盾構隧道下穿河道及側穿橋樁方案設計

韓悅 HAN Yue

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510000）

0 引言

近年來，隨著城市地鐵的快速發展，地鐵隧道下穿河道及側穿橋樁的風險工程增多。盾構隧道的施工對土層的擾動容易引起橋梁的沉降、附近管線的沉降和變形，穿越河道更是容易引起隧道滲水及河床沉降；且在不同地區地層性質不同的情況下對于盾構施工的沉降及變形影響程度不同，盾構隧道穿越河道及橋梁的距離把控及風險源加固、施工措施是一個值得深入研究的課題。本文以北京地鐵17 清河營站～天通苑東站區間下穿清河及側穿清河橋樁為例，通過數值分析手段與施工后監測數據相互驗證盾構隧道穿越河道及橋樁方案，提出有效的盾構區間下穿河道及側穿橋樁設計方案。

1 工程概況

北京地鐵17 號線清河營站～天通苑東站區間為盾構區間，采用土壓平衡盾構機，盾構外徑6.4m，盾構區間于右線里程YK41+091.427～YK41+194.820 范圍內下穿清河及側穿清河橋橋樁。

清河的基本概況：

根據1999 年編制的《清河治理工程規劃》，清河在擬建地鐵17 號線處，規劃河道橫斷面為梯形斷面，斜坡采用漿砌石襯砌至50 年一遇洪水位，規劃河底寬70m，邊坡系數為2，糙率為0.022，縱坡為0.0003，規劃河道上口寬為92m。該處規劃河底高程為25.57m。規劃河道兩側綠化隔離帶寬均為70m，區間下穿河道最小間距10.977m。

清河橋的基本概況：

清河橋位于北苑東路跨越清河，橋梁中線與北苑東路軸線交角為90°，橋梁中線與清河規劃河道斜角角度為89.693°。橋梁全長4*23.5+10=104m。橋面全寬48.5m，兩側人行步道各寬4.5m，非機動車道各寬3.5m，機動車道16m+15m，中央隔離帶1.5m。

1.1 上部結構

橋梁上部結構為四孔預制預應力混凝土簡支T 梁及一孔預制預應力混凝土簡支空心板，橋梁全長4×23.5+10=104m，橋寬48.5m，橋梁總面積5044 平米。簡支T 梁及簡支空心板主梁工廠預制并采用后張法預應力，四孔簡支T 梁設置橋面連續。

簡支T 梁跨徑23.5m，梁高1.50m，半幅橋設置14 片T 梁。

簡支空心板跨徑10m，梁高0.70m，半幅橋設置19 片空心板。

1.2 下部結構

0# 邊墩為現澆鋼筋混凝土蓋梁，下接1.2m鉆孔灌注樁。

1～3#中墩采用現澆預應力混凝土蓋梁，每個蓋梁下接2 個2m×1.2m 墩柱，墩柱下接四樁承臺，鉆孔灌注樁直徑1.2m，樁長25m。

4#中墩為簡支T 梁與簡支空心板共用墩，采用現澆鋼筋混凝土蓋梁，下接1.2m 鉆孔灌注樁，樁長30m。

5#邊墩為現澆鋼筋混凝土蓋梁，下接1.2m 鉆孔灌注樁，樁長30m。

4#、5#墩跨北側巡河路設置樁間擋墻作為北側巡河路兩側擋墻使用。

1.3 附屬結構形式

①橋面鋪裝采用4cm 改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13 瀝青混凝土，5cm 中粒式瀝青砼AC-16C 鋪裝。其下為10cmC50 混凝土橋面鋪裝層。

②橋面伸縮縫采用三向位移止水型單組伸縮縫。

③橋梁接道路側采用6m 長鋼筋混凝土橋頭搭板。

④簡支T 梁在端橫隔板與蓋梁上設置抗震銷設施，空心板采用鉸縫抗震錨栓設施。

區間側穿橋樁最小凈距3.335m。

河底地層分別為：①1雜填土、②1黏性土填土、②3粉細砂（2.6m 厚）、③1④⑥粉質黏土、④2⑥2粉土、⑦2粉細砂（3.1m 厚）。

地下水：承壓水（三）埋深3.89m、承壓水（四）埋深14.29、承壓水（五）埋深18.89m。

隧道頂埋深11.03m、距離河底7.86m，隧道與河底間存在2.53m 砂層及5.33m 粉質粘土層，隧道穿越橋樁位置位于粉質粘土夾雜1m 厚砂質粉土地層范圍，隧道右線上不平行下穿φ1800 污水管，豎向凈距6.455m。具體位置關系及地層見圖1。由于盾構隧道頂部有5.33m 的粉質黏土，本工程考慮徑向注漿易穿透粉質黏土隔水層造成清河與隧道間水流路徑連通，增加盾構隧道施工風險，不采用徑向注漿的加固方式。

圖1 下穿區域剖面位置關系圖

2 重難點分析及研究意義

①本工程為典型的盾構垂直穿越河道工程，盾構隧道與河底凈距為10.32m（1.5 倍盾構直徑），且考慮隧道與河底間存在5.3m 粉質黏土隔水層未采取盾構穿越后的常規二次徑向注漿加固措施，對今后類似工程具有較強的借鑒意義；②盾構穿越河道同時近距離穿越橋樁且區間右線曲線段平行下穿直徑1.8m 污水管線，隧道與橋樁凈距為3.335m，與管線凈距6.455m，對盾構掘進過程中變形控制要求很高。

3 風險等級及變形控制標準

依據《北京市城市軌道交通土建工程設計安全風險評估規范》規定清河營站～天通苑東站區間下穿清河及側穿清河橋橋樁風險等級為一級風險。經專項風險評估，結合規范要求確定具體控制值如下：①預應力砼簡支梁相鄰墩柱豎向（縱向）不均勻沉降控制值為10mm；②中墩預應力蓋梁橫橋向相鄰基礎差異沉降控制值為3mm；邊墩鋼筋混凝土蓋梁橫橋向相鄰基礎差異沉降控制值為2mm；③墩柱新增傾斜度不大于1/1000；④橋梁均勻豎向沉降控制值為15mm；⑤河堤、污水管、擋墻沉降控制值15mm。

4 下穿加固方案及數值分析

4.1 技術措施

因土層應力釋放所產生變形的施工控制要點：①盾構面板開口處土倉壓力小于前方土體壓力時土層中發生的應力釋放；②曲線地段盾構機超挖引起的應力釋放；③盾尾間隙在同步注漿不及時或注漿量不足所引起的應力釋放。

本工程采用的技術措施：

①穿越前認真對刀盤、注漿系統、密封系統、推進千斤頂及監控系統等設備檢查，調整并確保盾構機性能良好，嚴格保證盾構勻速、連續穿越風險源區域，確保盾構機在風險源區域范圍內不停機；兩臺盾構掘進時間至少錯開一個月，保證左線通過沉降穩定后，方可進行右線下穿。②下穿期間應保證盾尾密封有效，避免發生因盾尾漏漿而導致實際注漿量減小的情況；及時進行同步注漿和二次注漿，充填管片與土體間的空隙。③加注發泡劑、膨潤土等潤滑劑，進行土體改良，減少刀盤所受扭矩，降低對土體的擾動，嚴格管理土壓。④及時布設測點，穿越過程中加強道路監控量測，并根據監測結果及時調整盾構掘進參數。施工前，施工單位應制定針對性應急預案。⑤在盾構施工過程中，建立完善的監控系統，進行系統全面的跟蹤監測，實行信息化施工，密切關注區間施工對框架橋的影響，必要時采取其他應急措施。⑥下穿前設置試驗段，摸索出相同地層盾構順利掘進的各項參數；總結試驗段的土倉壓力、推進速度、出土量，注漿壓力和注漿量等參數，優化掘進參數，以便指導盾構下穿框架橋的施工。

由于本工程未采用徑向注漿加固隧道與風險源間土體，采用同步注漿盾尾同步注入克泥效與水玻璃雙液漿充填管片與土體間的空隙。

4.2 計算分析

計算采用Midas GTS NX 分析軟件建立三維有限元模型進行分析（見圖2），采用修正的Mohr-Coulumb 本構模型先右線后左線盾構穿越清河及清河橋的順序模擬施工步序，計算中的參數均取自地勘報告，但由于地勘報告提供的是側限壓縮模量，按規范的規定，在地基變形驗算中要用的是壓縮模量Es，但因Es 是通過現場取原狀土進行試驗的，這對于粘性土來說很容易做到，但對于一些砂土和礫石土等粘聚力較小的土來說，取原狀土是很困難的，很容易散掉，因此對砂土的礫石土通常都是通過現場載荷試驗得到Eo，所以在地堪報告上，對于砂土的礫石土一般都僅給出Eo，即使給出Es，也是根據Eo 換算來的，而不是試驗直接得出的。

圖2 計算模型

模擬計算的三軸割線模量由變形模量Ei 換算得到，首先需根據公式轉換成靜力狀態下的變形模量，再根據割線模量計算公式得到三軸割線模量。

在采用修正莫爾庫倫準則時還需要確定卸載模量，根據《Midas GTS NX 手冊》建議卸載/重新加載剛度取為割線模量的3 倍，割線模量取為切線模量的1 ～1.2 倍。

計算結果如圖3。

圖3 計算結果

①預應力砼簡支梁相鄰墩柱豎向（縱向）不均勻沉降值最大為7.27mm，滿足控制值為10mm；

②中墩預應力蓋梁橫橋向相鄰基礎差異沉降最大值為1.56mm，滿足控制值為3mm；邊墩鋼筋混凝土蓋梁橫橋向相鄰基礎差異沉降最大值為1.7840mm，滿足控制值為2mm；

③墩柱新增傾斜度最大值為0.4626/100，滿足控制指標不大于1/1000；

④橋梁均勻豎向沉降控制值最大為11.7162mm，滿足控制值15mm；

⑤河道、擋墻及管線最大沉降7.98mm，滿足控制值15mm。

5 施工監測結果

①預應力砼簡支梁相鄰墩柱豎向（縱向）不均勻沉降值最大為4.02mm，滿足控制值為10mm；②中墩預應力蓋梁橫橋向相鄰基礎差異沉降最大值為1.25mm，滿足控制值為3mm；邊墩鋼筋混凝土蓋梁橫橋向相鄰基礎差異沉降最大值為1.28mm，滿足控制值為2mm；③墩柱新增傾斜度最大值為0.35/100，滿足控制指標不大于1/1000；④橋梁均勻豎向沉降控制值最大為10.34mm，滿足控制值15mm；⑤河道、擋墻及管線最大沉降7.73mm，滿足控制值15mm。

6 結語

在地層較好地區盾構隧道穿越河道及橋樁的設計中，可不采用洞內徑向注漿加固措施控制盾構施工引起的地面沉降及鐵路橋變形，必要時采用盾尾同步注入克泥效與水玻璃雙液漿措施。可有效控制盾構掘進施工對河道及橋梁變形的影響。