地铁盾构隧道下穿重力式墩桥施工措施及影响分析

李永利 赵旭伟 周冠南 王春凯

(1.中铁上海设计院集团有限公司,200070,上海;2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,200092,上海∥第一作者,教授级高工)

在城市地铁工程的修建中,盾构法隧道施工技术以其独有的智能化、安全、快捷、地层适用性广等特点与优势,越来越多地得到推广和应用[1]。虽然盾构法取得了斐然成绩,但此法施工时不可避免地会引起地表沉降;若地表沉降过大,就会影响到盾构隧道的安全施工和地表建筑物的正常使用[2]。

盾构穿越桥梁、河流,是地铁施工的关键性技术。文献[3]等通过对实测数据的分析,总结了软土地区盾构隧道下穿铁路的沉降规律。文献[4]分析了盾构隧道下穿铁路的施工风险,提出分区注浆旋喷加固以减少铁路轨道变形、降低轨下动应力的方法。

成都地铁1号线下穿府南河和河上的万福桥,过河段的河床覆土厚度变化大,地下水丰富,且水位压力大;同时地铁隧道线路处于缓和曲线地段,纵断面为13‰的下坡,使盾构姿态很难控制,容易发生不可控的超挖现象。由于土层上软下硬,盾构掘进受力不均匀,对刀盘、刀具磨损较大。刀盘旋转切削时,地层的相对稳定或平衡状态很容易被破坏而造成坍塌,引起较大的围岩扰动,使开挖面和洞壁失去稳定,严重时可能危及既有桥梁上部结构的安全。因此,如何控制施工扰动、防止地表沉降、保证开挖面稳定、避免发生涌水、防止刀具刀盘发生非正常磨损等,是施工需要解决的关键问题。本文结合以往施工经验,对掘进参数通过数值模拟并参照具体的地质条件进行了分析论证,提出了成都地铁盾构隧道下穿桥梁、河流的施工技术措施,以供类似工程施工时作参考。

1 工程背景

1.1 盾构穿越情况

成都地铁1号线的隧道盾构区间的左右线隧道在府南河下从既有万福桥上游侧桥梁正下方穿过,左线隧道处于桥梁人行道的正下方,右线隧道处于桥梁主车道的正下方。隧道与桥墩结构的相对位置关系断面图如图1所示。

万福桥在1996年1月至9月进行了改造,改造前基础为条形扩大基础,三层台阶形基础总厚2.96 m,改造后在河床底整体铺设厚0.2 m C15混凝土护底。其桥梁结构为16.80 m+16.81 m+16.83 m三跨预应力空心板简支梁桥,其中桥墩、桥台为整体重力式。

图1 地铁隧道与既有桥墩结构相对关系断面图(单位:m)

1.2 地层特点及以往地面沉降规律

盾构隧道穿越地层为砂卵石层。地铁所穿越的成都独特的砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层,其颗粒之间孔隙大,几乎没有黏聚力,卵石之间点对点传力,地层反应灵敏,盾构周围地层的成拱性差。对以往盾构施工监测数据的统计分析表明,地表沉降主要有以下规律:

1)地表变形主要表现为沉降,基本无隆起。

2)进出洞段地表累计沉降不超过30 mm,区间段地表沉降不超过20 mm。

3)盾构施工期地表沉降主要集中在盾构切口到达与通过后10环以内时间段。该段沉降速率较大,可持续2到3天,沉降速度到达4～6 mm/d。

4)盾构施工形成的横向沉降槽宽度较小,地表沉降集中在盾构隧道正上方2.5 D～3.0 D范围内(D为盾构外直径)。

2 数值模拟

2.1 计算模型

数值模拟计算采用岩土工程软件PLAXIS,几何对象采用平面应变模型,有限元网格基于15节点单元。计算土层区域横向为60 m,纵向为35 m(根据以往工程经验,此范围能够满足工程研究需要)。土体采用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则。隧道管片与土体相互作用通过设置古德曼接触面单元并选取虚拟厚度因子及强度折减因子模拟。模型底部施加完全固定约束,两侧施加竖直滑动约束,表面取为自由边界。隧道外径为6.0 m,内径为5.4 m,隧顶覆土厚11.49 m。桥墩基础采用线弹性模型,使用板单元包络混凝土的方式进行模拟。土体与桥墩接触通过设置界面单元进行模拟,板单元和土体之间相互作用的摩擦力通过设定界面强度折减因子(Rinter)的值来模拟。计算参数如表1、2所示。

表1 土层参数

表2 结构物参数

选取隧道与1号桥墩横剖面(沿河道方向)为研究断面并建立有限元模型。其断面共分为5个土层,盾构所在地层为3-7-1、4-4-1层。计算网格有限元模型如图2所示。

图2 计算网格有限元模型

2.2 模拟计算结果

2.2.1 隧道周围土体加固后的模拟计算结果

按照实际施工情况,河道水位按降水后水深0.5 m考虑。按成都地铁设计文件要求,地铁隧道轮廓线外3 m为注浆加固区域。有限元模型考虑加固土体的影响,加固部分采用置换土层参数方式模拟,仍采用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则。增大注浆量通过调整隧道收缩率控制。

2.2.1.1 地铁隧道开挖后的整体变形

根据实际施工部署,盾构隧道右线先开挖,而后开挖左线。隧道开挖引起的整体变形如图3所示。

图3 地铁隧道开挖后的整体变形图(变形扩大100倍)

由图3可见,盾构掘进引起地面沉降变形,使桥墩下沉,左侧墩角处地表沉降明显,整体最大沉降15.6 mm。

2.2.1.2 地铁隧道开挖后的整体竖向位移云图

地铁隧道开挖后的整体竖向位移云图见图4所示。由图4可以很明显地看出,隧道开挖对拱顶土体及桥墩左侧墩角区域土体的扰动较大,变形较明显。有限元模拟竖向最大沉降发生在隧道拱顶区域,沉降值为14.95 mm。

图4 地铁隧道开挖后的整体竖向位移云图

2.2.1.3 结构物变形

由图5可见,桥梁向隧道一侧变形。由于盾构隧道下穿桥梁,故引起的水平变形较小而竖向变形较大。桥梁的最大水平变形为2.4 mm,最大竖向变形为 9.34 mm,且最大竖向位移发生在墩角位置。

图5 结构物变形图

2.2.1.4 数值模拟隧道拱顶竖向位移曲线

由图6可以看出,隧道拱顶竖向位移曲线在隧道推进区域比较有规律,沉降槽明显;在拱顶位置的沉降值最大,左侧隧道开挖后对地层扰动较大,引起的地表沉降最大值为14.95 mm;两隧道的中间区域沉降较小,为4 mm左右,沉降值沿地表方向逐渐消散,可见加固措施明显。数值模拟结果表明,地铁盾构推进引起的地表沉降在安全范围之内。

图6 隧道拱顶竖向位移曲线

2.2.2 隧道周围土体不加固时的模拟计算结果

建立盾构隧道周围土体不采取加固、增大注浆量等措施的数值计算模型,以比较加固前后土体及结构物的沉降差异。不加固时的数值模拟计算结果如图 7、8、9所示 。

由图7可以看出,未采取加固措施时盾构掘进对土体的扰动范围更大,特别是左侧隧道,对桥梁稳定性的影响很大,扰动影响范围更广;隧道拱顶土体最大竖向沉降值为38.72 mm。

由图8可以看出,不采取增大注浆量、加固土体等施工辅助措施时盾构通过对桥梁影响远大于加固后。其中桥梁最大竖向变形为35.86 mm,是加固后的3.5倍;最大水平变形为6.33 mm,是加固后的2倍。

比照图9、6加固前后拱顶位移曲线,同样可以看出,不加固时沉降槽更深,横向影响宽度更广,横向影响宽度接近80 m。

图7 不加固时隧道开挖后的整体竖向位移云图

图8 不加固时结构物变形图

图9 不加固时的隧道拱顶位移曲线

3 施工方案

3.1 施工辅助措施

根据以往施工经验及数值模拟结果,采用加固土体、超前降水等施工辅助措施可有效降低盾构掘进对周围环境的影响。

1)加固土体:沿地铁线路方向加固长度为58.4 m,横向加固宽度为25.0 m,竖向加固7.82 m(见图1)。采用袖阀管注浆形式进行加固。

2)补偿地层损失的超前降水:为主动补偿地层损失和应急救援可能出现的各种险情,在地铁盾构下穿万福桥前,将河道水深从2.8 m降低至0.5 m。

3)地铁盾构在过河前30 m处停机检查设备刀具情况,以确保能不停机连续通过河道;过河段每次纠偏不准超过±20 mm;做好盾尾密封压注工作;提高二级螺旋的防喷涌性能;做好施工监测及紧急情况的救援预案。

3.2 施工参数选择

1)盾构总推力控制在9 000～12 000 kN,刀盘扭矩为3 000～5 000 kN·m,推进速度控制在30～40 mm/min,土仓压力为 0.07～0.09 MPa,刀盘转速为1.1～1.3 r/min。

2)4根泡沫注管的注入压力控制在0.15 MPa以下,单管流量控制在150 L/min。若地表或河床有泡沫剂流出,则及时调整泡沫注入参数。

3)同步注浆选择可硬性浆液,注浆量保证在9.0 m3/环以上,同时保证1、2号同步注浆管的压力为0.15 MPa,3、4号同步注浆管压力为0.25 MPa。采用注浆压力和注浆量双控。

3.3 实测数据

施工中进行了桥梁裂缝、倾斜位移和沉降量的监测,万福桥桥面沉降最大值为-2.79 mm,沉降速率为-0.31 mm/d(亦为桥面沉降速率最大值);桥帽梁沉降最大值为-5.99 mm,沉降速率为-0.43 mm/d;桥墩台沉降最大值为-8.10 mm,沉降速率为-0.34 mm/d。地铁盾构下穿桥墩掘进期间对位移与倾斜的监测共进行29次,设监测点8个。监测结果表明:水平方向累计偏移量的最大值为-1.2 mm,竖向累计沉降量的最大值为-1.2 mm。对桥梁伸缩缝共测量6次,设监测点4个(位于东西两侧人行道上),经监测无明显变化。沉降实测值满足安全要求,且均小于数值模拟的结果。原因是有限元模拟并没有考虑地面跟踪注浆措施的效果,故其结果较实际的沉降值大。

4 结语

1)数值模拟结果表明,盾构下穿万福桥、府南河所采取的加固土体、增大注浆量、降水等施工控制措施的效果明显,土体沉降得到有效控制。

2)地铁隧道开挖对拱顶土体及桥梁左侧墩角区域的土体扰动较大,沉降明显。桥梁向隧道开挖一侧产生一定变形,其水平变形较小,竖向变形较大。

3)不采取任何加固措施时盾构通过引起的水平位移及竖向沉降远大于采取加固措施时的相应沉降量,对土体的扰动区域也会更广,若产生不可控的故障停机、超挖、姿态偏移等,将会引起施工风险。

4)实地监测数据表明,盾构下穿万福桥、府南河时所采取的一系列施工措施的效果明显,其施工参数可供今后类似工程参考。

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