盾構(gòu)法穿越松花江干流道里堤影響研究

宗 原，王 智，李旭光，尹明玉

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130061）

盾構(gòu)法穿越松花江干流道里堤影響研究

宗 原，王 智，李旭光，尹明玉

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130061）

哈爾濱市軌道交通2號(hào)線一期工程是哈爾濱市首條穿越松花江隧道，工程擬采用盾構(gòu)法穿越松花江干流右岸道里堤，道里堤設(shè)有樁柱梁裝配式活動(dòng)鋼閘板及截滲墻，在穿越過(guò)程中有可能造成不利影響。文中采用道里堤樁基礎(chǔ)沉降與變形有限元計(jì)算、滲透穩(wěn)定與抗滑穩(wěn)定計(jì)算對(duì)工程穿越道里堤的影響進(jìn)行分析研究。研究結(jié)果表明，盾構(gòu)法穿越不影響道里堤鋼板樁的安裝，在采取補(bǔ)救措施后道里堤及截滲板墻的穩(wěn)定影響很小。

盾構(gòu)法；道里堤；截滲墻；有限元計(jì)算；滲流計(jì)算

1　項(xiàng)目基本情況

1.1工程基本情況

哈爾濱市軌道交通2號(hào)線一期工程設(shè)計(jì)使用年限為100年，穿越松花江段雙線布置，隧洞軸線間距約為17.0m左右，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)為圓環(huán)，襯砌圓環(huán)外徑6.0m，內(nèi)徑5.4m。

根據(jù)線路平面布置、埋深、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及線路所經(jīng)地區(qū)的環(huán)境條件，軌道交通2號(hào)線一期工程區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。

1.2道里堤基本情況

軌道交通2號(hào)線在樁號(hào)K15+646.044與右岸道里堤（堤防樁號(hào)K1+906.92）相交，道里堤防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，堤防防洪型式為樁柱梁結(jié)合裝配式活動(dòng)鋼閘板，混凝土灌注樁樁徑0.8m，樁長(zhǎng)15.0m，樁間距5.0m；樁上設(shè)承臺(tái)梁，梁高1.4m，梁寬0.9m，梁頂高程120.90m；梁上設(shè)混凝土直墻，與梁整體澆筑，墻高0.6m，墻寬0.5m，墻頂高程121.50m；墻上設(shè)裝配式活動(dòng)鋼閘板，鋼閘板高2.0m，鋼閘板頂高程123.50m。墻后堤面上有九站公園，堤頂高程約120.90m，寬約120.0m。堤頂距堤防背水側(cè)堤肩約4.0m處，設(shè)有高壓定噴截滲板墻，灌漿材料為425號(hào)硅酸鹽水泥和冒漿土混合液，截滲板墻厚0.18m，深25.0m，頂部高程120.90m，底部高程95.90m，滲透系數(shù)不高于1×10-6cm/s。相交處堤防中心位置處2號(hào)線一期工程襯砌圓環(huán)頂高程97.37m；截滲板墻位置處2號(hào)線一期工程襯砌圓環(huán)頂高程100.28m，高于截滲板墻底部4.38m。

2　工程穿越道里堤裝配式鋼閘板基礎(chǔ)影響分析

2.1計(jì)算模型及參數(shù)

為了分析盾構(gòu)下穿道里堤下樁基時(shí)對(duì)道里堤的影響，采用有限元分析軟件PLAXIS進(jìn)行計(jì)算。

2.2模型網(wǎng)格及工況分析

此次模擬計(jì)算主要為盾構(gòu)下穿過(guò)程中對(duì)周邊土體擾動(dòng)引起堤壩沉降以及對(duì)裝配式活動(dòng)鋼閘板樁基礎(chǔ)的影響，所以盾構(gòu)下穿之前的工況沉降值均清零，僅模擬盾構(gòu)穿越過(guò)程引起的沉降這一工況。

2.3計(jì)算結(jié)果

2.3.1沉降

根據(jù)有限元沉降計(jì)算結(jié)果可知，穿道里堤鋼閘板樁基礎(chǔ)里程處的地層沉降最大值為8.48mm，發(fā)生在拱頂。道里堤鋼閘板樁基礎(chǔ)頂冠梁處的地層沉降值為4mm，小于盾構(gòu)下穿過(guò)程中的鋼閘板樁基礎(chǔ)允許不均勻沉降值△。根據(jù)GB50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，△=L×0.1%=5000×0.1%=5 mm，其中，L——鋼閘板樁基礎(chǔ)縱向間距，為5m。

2.3.2樁基礎(chǔ)內(nèi)力與變形

1）彎矩

盾構(gòu)下穿引起的鋼閘板樁基礎(chǔ)附加彎矩值為18.77kN·m，遠(yuǎn)小于正常配筋的φ800鉆孔灌注樁樁身承載力，而且鋼閘板樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)控制工況是“只受水平力的樁的水平承載能力”，因此盾構(gòu)下穿引起的鋼閘板樁基礎(chǔ)附加彎矩在樁基礎(chǔ)承載能力范圍內(nèi)。

2）樁基水平變形

太～人區(qū)間下穿道里堤鋼閘板樁基礎(chǔ)里程處的樁基礎(chǔ)水平變形為1.46mm，小于盾構(gòu)下穿過(guò)程中的鋼閘板樁基礎(chǔ)允許變形值。

3）樁基豎向沉降

太～人區(qū)間下穿道里堤鋼閘板樁基礎(chǔ)里程處的樁基礎(chǔ)豎向沉降為3.94mm，小于盾構(gòu)下穿過(guò)程中的鋼閘板樁基礎(chǔ)允許變形值。

根據(jù)上述有限元模擬計(jì)算結(jié)果可知，在地鐵盾構(gòu)區(qū)間正常設(shè)計(jì)、正常施工的條件下，道里堤及其鋼閘板樁基礎(chǔ)豎向沉降值小于堤壩沉降允許值，能保證樁、梁、柱不破壞，鋼閘板能安裝，不需采取專門(mén)的加固措施。

從樁基礎(chǔ)沉降、內(nèi)力與變形結(jié)果來(lái)看，堤頂裝配式活動(dòng)鋼閘板樁基礎(chǔ)不需要采取專門(mén)加固措施，在正常設(shè)計(jì)、正常施工條件下，盾構(gòu)區(qū)間下穿鋼閘板樁基礎(chǔ)對(duì)樁基礎(chǔ)影響很小。

3　盾構(gòu)法穿越道里堤截滲板墻防護(hù)措施

為了使盾構(gòu)法穿越對(duì)堤防及截滲墻影響降至最低，擬對(duì)截滲板墻采取防護(hù)措施，并對(duì)截滲板墻局部破損處進(jìn)行同等補(bǔ)強(qiáng)。按照“道里堤在地鐵區(qū)間隧道施工、使用過(guò)程中防洪、防滲功能不削弱，大堤主體結(jié)構(gòu)整體完好，局部破損需補(bǔ)強(qiáng)?！钡脑O(shè)計(jì)原則，采取的防護(hù)措施應(yīng)能提供既有防滲板墻局部破損后的防滲功能，能控制既有防滲板墻的破損范圍，能為盾構(gòu)施工提供良好的工作條件，根據(jù)上述要求，制定了以下防護(hù)措施。

1）新增防滲墻

根據(jù)盾構(gòu)施工工藝特點(diǎn)，盾構(gòu)機(jī)頭在鉆穿既有防滲板墻的過(guò)程中，防滲板墻局部失去防滲能力，形成地下水滲流路徑。盾構(gòu)機(jī)頭通過(guò)后，在預(yù)制拼裝的隧道管片外側(cè)與周圍地層、防滲板墻之間的空隙用水泥砂漿填充，既可補(bǔ)充土層，防止沉降，又可封堵水的滲流通路。因此，正常情況下盾構(gòu)施工對(duì)防滲板墻的削弱發(fā)生在盾構(gòu)機(jī)頭鉆穿墻體的過(guò)程中，通過(guò)后可恢復(fù)墻體抗?jié)B能力。

鑒于此，在既有防滲墻兩側(cè)各5m處及垂直方向新增一道防滲墻，形成10m×10m的圍合空間，盾構(gòu)機(jī)頭長(zhǎng)約9m，能將其完全圍合其內(nèi)，保證盾構(gòu)機(jī)不同時(shí)跨越3道防滲墻（1道既有，2道新增）。

盾構(gòu)機(jī)首先鉆越第一道新增防滲墻，此時(shí)既有防滲墻未局部破壞，防滲能力不降低；盾構(gòu)機(jī)其次鉆越既有防滲墻，此時(shí)另一側(cè)的新增防滲墻未破壞，防滲能力不降低；盾構(gòu)機(jī)最后鉆越另一側(cè)新增防滲墻，此時(shí)首先鉆越的新增防滲墻與預(yù)制拼裝的管片之間的空隙已用水泥砂漿填充密實(shí)，封閉了地下水滲流路徑，防滲能力仍未降低。綜上所述，增加了兩道防滲墻后，盾構(gòu)機(jī)在鉆穿過(guò)程中，始終保持了道里堤防滲墻的防滲能力不降低。

2）土體加固

盾構(gòu)機(jī)在軟硬不均地層中推進(jìn)，姿態(tài)控制難度極大，在鉆穿既有防滲墻時(shí)，工作面上部是高壓噴射灌漿形成的較高強(qiáng)度墻體，下部是原狀土層，盾構(gòu)機(jī)極易超挖下部土體，產(chǎn)生磕頭現(xiàn)象，造成隧道軸線偏差，擴(kuò)大防滲墻破壞范圍。并且盾構(gòu)機(jī)在鉆穿防滲墻過(guò)程中，為了避免防滲墻在頂推力作用下開(kāi)裂、折斷，需要在防滲墻背后提供強(qiáng)有力的后靠背支撐。因此，對(duì)防滲墻10m×10m的圍合空間內(nèi)部土體進(jìn)行加固。加固后土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1MPa。加固深度范圍為隧洞下方1.0 m至隧洞上方3.0m，加固體總高度不小于10m。

土體加固可采用化學(xué)注漿、高壓噴灌、水泥土攪拌等工藝，鑒于圍合空間內(nèi)土體加固的目的僅是提高強(qiáng)度，不需要隔水抗?jié)B，對(duì)加固體的均勻性要求不高，因此采用工藝成熟、造價(jià)低的袖閥管注漿工藝。

3）盾構(gòu)施工措施

1）在盾構(gòu)到達(dá)防滲墻前，降低推進(jìn)速度，嚴(yán)格控制盾構(gòu)方向，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，確保盾構(gòu)機(jī)的平穩(wěn)穿越。

2）盾構(gòu)施工過(guò)程中，采用同步注漿工藝，確保漿液填充滿盾尾管片與加固后土體間的建筑空隙。

3）盾構(gòu)通過(guò)后，為防止后期沉降產(chǎn)生空隙，進(jìn)行二次注漿，將管片與地層的空隙填滿，切掉滲流路徑。

4　工程穿越道里堤截滲板墻后滲流計(jì)算分析

對(duì)2號(hào)線一期工程穿越道里堤防后進(jìn)行滲流和抗滑穩(wěn)定計(jì)算，穿越后道里堤截滲板墻橫截面包括截滲板墻（截掉4.38m）及隧洞斷面組成。

4.1計(jì)算內(nèi)容

對(duì)軌道交通2號(hào)線一期工程與右岸道里堤交叉處堤防斷面進(jìn)行2號(hào)線一期工程穿越前后滲流和抗滑穩(wěn)定計(jì)算。穩(wěn)定計(jì)算包括設(shè)計(jì)洪水位下背水側(cè)堤坡和設(shè)計(jì)洪水位驟降期臨水側(cè)堤坡兩種情況。

4.2計(jì)算結(jié)果

1）滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算成果

水位組合考慮臨水側(cè)為堤防設(shè)計(jì)洪水位，背水側(cè)為地下水位。滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1　右岸道里堤滲透計(jì)算成果

在100年一遇洪水穩(wěn)定滲流期，2號(hào)線一期工程穿越后，由于工程實(shí)施后截滲墻與隧洞共同防滲，因此單寬滲流量有所減?。挥捎诘袒杆詼p弱，浸潤(rùn)線比穿越前略有抬高，堤肩樁柱梁位置處抬高約0.25m；堤防滲流場(chǎng)水力坡降和水頭損失主要集中在滲透系數(shù)小的粘土層和防滲板墻內(nèi)；在防滲板墻底部有集中繞流現(xiàn)象。

由表2計(jì)算結(jié)果可知，哈爾濱市軌道交通2號(hào)線一期工程穿越松花江段，100年一遇堤防設(shè)計(jì)洪水時(shí)，穿越右岸道里堤后堤防背水面滲流出口比降0.027，稍大于穿越前0.025，但均小于允許比降0.08，堤防滲透穩(wěn)定滿足要求。

2）抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

計(jì)算工況考慮正常運(yùn)用條件下，計(jì)算內(nèi)容為設(shè)計(jì)洪水位下穩(wěn)定滲流期背水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定和設(shè)計(jì)洪水位驟降期臨水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定，計(jì)算公式分別為有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法。設(shè)計(jì)洪水位驟降情況，為偏于安全，堤身浸潤(rùn)線采用設(shè)計(jì)洪水位情況下的浸潤(rùn)線?？够€(wěn)定計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2　右岸道里堤抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

由表2計(jì)算結(jié)果可知，100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，穿越后右岸道里堤防背水面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均為5.08，大于允許安全系數(shù)1.30，堤防抗滑穩(wěn)定滿足要求。

5　結(jié)論

1）道里堤鋼閘板樁基礎(chǔ)頂冠梁處的地層沉降值為4mm，小于盾構(gòu)下穿過(guò)程中的鋼閘板樁基礎(chǔ)允許不均勻沉降值5mm，說(shuō)明樁基礎(chǔ)不需要采取專門(mén)加固措施，正常設(shè)計(jì)、正常施工條件下，盾構(gòu)法穿越對(duì)鋼閘板樁基礎(chǔ)影響很小。

2）滲透穩(wěn)定及抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明在采用防護(hù)措施后，100年一遇堤防設(shè)計(jì)洪水時(shí)，堤防滲透穩(wěn)定滿足要求，100年一遇堤防設(shè)計(jì)洪水時(shí)、100年一遇設(shè)計(jì)洪水驟降時(shí)，堤防抗滑穩(wěn)定滿足要求。

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1002－0624（2015）10－0047－02