軟弱濱水地層盾構(gòu)隧道近穿路橋變形控制與機(jī)理分析

張曉麗 羅章波 郭璇

1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京 102600； 2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044

盾構(gòu)隧道工程經(jīng)常面臨近穿既有構(gòu)筑物產(chǎn)生的附加變形及其控制問題。

工程界對(duì)軟弱圍巖地層條件下因隧道開挖產(chǎn)生的附加變形問題進(jìn)行了系統(tǒng)理論分析及試驗(yàn)研究。張曉麗［1］研究了淺埋暗挖下穿既有地鐵構(gòu)筑物的關(guān)鍵技術(shù)。陶連金等［2］研究了礦山法隧道下穿既有盾構(gòu)隧道微變形控制技術(shù)。馬棟等［3］針對(duì)柿子園隧道分析圍巖大變形程度、速度、持續(xù)時(shí)間等破壞機(jī)理及形式特征。林峰［4］分析了軟土地區(qū)深基坑開挖對(duì)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(qū)寬度、強(qiáng)度、水平間距的負(fù)相關(guān)關(guān)系。呂昌懷等［5］分析了明挖與盾構(gòu)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(yàn)法研究軟弱圍巖隧道管棚預(yù)支護(hù)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(gòu)筑物的特殊施工技術(shù)。

本文依托一座鐵路盾構(gòu)隧道近穿高速公路的典型工程，進(jìn)行盾構(gòu)下穿高速公路攪拌樁加固路基段加固設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)證和旁穿橋樁的變形控制分析。

1 工程概況及加固設(shè)計(jì)

京津地區(qū)一座鐵路盾構(gòu)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(fù)雜。隧道最大埋深23.00 ~ 25.81 m，最大坡度約22.5‰。盾構(gòu)隧道穿越地層主要為濱海區(qū)粉質(zhì)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(shè)計(jì)采用攪拌樁加固），旁穿高速公路A匝道橋橋墩樁基礎(chǔ)，隧道施工中須要密切關(guān)注設(shè)計(jì)加固措施條件下地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況，計(jì)算樁隧變形控制措施的合理參數(shù)，以滿足工程變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 交叉工程平面位置關(guān)系

分析盾構(gòu)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(duì)比其變形控制參數(shù)。選取測點(diǎn)1用于監(jiān)測濱河地表沉降，測點(diǎn)2用于監(jiān)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(diǎn)3用于監(jiān)測盾構(gòu)旁穿高速公路匝道橋橋墩墩頂位移。各測點(diǎn)斷面如圖2所示。

圖2 各測點(diǎn)斷面（單位：m）

設(shè)計(jì)對(duì)盾構(gòu)隧道管片進(jìn)行深孔注漿和壁后注漿加固，管片注漿孔每環(huán)9孔，上五下四左右對(duì)稱沿襯砌周圈均布。洞內(nèi)深孔注漿每個(gè)注漿區(qū)寬度1.0 m，上五孔設(shè)計(jì)注漿深度3.0 m，下四孔設(shè)計(jì)注漿深度1.5 m。

測點(diǎn)2處［圖2（b）］為盾構(gòu)隧道下穿高速公路的路基加固區(qū)。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(diǎn)3處［圖2（c）］盾構(gòu)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(duì)象為2017年3月～2018年7月于西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院行超聲乳化聯(lián)合IOL植入術(shù)的老年性白內(nèi)障患者44例（44眼），男（26例），女（18例）。納入標(biāo)準(zhǔn)：老年性白內(nèi)障患者（晶狀體核LOCSⅢ分級(jí)Ⅱ～Ⅳ級(jí)）。排除標(biāo)準(zhǔn)：患者有眼部疾病史如糖尿病視網(wǎng)膜病變、青光眼、角膜瘢痕、圓錐角膜、外傷、嚴(yán)重全身疾患、其他眼部手術(shù)史等。研究對(duì)象根據(jù)其術(shù)后透明角膜切口距離角鞏膜緣的實(shí)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(xué)第二附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)審批（審批號(hào)：（2017）倫審-研第（004）號(hào)）。

2 模型計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型

依據(jù)實(shí)際工程尺寸和地層參數(shù)，對(duì)各測點(diǎn)分別進(jìn)行GTS/NX有限元整體建模分析。地層計(jì)算參數(shù)按實(shí)際選取，見表1。

表1 地層計(jì)算參數(shù)

襯砌及注漿加固計(jì)算參數(shù)見表2。水泥攪拌樁和既有橋樁結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

表2 襯砌及注漿加固計(jì)算參數(shù)

表3 樁結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

DG/TJ 08‐2041—2008《地鐵隧道工程盾構(gòu)施工技術(shù)規(guī)范》表8.2.4給出不同覆土深度的盾構(gòu)施工地面變形允許值。該工程盾構(gòu)覆土深度14.3 m時(shí)，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(shí)，Δ = 9.2 mm，δ= 3.1 mm。

JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.7.2條給出樁頂水平位移允許值為10 mm。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 測點(diǎn)豎向位移

各測點(diǎn)豎向位移計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 測點(diǎn)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(nèi)收縮。加固后測點(diǎn)1地表沉降4.6 mm，滿足地表沉降不大于12.1 mm的規(guī)范要求。

由圖3（c）可知：隧道施工產(chǎn)生附加變形，通過主動(dòng)土壓力作用在橋墩基樁，由于既有橋墩基樁的擋土效應(yīng)，襯砌拱肩附近變形最大，仰拱隆起；測點(diǎn)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(gòu)隧道側(cè)穿有無橋墩基樁的襯砌彎矩對(duì)比，變化量可考慮為橋墩基樁的擋土阻斷效應(yīng)，彎矩值約增加了10%。

圖4 襯砌彎矩

盾構(gòu)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(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》11.6.5條的條文說明，一般情況下襯砌結(jié)構(gòu)徑向計(jì)算變形在3‰D~ 4‰D（D為隧道外徑）。由圖3（c）可計(jì)算得，測點(diǎn)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(duì)應(yīng)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(nèi)力

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

圖5 既有橋墩基樁的位移及內(nèi)力

3 隧道施工側(cè)穿樁基的理論分析

3.1 側(cè)穿安全施工最小間距分析模型

大直徑盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有構(gòu)筑物的最小間距需考慮施工產(chǎn)生的附加荷載及樁-隧-圍巖相互作用。盾構(gòu)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(qū)。

圖6 隧道施工影響范圍半分析模型

大直徑盾構(gòu)隧道施工變形的影響區(qū)域主要?jiǎng)澐譃?個(gè)區(qū)域。Ⅰ區(qū)為盾構(gòu)上覆土地層隆沉滑動(dòng)易變形區(qū)，即主要的地層加固設(shè)計(jì)區(qū)，地層隆沉對(duì)地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生主被動(dòng)擠壓力，是變形主控區(qū)。Ⅱ、Ⅳ區(qū)是橋墩基樁和盾構(gòu)襯砌-地層相互作用的影響區(qū)域，決定最小安全施工距離。Ⅱ、Ⅲ、Ⅰ區(qū)變形疊加主要引起沿45° ±φ/2附近滑裂面的錯(cuò)動(dòng)變形。Ⅲ、Ⅴ區(qū)為樁隧系統(tǒng)的約束限位區(qū)及計(jì)算邊界。Ⅱ、Ⅳ區(qū)是隧道施工影響及變形加固的主要波動(dòng)區(qū)。Ⅴ、Ⅳ區(qū)應(yīng)考慮河道水位等水文地質(zhì)影響，將圍巖等級(jí)弱化。1倍洞徑范圍為注漿加固區(qū)，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(shí)需要考慮各區(qū)域荷載和附加變形。圖7中側(cè)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(jìn)行結(jié)構(gòu)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(jìn)行計(jì)算分析，圖8為S/D= 1.0時(shí)盾構(gòu)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(tǒng)的計(jì)算臨界S/D為1.0。

圖8 盾構(gòu)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(duì)比橋墩樁基變形及內(nèi)力變化發(fā)現(xiàn)，在S/D <1.0時(shí)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(diǎn)地表沉降。地表沉降計(jì)算值與區(qū)域地表實(shí)測沉降量［11］（4.8 mm）接近且滿足沉降控制要求，說明了計(jì)算參數(shù)選取合理。

圖9 測點(diǎn)地表沉降

綜上，根據(jù)實(shí)際地勘和幾何參數(shù)計(jì)算分析了盾構(gòu)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(duì)比不同S/D的附加變形，一倍洞徑范圍以內(nèi)為樁隧相互作用的顯著影響范圍，需加強(qiáng)附加荷載和變形監(jiān)測，重視隧道施工的保護(hù)措施。

4 結(jié)論

1）通過盾構(gòu)隧道下穿高速公路路基水泥攪拌樁加固區(qū)、旁穿橋墩基樁等工況計(jì)算分析，驗(yàn)證了地層加固方案和所選參數(shù)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(chǎn)生的地層沉降和基樁頂變形在±10 mm以內(nèi)，均小于規(guī)范限值。

3）針對(duì)軟弱濱水地層盾構(gòu)隧道穿越既有敏感構(gòu)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(gòu)安全施工應(yīng)滿足的最小橋樁與隧道距離和沉降控制分區(qū)的劃分方法。