黃土盾構(gòu)下穿護城河拱橋FLAC3D預(yù)測與施工安全防控技術(shù)

曹　振， 楊　鋒， 張　寧,3

(1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司, 陜西 西安　710018； 2.中鐵十五局集團有限公司, 上海　200070；

3.西安科技大學(xué), 陜西 西安　710054)

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黃土盾構(gòu)下穿護城河拱橋FLAC3D預(yù)測與施工安全防控技術(shù)

曹振1， 楊鋒2,3， 張寧1,3

(1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司, 陜西 西安710018； 2.中鐵十五局集團有限公司, 上海200070；

3.西安科技大學(xué), 陜西 西安710054)

摘要：黃土地區(qū)地鐵盾構(gòu)施工安全防控技術(shù)研究具有較高的理論意義與應(yīng)用價值，位于黃土地區(qū)的西安地鐵盾構(gòu)工程具有地表條件復(fù)雜、穿越文物和建(構(gòu))筑物多等特點。以西安地鐵二號線安遠門—北大街區(qū)間盾構(gòu)隧道施工下穿護城河拱橋工程為背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法預(yù)測了盾構(gòu)下穿護城河拱橋施工引起的拱橋變形，計算結(jié)果表明，在施工前必須對拱橋及下方地層進行加固，才能確保施工過程拱橋安全穩(wěn)定。提出在拱橋區(qū)域內(nèi)堆載沙袋、在拱橋基礎(chǔ)背后進行袖閥管注漿的加固措施，現(xiàn)場實測表明，拱橋變形在允許范圍之內(nèi)，提出的施工安全防控技術(shù)合理有效。

關(guān)鍵詞：黃土地區(qū)； 盾構(gòu)隧道； 護城河拱橋； 數(shù)值模擬； 防控技術(shù)

0引言

隨著我國城市規(guī)模的不斷擴大，城市交通面臨著嚴峻的形勢和挑戰(zhàn)[1-3]。城市地鐵以其低污染、低能耗、高效率的優(yōu)勢成為大城市走出交通困境的首選[4-6]，但是城市軌道交通工程的施工會對周圍地層產(chǎn)生擾動，威脅臨近建筑物的安全使用[7]。預(yù)防和控制盾構(gòu)施工鄰近建筑物變形一直是城市地鐵建設(shè)中研究的重點，國內(nèi)外學(xué)者對這方面的研究較多，也取得了不少成果，如文獻[8]采用數(shù)值模擬方法對西安地鐵三號線大雁塔—北池頭區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿陜西正和醫(yī)院引起的樓房變形規(guī)律進行了研究,提出了施工前加固樓房基礎(chǔ)的變形控制措施；文獻[9-12] 也對這方面進行了研究，分別提出了相應(yīng)的建筑物及地表變形控制標準。但是以上文獻沒有形成統(tǒng)一的沉降控制標準，部分文獻提出的加固措施尚存在優(yōu)化空間，而且以上研究主要針對樓房變形控制技術(shù)，對于黃土地區(qū)盾構(gòu)下穿古跡引起的古代建筑物變形控制技術(shù)研究較少，然而由于西安古城文物古跡眾多，地鐵線路下穿古跡不可避免。

西安護城河是古城堡防御體系的重要組成部分，具有重要的歷史意義，由于盾構(gòu)隧道需穿過黃土地層，而黃土作為一種特殊土，具有遇水后強度迅速降低、變形增大的特性，給施工增加了難度；因此，盾構(gòu)下穿護城河拱橋變形規(guī)律和防控技術(shù)急需研究。本文以西安地鐵穿越北門外護城河為例，通過建立力學(xué)模型，運用數(shù)值模擬計算不同開挖方法引起的地表沉降量及結(jié)構(gòu)變形，并與實測結(jié)果進行對比分析，在此基礎(chǔ)上，提出施工安全防控技術(shù)。

1工程概況

西安市地鐵二號線安遠門—北大街區(qū)間設(shè)計里程為ZCK11+028.55～ZCK12+136.57，全長1 108.02 m。該區(qū)間穿越西安護城河，左線穿越里程為ZCK11+384.835，右線穿越里程為YCK11+389.498，該處盾構(gòu)隧道埋深約13.36 m，護城河底距隧道頂5.6 m。護城河拱涵跨度為6.6 m，寬度為13 m，整體為C20鋼筋混凝土澆注而成，邊坡采用漿砌片塊石砌成。拱橋拱頂厚為0.5 m，底板為1.2 m鋼筋混凝土和30 cm毛石墊層，拱橋主要配筋為φ18、φ16、φ14、φ10、φ8、φ6等。地鐵隧道與護城河及拱橋的關(guān)系見圖1，護城河拱涵結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖1　隧道與護城河及拱橋關(guān)系圖(單位： m)

圖2　護城河拱涵結(jié)構(gòu)剖面圖

護城河水深2.5 m左右，水位高程395.93 m左右，河水污染嚴重，由東向西流動，但流量很小，河底約有0.75 m厚的淤泥，地層自上而下依次為雜填土、新黃土、殘積古土壤中夾片石、風(fēng)積老黃土、粉質(zhì)黏土、粉土、細砂及中砂等。

2盾構(gòu)下穿護城河拱橋施工安全風(fēng)險等級降低方法研究

考慮到在盾構(gòu)下穿護城河拱橋施工過程中，拱橋變形是最嚴重的施工災(zāi)害，如果采用一般的盾構(gòu)施工方案將引起很大的施工變形，無法保證施工過程中護城河拱橋的正常運行，因此需要優(yōu)化施工方案，提出合理的施工參數(shù)，以控制護城河拱橋的變形。運用FLAC數(shù)值模擬計算預(yù)測2種工況下盾構(gòu)下穿護城河拱橋施工路基變形規(guī)律。

1)工況1。采用常規(guī)的施工方法，即正常的盾構(gòu)施工參數(shù)、土艙壓力、注漿量等參數(shù)施工，并進行地表沉降監(jiān)測、拱橋沉降監(jiān)測和傾斜監(jiān)測。

2)工況2。采用盾構(gòu)施工前預(yù)加固法，即在拱涵臺背盾構(gòu)通過區(qū)選用旋噴加固河底土體，加固深度為從河床底到盾構(gòu)底以下2 m，加固范圍為3×10 m，間距為0.6×0.5 m。護城河拱涵底板以下部位采用垂直袖閥管注漿至盾構(gòu)隧道頂，而拱涵基礎(chǔ)部位采用斜插袖閥管注漿至盾構(gòu)隧道底。加固后再進行盾構(gòu)施工，并進行地表沉降監(jiān)測、拱橋沉降監(jiān)測和傾斜監(jiān)測。

3盾構(gòu)下穿古城墻施工FLAC3D建模

3.1盾構(gòu)下穿北門外護城河FLAC3D模型建立

盾構(gòu)下穿北門外護城河拱橋時從拱橋基礎(chǔ)中下方穿過，為了研究盾構(gòu)下穿護城河拱橋施工對拱橋變形的影響，根據(jù)護城河拱橋和盾構(gòu)隧道線路的實際位置，建立盾構(gòu)下穿北門外護城河FLAC3D模型圖，在橋面及地表上施加15 kN/m2的荷載(見圖3)。

圖3　盾構(gòu)下穿北門外護城河FLAC3D模型圖

Fig. 3FLAC3D model of shield tunnel crossing underneath arch bridge

3.2盾構(gòu)下穿城墻FLAC3D計算參數(shù)

本構(gòu)模型選用巖土工程中常用的摩爾-庫侖塑性模型，根據(jù)該區(qū)間的巖土工程勘察報告，經(jīng)換算可得到FLAC3D計算所需的參數(shù)(見表1)。

表1　盾構(gòu)下穿城墻FLAC3D模擬計算參數(shù)表

3.3盾構(gòu)施工過程模擬

盾構(gòu)施工過程模擬嚴格按照實際盾構(gòu)施工工藝進行，先開挖，隨后完成襯砌管片支護和壁后注漿。管片采用實體單元模擬，注漿加固通過提高加固地層的物理力學(xué)參數(shù)來實現(xiàn)，同時考慮到盾構(gòu)推力影響，在進行開挖計算時，對開挖面施加了軸向壓力，壓力大小為實際盾構(gòu)推力值，將盾構(gòu)推力分布施加在開挖面，得到盾構(gòu)推力值為0.7 MPa。

4盾構(gòu)下穿護城河拱橋誘發(fā)的變形規(guī)律FLAC3D預(yù)測結(jié)果

為了分析2種不同工況下盾構(gòu)下穿北門外護城河施工引起的地表及拱橋變形情況，現(xiàn)選取典型斷面的位移云圖及位移曲線進行對比分析(見圖4)。

圖4　2種不同工況下沿Y=6 m處斷面位移曲線對比圖

Fig. 4Contrast of surface settlement under two different working conditions (Y=6 m)

4.1地表變形對比分析

從圖4分析可知，當(dāng)采用工況1施工時，地表最大沉降值為36.01 mm，位于隧道軸線正上方，遠遠超過了其地表變形允許值10 mm；而采用工況2施工時，地表的最大沉降值為5.63 mm，在變形允許范圍之內(nèi)，故采用工況2施工可以有效地將地表變形控制在其允許范圍之內(nèi)。

4.2護城河河底變形對比分析

護城河沿Y=20 m處位于護城河河底的中間斷面處，該處不同工況下位移見圖5和圖6。該斷面從護城河基礎(chǔ)到隧道拱頂?shù)牡貙臃謩e是1.2 m鋼筋混凝土拱橋基礎(chǔ)、0.3 m毛石墊層、軟黃土和古土壤。該斷面由于有1.2 m厚的鋼筋混凝土層，整體性較好，施工護城河河底表面變形趨于均勻變形。該斷面處隧道拱頂距拱橋基礎(chǔ)底面埋深只有5.6 m，屬于薄覆土層施工，一般情況下地表應(yīng)是隆起的，但由于隧道上方存在軟黃土地層，使得隧道施工后地表和隧道拱頂均表現(xiàn)為沉降。從圖5(a)分析可知，當(dāng)采用工況1施工時，隧道拱頂?shù)淖畲蟪两抵禐?4.16 mm，隧道拱底最大隆起值為64.50 mm。從圖5(b)分析可知，當(dāng)采用工況2施工時，隧道拱頂?shù)淖畲蟪两抵禐?.47 mm，拱底的最大隆起值為1.07 mm。

從圖6可以看出，當(dāng)采用工況1施工時，該斷面處最大沉降值為22.95 mm，位于隧道軸線上方，由于該斷面處拱橋基礎(chǔ)部分采用了1.2 m厚的鋼筋混凝土和0.3 m的毛石墊層，整體性較好，盾構(gòu)施工后該斷面表現(xiàn)為趨于均勻變形，該斷面距隧道軸線±8.5 m范圍內(nèi)的變形大于其變形允許值，地表最大隆起值為1.24 mm。當(dāng)采用工況2施工時，護城河底的最大沉降值為4.19 mm，地表最大隆起值為0.28 mm，此時，盾構(gòu)施工后的變形均在其允許值之內(nèi)。

4.3拱橋橋面沉降對比分析

為了研究在2種不同工況下施工對護城河拱橋的變形影響，選取沿Y=25 m處斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析(見圖7)。

從圖7可以看出，沿Y=25 m處，當(dāng)采用工況1進行施工時，該斷面最大沉降值為18.87 mm，最小沉降值為18.56 mm，橋面的變形均超出了其變形允許值；而采用工況2進行施工時，橋面的最大沉降值為3.00 mm，最小沉降值為2.77 mm，其橋面沉降值均在沉降允許范圍之內(nèi)，故工況2能滿足拱橋的變形控制要求。

圖5　不同工況下護城河沿Y=20 m處斷面位移云圖(單位： m)

Fig. 5Displacement contour under two different working conditions(Y=20 m)(m)

圖62種不同工況下護城河沿Y=20 m處斷面位移曲線對比圖

Fig. 6Contrast of surface displacement under two different working conditions(Y=20 m)

圖72種不同工況下橋面位移曲線對比圖(Y=25 m)

Fig. 7Contrast of bridge deck displacement under two different working conditions(Y=25 m)

5盾構(gòu)下穿護城河拱橋施工安全防控技術(shù)

5.1黃土地層特點及加固特征

黃土地層不同于其他類型地層，其最大的特點在于濕陷性，極易受到地下水和護城河水滲流影響，導(dǎo)致工作面穩(wěn)定性較差；因此，在施工前必須采取有效的加固措施，確保護城河拱橋的安全穩(wěn)定。在實踐中，大多是通過注漿來提高地層的強度參數(shù)，但是對于老黃土、古土壤等黏聚力較大的地層，一般注漿方法往往很難達到預(yù)期的注漿效果，而且黃土地層地下水難以疏干，滲漏水量大。為了確保注漿效果，采用二重管無收縮注漿工法進行注漿預(yù)加固，以提高圍巖強度，降低圍巖的通透水性能，改善隧道成拱能力。

5.2盾構(gòu)下穿護城河施工技術(shù)措施

1)為防止隧道滲漏現(xiàn)象發(fā)生，在盾構(gòu)通過段臨時設(shè)置圍堰，將水抽干后用砂袋回填，然后盾構(gòu)再通過此處。擋水圍堰示意圖見圖8。

圖8　砂袋圍堰示意圖(單位： mm)

2)待河底清理完畢后，在隧道上方拱涵區(qū)域范圍內(nèi)堆放沙袋，起到增加上覆土層荷載的作用。

3)在盾構(gòu)安全、順利通過后，根據(jù)地表沉降的情況逐步拆除圍堰。一般情況下，盾構(gòu)通過70 m后的地面沉降趨于穩(wěn)定，然后開始撤離隧道上方堆載和兩側(cè)的擋水圍堰。

4)在盾構(gòu)橫穿護城河之前，利用泡沫或氣壓建立起全斷面土壓后，嚴格進行土壓控制、出土量管理和注漿控制，嚴格控制盾構(gòu)頂部土壓。若出現(xiàn)涌水等現(xiàn)象，適當(dāng)加注POLYMER或聚安脂等親水性化合物。盾構(gòu)推力設(shè)置在1 500～2 000 kN，刀盤轉(zhuǎn)速0.9～1.5 r/min，推進速度為30～40 mm/min。

5)合理控制土壓力，確保盾構(gòu)連續(xù)推進；穿越期間加強同步注漿，并確保注漿量，每環(huán)注漿量為建筑空隙的180%～200%，注漿壓力始終控制在0.2 MPa。

5.3護城河拱橋加固方案

當(dāng)盾構(gòu)下穿護城河時，隧道拱頂距護城河基礎(chǔ)底面只有5.6 m，盾構(gòu)施工時必然對拱橋產(chǎn)生影響，當(dāng)盾構(gòu)施工后拱橋周圍的地層產(chǎn)生較大變形時將危及拱橋的安全，為此除了盾構(gòu)施工前在拱橋區(qū)域內(nèi)采用沙袋堆載以外，還需在拱橋基礎(chǔ)背后預(yù)設(shè)2排袖閥管，沿隧道軸線方向間距1 m，垂直于隧道軸線方向間距為0.6 m。在拱橋基礎(chǔ)以下部位采用旋噴加固河底土體，加固深度為從河床底到盾構(gòu)底以下2 m，加固范圍為3×10 m，旋噴樁間距為0.6×0.5 m，加固地層主要有古土壤和老黃土。護城河拱涵底板以下部位采用垂直袖閥管注漿至盾構(gòu)隧道頂。盾構(gòu)下穿護城河施工沿隧道軸線方向拱橋預(yù)加固范圍見圖9和圖10。

圖9　拱橋沿隧道軸線方向預(yù)加固示意圖(單位： m)

Fig. 9Pre-reinforcement of arch bridge along tunnel’axis(m)

圖10　拱橋沿垂直于隧道軸線方向加固示意圖(單位： m)

Fig. 10Reinforcement of arch bridge perpendicular to tunnel’axis(m)

5.4盾構(gòu)下穿護城河現(xiàn)場變形監(jiān)測

5.4.1現(xiàn)場監(jiān)測方案設(shè)計

為了得到盾構(gòu)引起地表及拱橋的變形規(guī)律，現(xiàn)場主要監(jiān)測地表沉降、橋面沉降和橋體傾斜。監(jiān)測點布置見圖11和圖12。

5.4.2監(jiān)測控制標準

按照相關(guān)規(guī)范和設(shè)計圖紙的要求，在施工過程中對測量結(jié)果需要進行及時分析反饋。變形控制的標準如下： 地表沉降小于25 mm；橋面沉降變形不應(yīng)超過+5～-5 mm；橋體傾斜斜率不超過0.5%。

圖11　地表及護城河沉降監(jiān)測點布置示意圖

Fig. 11Layout of ground surface and moat settlement monitoring points

圖12　橋面沉降監(jiān)及橋體傾斜測點布置示意圖(單位： m)

Fig. 12Layout of bridge deck settlement and bridge tilt monitoring points(m)

5.4.3盾構(gòu)下穿護城河施工預(yù)測變形與實測變形對比

為了驗證本文所提出的變形控制措施是否合理，在盾構(gòu)施工過程中進行了現(xiàn)場監(jiān)測，現(xiàn)將現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與預(yù)測變形結(jié)果進行對比(見圖13—15)。

5.4.3.1地表沉降變形

從圖13可以看出，地表沿Y=34 m處有隆起也有沉降，對圖中2曲線的對比分析來看，地表沉降區(qū)域比預(yù)測沉降區(qū)域大，地表最大沉降值也比預(yù)測值大，實測地表最大沉降值為5.87 mm，地表最大隆起值為0.2 mm。地表的變形允許值為±5 mm，而以上2個斷面的實測變形值均在該范圍之內(nèi)，這說明在盾構(gòu)施工前，采用文中的預(yù)加固方法加固后再進行盾構(gòu)施工可有效減小地表變形，并將其控制在允許范圍之內(nèi)。

圖13　地表預(yù)測與實測沉降曲線對比圖(Y=34 m)

Fig. 13Simulated surface settlement Vs measured surface settlement(Y=34 m)

圖14　護城河底預(yù)測與實測沉降曲線對比圖

Fig. 14Simulated moat floor settlement Vs measured moat floor settlement

圖15　護城河拱橋橋面預(yù)測與實測沉降對比圖

Fig. 15Simulated bridge deck settlement Vs measured bridge deck settlement

5.4.3.2護城河河底沉降

從圖14可以看出，護城河河底沿Y=20 m處位于護城河沿隧道軸線方向的中間斷面處，護城河基礎(chǔ)底面距隧道拱頂距離為5.6 m，而護城河基礎(chǔ)為1.2 m鋼筋混凝土及0.3 m毛石墊層，該斷面埋深雖小，但護城河河底的基礎(chǔ)穩(wěn)定性較好，故采取文中的加固措施后，河底的變形量減小。實測最大沉降值為6.42 mm，在其變形允許范圍之內(nèi)，故文中所提出的加固措施可有效減小護城河河底的變形，從而保證護城河的安全。

5.4.3.3橋面沉降

從圖15可以看出，該斷面位于護城河拱橋的北邊。從圖中2曲線的對比來看，實測沉降曲線與預(yù)測沉降曲線能較好吻合，實測沉降值比預(yù)測沉降值大，實測最大沉降值為4.2 mm，在變形允許范圍之內(nèi)。表明文中的數(shù)值模擬可以有效地預(yù)測出盾構(gòu)下穿護城河施工時拱橋的最大變形，從而采取相應(yīng)的保護措施，以保證護城河拱橋的安全。FLAC數(shù)值模擬結(jié)果小于實測結(jié)果，主要原因在于模擬過程未能考慮土體流變引起的變形。

5.4.3.4橋體傾斜分析

在盾構(gòu)施工過程中對護城河拱橋的橋體沿X軸方向的傾斜展開監(jiān)測，橋體的實測傾斜結(jié)果如表2和表3所示。

表2　拱橋西面沿X軸方向測斜分析

表3　拱橋東面沿X軸方向測斜分析

從表2和表3可以看出，橋體東西兩側(cè)傾斜斜率都一樣，這是由于橋體是由鋼筋混凝土構(gòu)成的，整體穩(wěn)定性好。橋體的最大傾斜斜率為0.027‰，而其允許最大傾斜斜率為3‰，實測值遠小于其允許值，故文中的變形控制措施可有效保證橋體的傾斜變形在其允許范圍之內(nèi)。

6結(jié)論與討論

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法對黃土地區(qū)盾構(gòu)下穿護城河拱橋引起的拱橋變形規(guī)律及施工安全防治技術(shù)進行了研究，得出以下結(jié)論：

1)采用數(shù)值模擬方法分析得到了施工前加固拱橋及其周邊地層的必要性，進而提出采取沙袋圍堰、旋噴加固和注漿加固的聯(lián)合加固措施。實測結(jié)果表明，在盾構(gòu)下穿拱橋過程中，拱橋安全穩(wěn)定，目前西安地鐵二號線已經(jīng)建成并投入運營，表明本文提出的安全施工防控技術(shù)合理有效。

2)從施工安全控制效果來看，對拱橋及隧道周圍地層進行加固后，將盾構(gòu)施工引起的拱橋變形控制在允許變形之內(nèi)。同時，設(shè)置了合理的盾構(gòu)推力，并及時進行壁后注漿，最終保證了施工過程中拱橋的穩(wěn)定。

3)濕陷性黃土地層盾構(gòu)下穿建(構(gòu))筑物，受地下水和盾構(gòu)施工水平影響很大，老黃土和古土壤等黏性大的地層注漿參數(shù)和盾構(gòu)參數(shù)仍需進一步探討和實踐驗證。

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Prediction and Construction Safety Control for Shield Undercrossing Moat

Arch Bridge in Loess Area by means of FLAC3D

CAO Zhen1, YANG Feng2,3, ZHANG Ning1,3

(1.Xi’anSubwayCo.Ltd.,Xi’an710018,Shaanxi,China; 2.ChinaRailway15thBureauGroupCo.,Ltd.,

Shanghai, 200070,China; 3.Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,Shaanxi,China)

Abstract:It is of great importance to study the safety control technology for shield boring in loess. The shield-bored tunnels of Xi’an Metro, which are located in loess strata, have to cross underneath complex ground surface conditions, cultural relics, buildings and structures. The shield-bored tunnel from Anyuanmen station to Beidajie station on Line 2 of Xi’an Metro crosses underneath a moat arch bridge. In the paper, the deformation of the moat arch bridge caused by shield boring is analyzed by means of FLAC3D program. The calculation result shows that the ground below the moat arch bridge has to be consolidated before shield boring, so as to ensure the safety and stability of the bridge. It is proposed that sand bags should be piled in the moat arch bridge zone and Soletanche grouting should be conducted behind the foundation of the bridge. The site measurement shows that the deformation of the moat arch bridge is within the allowance scope and the countermeasures taken are rational and effective.

Keywords:loess area; shield tunnel; moat-spanning arch bridge; numerical simulation; prevention and control

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2015)12-1264-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.005

作者簡介：第一 曹振(1978—)，男，廣東清遠人，2001年畢業(yè)于長安大學(xué)，地下工程與隧道工程專業(yè)，博士，高級工程師，現(xiàn)從事地鐵工程建設(shè)與技術(shù)管理工作。

收稿日期：2015-02-12; 修回日期: 2015-05-29