大直徑泥水平衡盾構近接側穿高架橋群影響分析

【摘 要】依托成都至浦江鐵路紫瑞隧道盾構區間工程，結合對周邊地質條件、施工難度、施工安全的分析，提出了大直徑盾構盾體減阻及防沉降工法，并對其中大直徑泥水平衡盾構側穿高架橋群工況進行三維數值模擬，計算了隔離樁方案對于樁基加固的效果。結果表明：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。研究結果為保證盾構掘進安全性，減少高架橋變形沉降提供了重要的理論支撐。

【關鍵詞】隧道工程； 泥水平衡盾構； 盾構減阻及防沉降工法； 側穿； 橋梁樁基

【中圖分類號】U455.43【文獻標志碼】B

［定稿日期］2023-02-13

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

0 引言

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

洪杰［2］針對雙圓盾構研究了不同理論對盾構側穿施工造成建筑物位移變形規律，并利用數值模擬修正建筑物影響評價標準；方勇等［3］采用三維有限元方法對盾構隧道近接樁基施工進行模擬，分析盾構機動態掘進時既有樁基位移的變化規律；賀美德等［4］以北京地鐵施工為例，將有限元法所得結果與工程實測進行了對比對盾構側穿樁基礎建筑物的不同位移變形階段進行分析得出了土體及建筑物的位移變形規律；袁鵬等［5］建立了精細化模型模擬超大直徑盾構側穿既有橋梁樁基的過程，并得到了鄰近大堤對盾構穿越過程的影響特點；劉超等［6］則借助三維有限差分軟件研究了盾構開挖對既有城市立交橋樁基和地層穩定性的影響；史淵等［7］使用FLAC3D數值模擬軟件，模擬了雙線盾構近接側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］提出高架橋主動預支護方法，分析了不同預支護方法的地表沉降、橋梁樁基變形規律和管片主應力分布狀況；趙巖等［10］分析了某工程地鐵盾構穿越高速公路橋臺案例，提出采取現代化動態施工和監控聯動措施，以控制盾構下穿影響；喬世杰等［11］利用FLAC3D三維有限元軟件建立了數值模型，模擬分析加固措施對橋梁樁基沉降變形的影響，確定了盾構下穿段的施工參數；漆偉強等［12］通過對盾構側穿樁基有限元分析，對盾構掘進過程中樁基變形及沉降規律，并結合墩柱實測數據探究了橋梁樁基在盾構側穿的保護措施。

綜上所述，盡管已有許多學者對盾構側穿橋梁樁基問題進行研究，但是大直徑盾構及泥水平衡盾構側穿高架橋的研究仍較少，工程事故經常發生［13］，因此開展盾構隧道側穿高架橋群的研究具有現實意義。由于大直徑雙模盾構的施工對鄰近結構物會產生一定的影響，為了減小盾構掘進對周圍地層的擾動、保證施工安全，本文依托成都至浦江鐵路紫瑞隧道盾構區間工程，結合對周邊地質條件、施工難度、施工安全的分析提出了大直徑盾構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行了加固，采用數值模擬對隔離樁的加固效果對樁基的影響進行研究分析，確定了隔離樁加固措施和大直徑盾構盾體減阻及防沉降工法具有良好的效果，對保障盾構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計和施工提供參考。

1 工程概況

本工程紫瑞隧道盾構段為單洞雙線，采用盾構法施工，隧道外徑為12.4 m，隧道內徑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）側穿神仙樹高架橋群，（橋樁對應的橋墩編號：GA84#～GA95#，ZE20#～ZE26#，ZJ6#～ZJ10#，ZF13#～ZF14#，XHDK1+800位置對應市政天橋圍護樁等；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隧道施工已預留條件并施作隔離樁保護自身橋基。隧道與神仙樹高架橋群剖面關系如圖2所示。

2 大直徑盾構盾體減阻及防沉降工法

紫瑞隧道區間工程掘進地層多為富水砂卵石、泥巖復合地層，該地層情況下既加劇了刀盤磨損，采用大直徑盾構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能力，地層具有一定的自穩能力或成拱性，地層損失產生空洞的拱頂會暫時保持穩定一段時間，但同樣會因細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的施工難度。

本工程為了保持施工進度，同時確保盾構穿越時高架橋及地面建筑物安全可控、保證成型隧道質量優良、隧道建設工期進度可控，通過前期策劃對掘進參數以及渣土改良方式進行設定，在施工過程中根據實際施工情況（地表監測數據變化）對掘進參數、渣土改良情況進行調整，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，在保障了施工進度的同時有效提高了該地層條件下盾構施工的安全性、可靠性。該工法適用于富水砂卵石地層，使用泥水平衡盾構或含泥水平衡盾構的多模式盾構施工的情況。

2.1 工法原理

在泥水盾構或含泥水盾構的多模式盾構中，對于富水砂卵石地層，在前期施工策劃階段設定初步掘進參數、渣土改良方式、確定所需的砂漿配比以及泥漿配比，在盾構掘進期間，根據該地層實際掘進情況以及地面監測數據情況對后續的掘進參數、砂漿配比以及泥漿配合比進行調整，尋找最優參數，通過調整掘進參數以及注漿的方式以達到在盾體減阻及防沉降變形的目的。

2.2 工法特點

（1）根據地質情況，對盾構掘進參數進行設定，提前進行試驗以確定渣土改良方式以及注漿材料配比等。

（2）在掘進過程中根據定點開倉檢查刀具情況，以判斷渣土改良是否滿足掘進需求；根據地表監測情況及時對掘進參數、注漿量等進行適當調整。

（3）拼裝及掘進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盾體減阻及防沉降變形工法在操作時主要分3個階段進行：掘進前、掘進中、掘進后。

施工工藝流程：地質分析調查—掘進相關參數計算—掘進過程中沉降防治與減阻—掘進后參數分析—洞內2次注漿填充—繼續掘進。

2.3.1 掘進前

在項目前期籌劃階段需根據地勘資料中的相關地質情況確定初步的較為契合該隧道地層情況的掘進參數、渣土改良方式以及相應的砂漿配比、泥漿配比，選定停機開倉位置以避免因盾構機刀盤磨損而造成掘進受阻，導致出現其他不良影響。

掘進前參照類似地質情況下的施工監測情況，編制適合當前地層、地表環境及建構筑物的監測方案。做好地面原始高程測量和記錄，為掘進中和掘進后地面監測做好準備。測量是盾構掘進必不可少的一環，而監測則是控制地表沉降最為關鍵的一個環節，地表監測數據是盾構掘進施工是否出現沉降最直觀的一種體現方式。

2.3.2 掘進過程中

掘進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”是防止掘進過程中超挖造成地層損失，“治”則是治理已經發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、調整盾構機偏移角度來實現。

2.3.3 掘進后

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

2.4 掘進工法效果

本工法的使用有效緩解了大直徑盾構機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，根據現場監測橋墩的豎向位移，如圖3所示，符合區間監測項目控制值的要求［16-17］。本工法取得了良好效果，極大保障了項目施工的安全及最終節點工期的兌現。

在經濟方面，本工法減少了二次注漿作業次數，加快了施工進度，減少工期28天，為按期完成業主工期目標奠定了基礎，工法的應用為工程項目帶來了經濟效益。

本大直徑盾構盾體減阻及防沉降變形施工工法便捷有效、便于操作，在確保盾構掘進施工順利安全穩定快速的同時，耗材少，可操作性強，對于類似地質情況的盾體減阻及防沉降變形施工具有可操作性，可復制性及推廣借鑒價值。采取此項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及地表處理次數，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 盾構側穿高架橋施工控制方案數值分析

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，強度準則采用Mohr-Coulomb準則。為模擬盾構隧道側穿對高架橋群的影響，依照區間隧道和高架橋的空間位置關系，選取隧道穿越的橋樁進行分析。使用Midas GTS NX建立模型并劃分網格，再將網格文件導入至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系如圖4所示。

對各地層和橋樁結構進行參數賦值，施加Z向重力加速度g=9.8 m/s2，形成自重應力場如圖5所示。

3.2 結果分析

進行盾構開挖，每次開挖進尺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的距離增加，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的緣故，也有隔離樁阻止了部分應力向橋樁傳遞的關系，說明隔離樁取得了較好的效果。

4 結束語

本文針對紫瑞隧道盾構區間側穿神仙樹高架橋群樁基工程案例，提出了大直徑盾構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值計算，主要結論：

（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先增加再減小的趨勢。

（2）隔離樁阻止了部分應力向橋樁傳遞的關系，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，在保障了施工進度的同時也有效提高了該地層條件下盾構施工的安全性、可靠性。該工法適用于富水砂卵石地層，使用泥水平衡盾構或含泥水平衡盾構的多模式盾構施工的情況。

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