盾構(gòu)隧道下穿河道及側(cè)穿橋樁方案設(shè)計(jì)

韓悅 HAN Yue

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510000）

0 引言

近年來(lái)，隨著城市地鐵的快速發(fā)展，地鐵隧道下穿河道及側(cè)穿橋樁的風(fēng)險(xiǎn)工程增多。盾構(gòu)隧道的施工對(duì)土層的擾動(dòng)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(qū)地層性質(zhì)不同的情況下對(duì)于盾構(gòu)施工的沉降及變形影響程度不同，盾構(gòu)隧道穿越河道及橋梁的距離把控及風(fēng)險(xiǎn)源加固、施工措施是一個(gè)值得深入研究的課題。本文以北京地鐵17 清河營(yíng)站～天通苑東站區(qū)間下穿清河及側(cè)穿清河橋樁為例，通過(guò)數(shù)值分析手段與施工后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證盾構(gòu)隧道穿越河道及橋樁方案，提出有效的盾構(gòu)區(qū)間下穿河道及側(cè)穿橋樁設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

北京地鐵17 號(hào)線清河營(yíng)站～天通苑東站區(qū)間為盾構(gòu)區(qū)間，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)外徑6.4m，盾構(gòu)區(qū)間于右線里程YK41+091.427～YK41+194.820 范圍內(nèi)下穿清河及側(cè)穿清河橋橋樁。

清河的基本概況：

根據(jù)1999 年編制的《清河治理工程規(guī)劃》，清河在擬建地鐵17 號(hào)線處，規(guī)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(guī)劃河底寬70m，邊坡系數(shù)為2，糙率為0.022，縱坡為0.0003，規(guī)劃河道上口寬為92m。該處規(guī)劃河底高程為25.57m。規(guī)劃河道兩側(cè)綠化隔離帶寬均為70m，區(qū)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(guī)劃河道斜角角度為89.693°。橋梁全長(zhǎng)4*23.5+10=104m。橋面全寬48.5m，兩側(cè)人行步道各寬4.5m，非機(jī)動(dòng)車道各寬3.5m，機(jī)動(dòng)車道16m+15m，中央隔離帶1.5m。

1.1 上部結(jié)構(gòu)

橋梁上部結(jié)構(gòu)為四孔預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T 梁及一孔預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板，橋梁全長(zhǎng)4×23.5+10=104m，橋?qū)?8.5m，橋梁總面積5044 平米。簡(jiǎn)支T 梁及簡(jiǎn)支空心板主梁工廠預(yù)制并采用后張法預(yù)應(yīng)力，四孔簡(jiǎn)支T 梁設(shè)置橋面連續(xù)。

簡(jiǎn)支T 梁跨徑23.5m，梁高1.50m，半幅橋設(shè)置14 片T 梁。

簡(jiǎn)支空心板跨徑10m，梁高0.70m，半幅橋設(shè)置19 片空心板。

1.2 下部結(jié)構(gòu)

0# 邊墩為現(xiàn)澆鋼筋混凝土蓋梁，下接1.2m鉆孔灌注樁。

1～3#中墩采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，每個(gè)蓋梁下接2 個(gè)2m×1.2m 墩柱，墩柱下接四樁承臺(tái)，鉆孔灌注樁直徑1.2m，樁長(zhǎng)25m。

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

5#邊墩為現(xiàn)澆鋼筋混凝土蓋梁，下接1.2m 鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)30m。

4#、5#墩跨北側(cè)巡河路設(shè)置樁間擋墻作為北側(cè)巡河路兩側(cè)擋墻使用。

1.3 附屬結(jié)構(gòu)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(cè)采用6m 長(zhǎng)鋼筋混凝土橋頭搭板。

④簡(jiǎn)支T 梁在端橫隔板與蓋梁上設(shè)置抗震銷設(shè)施，空心板采用鉸縫抗震錨栓設(shè)施。

區(qū)間側(cè)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(xì)砂（2.6m 厚）、③1④⑥粉質(zhì)黏土、④2⑥2粉土、⑦2粉細(xì)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(zhì)粘土層，隧道穿越橋樁位置位于粉質(zhì)粘土夾雜1m 厚砂質(zhì)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(guān)系及地層見(jiàn)圖1。由于盾構(gòu)隧道頂部有5.33m 的粉質(zhì)黏土，本工程考慮徑向注漿易穿透粉質(zhì)黏土隔水層造成清河與隧道間水流路徑連通，增加盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，不采用徑向注漿的加固方式。

圖1 下穿區(qū)域剖面位置關(guān)系圖

2 重難點(diǎn)分析及研究意義

①本工程為典型的盾構(gòu)垂直穿越河道工程，盾構(gòu)隧道與河底凈距為10.32m（1.5 倍盾構(gòu)直徑），且考慮隧道與河底間存在5.3m 粉質(zhì)黏土隔水層未采取盾構(gòu)穿越后的常規(guī)二次徑向注漿加固措施，對(duì)今后類似工程具有較強(qiáng)的借鑒意義；②盾構(gòu)穿越河道同時(shí)近距離穿越橋樁且區(qū)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(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中變形控制要求很高。

3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及變形控制標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《北京市城市軌道交通土建工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)范》規(guī)定清河營(yíng)站～天通苑東站區(qū)間下穿清河及側(cè)穿清河橋橋樁風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)合規(guī)范要求確定具體控制值如下：①預(yù)應(yīng)力砼簡(jiǎn)支梁相鄰墩柱豎向（縱向）不均勻沉降控制值為10mm；②中墩預(yù)應(yīng)力蓋梁橫橋向相鄰基礎(chǔ)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(chǔ)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(shù)值分析

4.1 技術(shù)措施

因土層應(yīng)力釋放所產(chǎn)生變形的施工控制要點(diǎn)：①盾構(gòu)面板開(kāi)口處土倉(cāng)壓力小于前方土體壓力時(shí)土層中發(fā)生的應(yīng)力釋放；②曲線地段盾構(gòu)機(jī)超挖引起的應(yīng)力釋放；③盾尾間隙在同步注漿不及時(shí)或注漿量不足所引起的應(yīng)力釋放。

本工程采用的技術(shù)措施：

①穿越前認(rèn)真對(duì)刀盤、注漿系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、推進(jìn)千斤頂及監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備檢查，調(diào)整并確保盾構(gòu)機(jī)性能良好，嚴(yán)格保證盾構(gòu)勻速、連續(xù)穿越風(fēng)險(xiǎn)源區(qū)域，確保盾構(gòu)機(jī)在風(fēng)險(xiǎn)源區(qū)域范圍內(nèi)不停機(jī)；兩臺(tái)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)間至少錯(cuò)開(kāi)一個(gè)月，保證左線通過(guò)沉降穩(wěn)定后，方可進(jìn)行右線下穿。②下穿期間應(yīng)保證盾尾密封有效，避免發(fā)生因盾尾漏漿而導(dǎo)致實(shí)際注漿量減小的情況；及時(shí)進(jìn)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(fā)泡劑、膨潤(rùn)土等潤(rùn)滑劑，進(jìn)行土體改良，減少刀盤所受扭矩，降低對(duì)土體的擾動(dòng)，嚴(yán)格管理土壓。④及時(shí)布設(shè)測(cè)點(diǎn)，穿越過(guò)程中加強(qiáng)道路監(jiān)控量測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。施工前，施工單位應(yīng)制定針對(duì)性應(yīng)急預(yù)案。⑤在盾構(gòu)施工過(guò)程中，建立完善的監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)全面的跟蹤監(jiān)測(cè)，實(shí)行信息化施工，密切關(guān)注區(qū)間施工對(duì)框架橋的影響，必要時(shí)采取其他應(yīng)急措施。⑥下穿前設(shè)置試驗(yàn)段，摸索出相同地層盾構(gòu)順利掘進(jìn)的各項(xiàng)參數(shù)；總結(jié)試驗(yàn)段的土倉(cāng)壓力、推進(jìn)速度、出土量，注漿壓力和注漿量等參數(shù)，優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，以便指導(dǎo)盾構(gòu)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(fēng)險(xiǎn)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(jì)算分析

計(jì)算采用Midas GTS NX 分析軟件建立三維有限元模型進(jìn)行分析（見(jiàn)圖2），采用修正的Mohr-Coulumb 本構(gòu)模型先右線后左線盾構(gòu)穿越清河及清河橋的順序模擬施工步序，計(jì)算中的參數(shù)均取自地勘報(bào)告，但由于地勘報(bào)告提供的是側(cè)限壓縮模量，按規(guī)范的規(guī)定，在地基變形驗(yàn)算中要用的是壓縮模量Es，但因Es 是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取原狀土進(jìn)行試驗(yàn)的，這對(duì)于粘性土來(lái)說(shuō)很容易做到，但對(duì)于一些砂土和礫石土等粘聚力較小的土來(lái)說(shuō)，取原狀土是很困難的，很容易散掉，因此對(duì)砂土的礫石土通常都是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)得到Eo，所以在地堪報(bào)告上，對(duì)于砂土的礫石土一般都僅給出Eo，即使給出Es，也是根據(jù)Eo 換算來(lái)的，而不是試驗(yàn)直接得出的。

圖2 計(jì)算模型

模擬計(jì)算的三軸割線模量由變形模量Ei 換算得到，首先需根據(jù)公式轉(zhuǎn)換成靜力狀態(tài)下的變形模量，再根據(jù)割線模量計(jì)算公式得到三軸割線模量。

在采用修正莫爾庫(kù)倫準(zhǔn)則時(shí)還需要確定卸載模量，根據(jù)《Midas GTS NX 手冊(cè)》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(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 計(jì)算結(jié)果

①預(yù)應(yīng)力砼簡(jiǎn)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(yù)應(yīng)力蓋梁橫橋向相鄰基礎(chǔ)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(chǔ)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(biāo)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(jiān)測(cè)結(jié)果

①預(yù)應(yīng)力砼簡(jiǎn)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(yù)應(yīng)力蓋梁橫橋向相鄰基礎(chǔ)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(chǔ)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(biāo)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(jié)語(yǔ)

在地層較好地區(qū)盾構(gòu)隧道穿越河道及橋樁的設(shè)計(jì)中，可不采用洞內(nèi)徑向注漿加固措施控制盾構(gòu)施工引起的地面沉降及鐵路橋變形，必要時(shí)采用盾尾同步注入克泥效與水玻璃雙液漿措施?？捎行Э刂贫軜?gòu)掘進(jìn)施工對(duì)河道及橋梁變形的影響。