覆土厚11.49 m。橋墩基礎采用線彈性模型,使用板單元包絡混凝土的方式進行模擬。土體與橋墩接觸通過設置界面單元進行模擬,板單元和土體之間相互作用的摩擦力通過設定界面強度折減因子(Rinter)的值來模擬。計算參數如表1、2所示。

表1 土層參數

表2 結構物參數

選取隧道與1號橋墩橫剖面(沿河道方向)為研究斷面并建立有限元模型。其斷面共分為5個土層,盾構所在地層為3-7-1、4-4-1層。計算網格有限元模型如圖2所示。

圖2 計算網格有限元模型

2.2 模擬計算結果

2.2.1 隧道周圍土體加固后的模擬計算結果

按照實際施工情況,河道水位按降水后水深0.5 m考慮。按成都地鐵設計文件要求,地鐵隧道輪廓線外3 m為注漿加固區域。有限元模型考慮加固土體的影響,加固部分采用置換土層參數方式模擬,仍采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準則。增大注漿量通過調整隧道收縮率控制。

2.2.1.1 地鐵隧道開挖后的整體變形

根據實際施工部署,盾構隧道右線先開挖,而后開挖左線。隧道開挖引起的整體變形如圖3所示。

圖3 地鐵隧道開挖后的整體變形圖(變形擴大100倍)

由圖3可見,盾構掘進引起地面沉降變形,使橋墩下沉,左側墩角處地表沉降明顯,整體最大沉降15.6 mm。

2.2.1.2 地鐵隧道開挖后的整體豎向位移云圖

地鐵隧道開挖后的整體豎向位移云圖見圖4所示。由圖4可以很明顯地看出,隧道開挖對拱頂土體及橋墩左側墩角區域土體的擾動較大,變形較明顯。有限元模擬豎向最大沉降發生在隧道拱頂區域,沉降值為14.95 mm。

圖4 地鐵隧道開挖后的整體豎向位移云圖

2.2.1.3 結構物變形

由圖5可見,橋梁向隧道一側變形。由于盾構隧道下穿橋梁,故引起的水平變形較小而豎向變形較大。橋梁的最大水平變形為2.4 mm,最大豎向變形為 9.34 mm,且最大豎向位移發生在墩角位置。

圖5 結構物變形圖

2.2.1.4 數值模擬隧道拱頂豎向位移曲線

由圖6可以看出,隧道拱頂豎向位移曲線在隧道推進區域比較有規律,沉降槽明顯;在拱頂位置的沉降值最大,左側隧道開挖后對地層擾動較大,引起的地表沉降最大值為14.95 mm;兩隧道的中間區域沉降較小,為4 mm左右,沉降值沿地表方向逐漸消散,可見加固措施明顯。數值模擬結果表明,地鐵盾構推進引起的地表沉降在安全范圍之內。

圖6 隧道拱頂豎向位移曲線

2.2.2 隧道周圍土體不加固時的模擬計算結果

建立盾構隧道周圍土體不采取加固、增大注漿量等措施的數值計算模型,以比較加固前后土體及結構物的沉降差異。不加固時的數值模擬計算結果如圖 7、8、9所示 。

由圖7可以看出,未采取加固措施時盾構掘進對土體的擾動范圍更大,特別是左側隧道,對橋梁穩定性的影響很大,擾動影響范圍更廣;隧道拱頂土體最大豎向沉降值為38.72 mm。

由圖8可以看出,不采取增大注漿量、加固土體等施工輔助措施時盾構通過對橋梁影響遠大于加固后。其中橋梁最大豎向變形為35.86 mm,是加固后的3.5倍;最大水平變形為6.33 mm,是加固后的2倍。

比照圖9、6加固前后拱頂位移曲線,同樣可以看出,不加固時沉降槽更深,橫向影響寬度更廣,橫向影響寬度接近80 m。

圖7 不加固時隧道開挖后的整體豎向位移云圖

圖8 不加固時結構物變形圖

圖9 不加固時的隧道拱頂位移曲線

3 施工方案

3.1 施工輔助措施

根據以往施工經驗及數值模擬結果,采用加固土體、超前降水等施工輔助措施可有效降低盾構掘進對周圍環境的影響。

1)加固土體:沿地鐵線路方向加固長度為58.4 m,橫向加固寬度為25.0 m,豎向加固7.82 m(見圖1)。采用袖閥管注漿形式進行加固。

2)補償地層損失的超前降水:為主動補償地層損失和應急救援可能出現的各種險情,在地鐵盾構下穿萬福橋前,將河道水深從2.8 m降低至0.5 m。

3)地鐵盾構在過河前30 m處停機檢查設備刀具情況,以確保能不停機連續通過河道;過河段每次糾偏不準超過±20 mm;做好盾尾密封壓注工作;提高二級螺旋的防噴涌性能;做好施工監測及緊急情況的救援預案。

3.2 施工參數選擇

1)盾構總推力控制在9 000～12 000 kN,刀盤扭矩為3 000～5 000 kN·m,推進速度控制在30～40 mm/min,土倉壓力為 0.07～0.09 MPa,刀盤轉速為1.1～1.3 r/min。

2)4根泡沫注管的注入壓力控制在0.15 MPa以下,單管流量控制在150 L/min。若地表或河床有泡沫劑流出,則及時調整泡沫注入參數。

3)同步注漿選擇可硬性漿液,注漿量保證在9.0 m3/環以上,同時保證1、2號同步注漿管的壓力為0.15 MPa,3、4號同步注漿管壓力為0.25 MPa。采用注漿壓力和注漿量雙控。

3.3 實測數據

施工中進行了橋梁裂縫、傾斜位移和沉降量的監測,萬福橋橋面沉降最大值為-2.79 mm,沉降速率為-0.31 mm/d(亦為橋面沉降速率最大值);橋帽梁沉降最大值為-5.99 mm,沉降速率為-0.43 mm/d;橋墩臺沉降最大值為-8.10 mm,沉降速率為-0.34 mm/d。地鐵盾構下穿橋墩掘進期間對位移與傾斜的監測共進行29次,設監測點8個。監測結果表明:水平方向累計偏移量的最大值為-1.2 mm,豎向累計沉降量的最大值為-1.2 mm。對橋梁伸縮縫共測量6次,設監測點4個(位于東西兩側人行道上),經監測無明顯變化。沉降實測值滿足安全要求,且均小于數值模擬的結果。原因是有限元模擬并沒有考慮地面跟蹤注漿措施的效果,故其結果較實際的沉降值大。

4 結語

1)數值模擬結果表明,盾構下穿萬福橋、府南河所采取的加固土體、增大注漿量、降水等施工控制措施的效果明顯,土體沉降得到有效控制。

2)地鐵隧道開挖對拱頂土體及橋梁左側墩角區域的土體擾動較大,沉降明顯。橋梁向隧道開挖一側產生一定變形,其水平變形較小,豎向變形較大。

3)不采取任何加固措施時盾構通過引起的水平位移及豎向沉降遠大于采取加固措施時的相應沉降量,對土體的擾動區域也會更廣,若產生不可控的故障停機、超挖、姿態偏移等,將會引起施工風險。

4)實地監測數據表明,盾構下穿萬福橋、府南河時所采取的一系列施工措施的效果明顯,其施工參數可供今后類似工程參考。

[1] 裴洪軍.城市隧道盾構法施工開挖面穩定性研究[D].南京:河海大學,2005.

[2] 李曙光.EPB盾構法隧道施工引起的地表沉降分析與數值模擬[D].長沙:中南大學巖土工程系,2006.

[3] 呂培林,周順華.軟土地區盾構隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規律分析[J].中國鐵道科學,2007,28(2):12.

[4] 田海波,宋天田.軌道交通9號線下穿鐵路工程風險及對策研究[J].地下空間與工程學報,2007,3(1):147.

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