地铁隧道施工对既有桥梁变形控制技术研究

王博，张保圆

(1.宁夏建设职业技术学院，银川 750021;2.中铁十二局第二工程公司，太原 030024)

地铁隧道施工对既有桥梁变形控制技术研究

王博1，张保圆2

(1.宁夏建设职业技术学院，银川 750021;2.中铁十二局第二工程公司，太原 030024)

以西安地铁二号线十五标段穿越长安立交桥段区间隧道为依托，采取理论分析、现场监测与数值模拟相结合的方法，对城市浅埋暗挖隧道施工对既有桥梁的变形控制技术进行了研究，针对实际工程提出了合理的控制桥梁变形的措施。

暗挖区间隧道 桥基变形 FLAC模拟 控制技术

城市地铁的大量修建必然受到城市既有建筑环境的制约，导致许多新建的地铁线只能沿着既有立交桥路线延伸，交织穿行于立交桥的基础桩群之间。如何在当前的地铁区间隧道建设中保证隧道上方桥梁、房屋等建筑的安全和正常使用，已经成为一个十分重要的问题。开展浅埋地铁区间隧道暗挖施工对既有桥梁的变形控制技术的研究，可以为地铁区间开挖过程中邻近建筑物的安全使用提供科学依据，具有重要的工程应用价值。

1 工程背景

西安地铁二号线区间隧道左、右线在YDK16+ 610—YDK16+690段长80 m下穿长安路立交桥，隧道开挖拱顶距桥梁主跨基础底面为7.21～7.94 m。

长安立交桥桥面总宽51.5 m(包括护栏)。基础为扩大基础，下采用1.5 m厚片石混凝土处理。根据已收集到南二环立交桥的竣工资料，初步估算基底承载力为140 kPa。长安立交桥建于1994年，由于地裂缝的活动及人为过量开采地下水的影响，长安立交桥已经发生了不均匀沉降且变形明显，最大处梁体错台已达到22 cm，基本接近危桥状态。

拟建区间场地位于黄土梁洼区，地表分布有厚薄不等的全新统人工填土();其下为上更新统风积()新黄土及残积()古土壤;第一层古土壤下部在黄土梁区为中更新统风积()老黄土、残积()古土壤及冲积()粉质黏土、砂土等，在洼地区为上更新统冲积()粉质黏土、砂土及中更新统冲积()粉质黏土、砂土等地层。

本区间地下水埋深介于6.70～10.90 m，地下水高程介于401.35～405.21 m之间。

2 开挖施工方案的FLAC模拟优化设计

本文运用FLAC模拟了两种可行的地铁隧道开挖施工方案，最后确定可以有效控制桥基变形的隧道施工方案。

长安立交桥区间为双线双洞隧道，线间距15.0 m，大部分为直线段。区间隧道为五心圆结构，隧道在开挖前采用小导管周壁预注浆，初期支护与二衬背后进行回填注浆。

拟建隧道拱顶距桥梁基础约6.3 m，对长安立交桥区间设置长管棚并对其进行注浆。本文主要对长管棚的设置与否进行对比分析。

2.1 模型的建立

隧道开挖(矿山法)施工采用短台阶法开挖，隧道高6 500 mm，宽6 280 mm，隧道左线中线与隧道右线中线相距15 m，拱顶距地表9.718 m。本文选取隧道1－1断面进行模拟，选取段如图1所示，选取50 m×1 m×27.5 m(长×宽×高)的区域建立FLAC计算模型(图2)，模型产生单元数9 408，节点数12 848。

2.2 开挖模拟

本文应用壳体单元模拟超前支护的作用，以衬砌单元模拟初期支护的作用，应用锚杆结构单元模拟锚杆的作用。模型建立完成之后，进行开挖计算。计算模型模拟过程分为五个步骤进行:①初始地应力计算;②隧道超前支护;③进行上部开挖;④施作初期复合式衬砌;⑤下部开挖并施作下部初期复合式衬砌。

模拟过程与施工过程同步，长管棚设置超前小导管注浆，进行简化模拟，方法是长管棚打设及管棚注浆简化壳体单元，壳体单元厚度为2倍长管棚注浆扩散半径，同时将管棚的弹性模量折算给壳体单元，管棚的作用采用等效方法予以考虑，计算方法为

图1 模拟断面在隧道中的位置

式中，E为折算后壳体单元的弹性模量;E0为原壳体单元弹性模量;Eg为管棚的弹性模量;Sg为管棚支护等效截面面积;Sc为支护断面的截面面积。

超前小导管注浆主要简化方法为增大超前小导管周围土体的参数。

2.3 计算结果分析

图3给出了无超前预支护条件下，隧道开挖时地层的竖向位移云图。此工况中对地层未进行超前管棚注浆及超前小导管注浆，土层性状未改变，隧道周围土层抗压及黏结强度较低;上部隧道开挖后，拱顶沉降最大421 mm，桥基沉降最大值达到200 mm，均大大超过拱顶沉降及桥基沉降允许值。

图4给出了超前预支护条件下，隧道开挖时地层竖向位移云图。由于对开挖隧道上拱进行了大管棚的设置，以及超前注浆小导管的设置，地层的变化最大值较图3地层变化最大值为小。图4中隧道拱顶部位产生一个小面积的局部大变形(拱顶沉降)，最大值为40 mm，地表的沉降槽宽度大约为25 m，桥基沉降最大为13 mm;下拱隆起较小;桥基不均匀沉降未超过5 mm，满足桥梁不返修的条件。

图3 隧道无超前预支护开挖竖向位移云图(单位:m)

图4 隧道超前支护后上部开挖竖向位移云图(单位:m)

图5 隧道超前支护后下部开挖竖向位移云图(单位:m)

从图5可以看出，隧道围岩在下台阶开挖第二次扰动后，隧道上部桥基产生的竖向位移云图形状未发生大的变化，位移变化区间变为－20～－10 mm和－10～0 mm两个位移区间，地表的沉降槽宽度增加为31 m;隧道拱顶部位的局部大变形面积扩大，竖向变形值为－40～－20 mm;桥基不均匀沉降最大值为4.3 mm，满足桥梁不返修的要求。

FLAC计算表明，上下台阶法施工开挖完成后，桥基最大竖向位移为13 mm，同一个桥基不均匀沉降最大值为4.3 mm，拱顶沉降最大值为41 mm，基本符合沉降允许值。

经过以上数值模拟数据的分析，最后确定施作大管棚加超前小导管注浆后上下分步开挖作为施工方案。

3 桥基变形控制措施

3.1 超前大管棚设计

1)设计参数

管棚打设范围80 m;采用φ159×8 mm钢管;间距(沿区间隧道拱部轮廓外)400 mm。

2)施工工艺

管棚采用湿钻法，即膨润土泥浆护壁水钻法跟管钻进，钢管安装和钻机进尺是同一过程。钻头采用与钻管等径的楔型钻头，楔板回转半径略大于钻管半径，钻头前端有φ10～15 mm的风眼，当钻头正常回转钻进时钻管沿直线前进。当钻头由于某种原因偏离预定轨迹某一方向时，则需要纠偏。纠偏方法是把钻头楔面调至已经偏斜的方向，钻机停止回转加力顶进，由于斜面的作用钻头就会向相反的方向偏斜，以此调整钻进的方向。

3)注浆参数设计

大管棚注浆采用水泥浆，水灰比为1∶0.8，注浆量根据钢管内和钢管外的环状间隙计算，然后看地层渗漏情况确定每一根钢管的注浆量。注浆要求管内排出水泥浆后，关闭排浆阀，泵压控制在0.8～1.2 MPa以内停止注浆，停15～30 min进行二次补浆。

3.2 超前小导管注浆注浆设计

1)施工工艺

为改良工作面前方地层，保证开挖工作面的稳定，隧道开挖时须采用超前小导管注浆加固地层。在一般土层超前小导管采用外径φ42×3.5 mm焊接钢管;小导管根据格栅间距一榀或两榀打设一次，沿隧道纵向搭接长度为1 m，环向间距300 mm;如遇到特殊地层，可根据现场情况一榀打设一次。

2)打设范围

起拱线以上范围;若全断面为砂层则应根据现场情况扩大打设范围，保证工作面稳定。

3)小导管浆液材料

一般情况下采用改性水玻璃，有水情况下采用水泥-水玻璃双液浆。注浆量、配比、注浆压力根据现场试验确定，要求注浆扩散半径不小于0.25 m。

4 桥基变形监测

列出桥基沉降JQ1系列监测点累积沉降变形曲线如图6。

JQ1各点变形规律分析。

JQ1-4:前期变化不稳定，但保持在4～5 mm之间，7月20日以后变形稳定在7 mm左右。

JQ1-7:前期变化同JQ1-4监测点基本吻合，两个点处于同一桥桩承台上，两点沉降差未超过5 mm，变形处于安全范围内。

JQ1-8:变形曲线于7月25日后渐趋稳定，最大变形稳定在8 mm左右。

图6 JQ1系列监测点累积沉降变形曲线(单位:mm)

JQ1-11:变形曲线与JQ1-8曲线基本并行，与JQ1-8监测点沉降差基本保持在5 mm，变形稳定在安全范围内。

区间隧道监测数据与模拟数据对比，发现实际桥基累计沉降量略大于数值模拟中桥基沉降最大值;洞顶沉降与洞内收敛值，实际监测数据小于数值模拟值;说明FLAC计算的模型正确，结果可信并满足施工要求。

5 结论

以西安二号线十五标段区间隧道为实际工程背景，对所研究的区间隧道的结构特点及施工难点进行了分析。将上下台阶法无超前预支护与上下台阶法施作大管棚加超前注浆小导管，作为拟采用的两种隧道开挖施工方案，运用FLAC方法对两种隧道开挖施工过程进行了模拟，预测了两种施工方案引起桥基变形规律。

根据FLAC计算预测得到的桥基变形规律，建议了施作大管棚加超前小导管注浆和格栅钢架的联合施工方法，为区间隧道施工期间控制既有长安立交桥变形的施工方案。监测数据表明该方案合理可行，为今后此类隧道施工提供了参考。

［1］李强，王明年，李德才，等.地铁车站暗挖隧道施工对既有桩基的影响［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(l):184-190.

［2］吴波，刘维宁，索晓明，等.城市地铁施工对近邻中长桩桥基的影响研究［J］.岩土工程界，2005，12(8):48-50.

［3］夏炜洋，何川，葛蔚敏，等.成都地铁一号线盾构机下穿万福桥数值模拟分析［J］.铁道建筑，2009(4):46-48.

［4］李永盛，黄海鹰.盾构推进对相邻桩体力学影响的实用计算方法［J］.同济大学学报，1997，25(3):274-280.

TU94+1;U456.3+1

B

1003-1995(2011)02-0064-03

2010-08-03;

2010-10-13

王博(1984—)，男，宁夏银川人，助教，硕士。

(责任审编 孟庆伶)