軟弱濱水地層盾構隧道近穿路橋變形控制與機理分析

張曉麗 羅章波 郭璇

1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京 102600； 2.北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京 100044

盾構隧道工程經常面臨近穿既有構筑物產生的附加變形及其控制問題。

工程界對軟弱圍巖地層條件下因隧道開挖產生的附加變形問題進行了系統理論分析及試驗研究。張曉麗［1］研究了淺埋暗挖下穿既有地鐵構筑物的關鍵技術。陶連金等［2］研究了礦山法隧道下穿既有盾構隧道微變形控制技術。馬棟等［3］針對柿子園隧道分析圍巖大變形程度、速度、持續時間等破壞機理及形式特征。林峰［4］分析了軟土地區深基坑開挖對既有地鐵隧道襯砌水平位移的影響，凹槽形地表沉降曲線特征，襯砌水平位移與加固區寬度、強度、水平間距的負相關關系。呂昌懷等［5］分析了明挖與盾構隧道下穿鐵路橋的變形影響及隔離樁的顯著效果。郭璇等［6］通過正交模型試驗法研究軟弱圍巖隧道管棚預支護開挖土壓的分布特征。房倩、張成平、王占生、姚海波等［7-10］研究了地鐵隧道、車站淺埋暗挖法下穿既有地鐵或其他構筑物的特殊施工技術。

本文依托一座鐵路盾構隧道近穿高速公路的典型工程，進行盾構下穿高速公路攪拌樁加固路基段加固設計參數驗證和旁穿橋樁的變形控制分析。

1 工程概況及加固設計

京津地區一座鐵路盾構隧道下穿高速公路A與高速公路B交叉口及二者之間的排污河（圖1），橋路工況復雜。隧道最大埋深23.00 ~ 25.81 m，最大坡度約22.5‰。盾構隧道穿越地層主要為濱海區粉質黏土、粉土、砂、圓礫、素填土及雜填土。隧道下穿既有高速公路B路基（設計采用攪拌樁加固），旁穿高速公路A匝道橋橋墩樁基礎，隧道施工中須要密切關注設計加固措施條件下地層及支護結構變形情況，計算樁隧變形控制措施的合理參數，以滿足工程變形控制標準。

圖1 交叉工程平面位置關系

分析盾構隧道下穿河道、下穿高速公路路基水泥攪拌樁加固段、旁穿橋樁三種工況，對比其變形控制參數。選取測點1用于監測濱河地表沉降，測點2用于監測高壓旋噴水泥攪拌樁加固高速公路路基段地表沉降，測點3用于監測盾構旁穿高速公路匝道橋橋墩墩頂位移。各測點斷面如圖2所示。

圖2 各測點斷面（單位：m）

設計對盾構隧道管片進行深孔注漿和壁后注漿加固，管片注漿孔每環9孔，上五下四左右對稱沿襯砌周圈均布。洞內深孔注漿每個注漿區寬度1.0 m，上五孔設計注漿深度3.0 m，下四孔設計注漿深度1.5 m。

測點2處［圖2（b）］為盾構隧道下穿高速公路的路基加固區。高速公路路基采用5排、每排各13根水泥攪拌擠密樁加固。樁長8.0 m，樁徑0.5 m，樁間距1.5 m。

測點3處［圖2（c）］盾構隧道埋深19.7 m，襯砌中心與橋墩樁基水平間距5.9 m；橋墩樁基直徑1.5 m，入土深度43.0 m。

研究對象為2017年3月～2018年7月于西安交通大學第二附屬醫院行超聲乳化聯合IOL植入術的老年性白內障患者44例（44眼），男（26例），女（18例）。納入標準：老年性白內障患者（晶狀體核LOCSⅢ分級Ⅱ～Ⅳ級）。排除標準：患者有眼部疾病史如糖尿病視網膜病變、青光眼、角膜瘢痕、圓錐角膜、外傷、嚴重全身疾患、其他眼部手術史等。研究對象根據其術后透明角膜切口距離角鞏膜緣的實際距離分為兩組，A組距離為1～1.5 mm，B組距離為0.5～1 mm，每組各22例。本研究通過西安交通大學第二附屬醫院倫理委員會審批（審批號：（2017）倫審-研第（004）號）。

2 模型計算分析

2.1 計算模型

依據實際工程尺寸和地層參數，對各測點分別進行GTS/NX有限元整體建模分析。地層計算參數按實際選取，見表1。

表1 地層計算參數

襯砌及注漿加固計算參數見表2。水泥攪拌樁和既有橋樁結構參數見表3。

表2 襯砌及注漿加固計算參數

表3 樁結構參數

2.2 變形控制標準

DG/TJ 08‐2041—2008《地鐵隧道工程盾構施工技術規范》表8.2.4給出不同覆土深度的盾構施工地面變形允許值。該工程盾構覆土深度14.3 m時，地表變形最大沉降允許值Δ = 12.1 mm，最大隆起允許值δ=4.1 mm；覆土深度19.7 m時，Δ = 9.2 mm，δ= 3.1 mm。

JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》5.7.2條給出樁頂水平位移允許值為10 mm。

2.3 計算結果分析

2.3.1 測點豎向位移

各測點豎向位移計算結果見圖3。

圖3 測點所在斷面豎向位移云圖（單位：mm）

由圖3（a）可知：隧道施工引起襯砌上方圍巖沉降，下方隆起，圍巖整體擠壓隧道，向洞內收縮。加固后測點1地表沉降4.6 mm，滿足地表沉降不大于12.1 mm的規范要求。

由圖3（c）可知：隧道施工產生附加變形，通過主動土壓力作用在橋墩基樁，由于既有橋墩基樁的擋土效應，襯砌拱肩附近變形最大，仰拱隆起；測點3地表沉降6.9 mm，滿足要求。

2.3.2 襯砌彎矩及變形

圖4為盾構隧道側穿有無橋墩基樁的襯砌彎矩對比，變化量可考慮為橋墩基樁的擋土阻斷效應，彎矩值約增加了10%。

圖4 襯砌彎矩

盾構圓形襯砌外徑變化率（μ）可用式（1）反映

式中：ΔL為圓形襯砌外徑變化量；L為圓形襯砌外徑。

根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》11.6.5條的條文說明，一般情況下襯砌結構徑向計算變形在3‰D~ 4‰D（D為隧道外徑）。由圖3（c）可計算得，測點3襯砌最大水平位移和最大豎向位移分別為2.3、43.8 mm，對應水平與豎向直徑變形率分別為0.2‰、3.3‰，兩者均滿足要求。

2.3.3 橋樁位移及內力

隧道施工過程中橋墩基樁的位移及內力見圖5。設定工況參數下，樁頂最大位移控制在±10 mm以內，滿足規范要求，樁頂剪力、彎矩接近0。可見隧道通過橋樁時橋樁是安全的。

圖5 既有橋墩基樁的位移及內力

3 隧道施工側穿樁基的理論分析

3.1 側穿安全施工最小間距分析模型

大直徑盾構隧道側穿既有構筑物的最小間距需考慮施工產生的附加荷載及樁-隧-圍巖相互作用。盾構隧道施工影響范圍半分析模型如圖6所示。隧道施工通過橋樁段的豎向變形主要位于拱頂、仰拱及45°附近滑裂區。

圖6 隧道施工影響范圍半分析模型

大直徑盾構隧道施工變形的影響區域主要劃分為5個區域。Ⅰ區為盾構上覆土地層隆沉滑動易變形區，即主要的地層加固設計區，地層隆沉對地下結構產生主被動擠壓力，是變形主控區。Ⅱ、Ⅳ區是橋墩基樁和盾構襯砌-地層相互作用的影響區域，決定最小安全施工距離。Ⅱ、Ⅲ、Ⅰ區變形疊加主要引起沿45° ±φ/2附近滑裂面的錯動變形。Ⅲ、Ⅴ區為樁隧系統的約束限位區及計算邊界。Ⅱ、Ⅳ區是隧道施工影響及變形加固的主要波動區。Ⅴ、Ⅳ區應考慮河道水位等水文地質影響，將圍巖等級弱化。1倍洞徑范圍為注漿加固區，也是隧道安全施工的最小樁隧距離。

樁-隧-圍巖相互作用分析模型見圖7。

圖7 樁-隧-圍巖相互作用分析模型

為了得到合理的樁隧距離與隧道直徑比例和安全施工最小間距，在分析樁-隧-圍巖的相互作用時需要考慮各區域荷載和附加變形。圖7中側向擬三角形抗力荷載分布反映了附加荷載的傳遞形式，也是加固地層進行結構變形控制需滿足的平衡條件。

3.2 S/D的附加作用影響分析

考慮樁隧水平距離S（參見圖7）與隧道直徑D之比S/D的附加作用進行計算分析，圖8為S/D= 1.0時盾構隧道施工近穿既有橋墩基樁的水平位移矢量云圖，最大紅色位移矢量顯示，樁隧系統的計算臨界S/D為1.0。

圖8 盾構隧道施工近穿既有樁基水平位移（單位：mm）

從S/D= 1.0開始，隨S/D增大樁最大水平位移減小，樁最大彎矩變化趨勢與之相似呈快速減小趨勢。通過對比橋墩樁基變形及內力變化發現，在S/D <1.0時附加荷載影響顯著，S/D>1.00附加荷載影響急劇下降。

圖9為測點地表沉降。地表沉降計算值與區域地表實測沉降量［11］（4.8 mm）接近且滿足沉降控制要求，說明了計算參數選取合理。

圖9 測點地表沉降

綜上，根據實際地勘和幾何參數計算分析了盾構隧道施工近穿高速公路路基攬拌樁加固段和橋墩基樁的工程措施。對比不同S/D的附加變形，一倍洞徑范圍以內為樁隧相互作用的顯著影響范圍，需加強附加荷載和變形監測，重視隧道施工的保護措施。

4 結論

1）通過盾構隧道下穿高速公路路基水泥攪拌樁加固區、旁穿橋墩基樁等工況計算分析，驗證了地層加固方案和所選參數可行。

2）推薦橋樁與隧道水平距離與隧道直徑之比為1的最小樁隧間距。旁穿橋墩基樁產生的地層沉降和基樁頂變形在±10 mm以內，均小于規范限值。

3）針對軟弱濱水地層盾構隧道穿越既有敏感構筑物變形影響，提出隧道施工影響范圍半分析模型，給出盾構安全施工應滿足的最小橋樁與隧道距離和沉降控制分區的劃分方法。