黄土盾构下穿护城河拱桥FLAC3D预测与施工安全防控技术

曹　振， 杨　锋， 张　宁,3

(1.西安市地下铁道有限责任公司, 陕西 西安　710018； 2.中铁十五局集团有限公司, 上海　200070；

3.西安科技大学, 陕西 西安　710054)



黄土盾构下穿护城河拱桥FLAC3D预测与施工安全防控技术

曹振1， 杨锋2,3， 张宁1,3

(1.西安市地下铁道有限责任公司, 陕西 西安710018； 2.中铁十五局集团有限公司, 上海200070；

3.西安科技大学, 陕西 西安710054)

摘要：黄土地区地铁盾构施工安全防控技术研究具有较高的理论意义与应用价值，位于黄土地区的西安地铁盾构工程具有地表条件复杂、穿越文物和建(构)筑物多等特点。以西安地铁二号线安远门—北大街区间盾构隧道施工下穿护城河拱桥工程为背景，采用FLAC3D数值模拟方法预测了盾构下穿护城河拱桥施工引起的拱桥变形，计算结果表明，在施工前必须对拱桥及下方地层进行加固，才能确保施工过程拱桥安全稳定。提出在拱桥区域内堆载沙袋、在拱桥基础背后进行袖阀管注浆的加固措施，现场实测表明，拱桥变形在允许范围之内，提出的施工安全防控技术合理有效。

关键词：黄土地区； 盾构隧道； 护城河拱桥； 数值模拟； 防控技术

0引言

随着我国城市规模的不断扩大，城市交通面临着严峻的形势和挑战[1-3]。城市地铁以其低污染、低能耗、高效率的优势成为大城市走出交通困境的首选[4-6]，但是城市轨道交通工程的施工会对周围地层产生扰动，威胁临近建筑物的安全使用[7]。预防和控制盾构施工邻近建筑物变形一直是城市地铁建设中研究的重点，国内外学者对这方面的研究较多，也取得了不少成果，如文献[8]采用数值模拟方法对西安地铁三号线大雁塔—北池头区间盾构隧道下穿陕西正和医院引起的楼房变形规律进行了研究,提出了施工前加固楼房基础的变形控制措施；文献[9-12] 也对这方面进行了研究，分别提出了相应的建筑物及地表变形控制标准。但是以上文献没有形成统一的沉降控制标准，部分文献提出的加固措施尚存在优化空间，而且以上研究主要针对楼房变形控制技术，对于黄土地区盾构下穿古迹引起的古代建筑物变形控制技术研究较少，然而由于西安古城文物古迹众多，地铁线路下穿古迹不可避免。

西安护城河是古城堡防御体系的重要组成部分，具有重要的历史意义，由于盾构隧道需穿过黄土地层，而黄土作为一种特殊土，具有遇水后强度迅速降低、变形增大的特性，给施工增加了难度；因此，盾构下穿护城河拱桥变形规律和防控技术急需研究。本文以西安地铁穿越北门外护城河为例，通过建立力学模型，运用数值模拟计算不同开挖方法引起的地表沉降量及结构变形，并与实测结果进行对比分析，在此基础上，提出施工安全防控技术。

1工程概况

西安市地铁二号线安远门—北大街区间设计里程为ZCK11+028.55～ZCK12+136.57，全长1 108.02 m。该区间穿越西安护城河，左线穿越里程为ZCK11+384.835，右线穿越里程为YCK11+389.498，该处盾构隧道埋深约13.36 m，护城河底距隧道顶5.6 m。护城河拱涵跨度为6.6 m，宽度为13 m，整体为C20钢筋混凝土浇注而成，边坡采用浆砌片块石砌成。拱桥拱顶厚为0.5 m，底板为1.2 m钢筋混凝土和30 cm毛石垫层，拱桥主要配筋为φ18、φ16、φ14、φ10、φ8、φ6等。地铁隧道与护城河及拱桥的关系见图1，护城河拱涵结构形式见图2。

图1　隧道与护城河及拱桥关系图(单位： m)

图2　护城河拱涵结构剖面图

护城河水深2.5 m左右，水位高程395.93 m左右，河水污染严重，由东向西流动，但流量很小，河底约有0.75 m厚的淤泥，地层自上而下依次为杂填土、新黄土、残积古土壤中夹片石、风积老黄土、粉质黏土、粉土、细砂及中砂等。

2盾构下穿护城河拱桥施工安全风险等级降低方法研究

考虑到在盾构下穿护城河拱桥施工过程中，拱桥变形是最严重的施工灾害，如果采用一般的盾构施工方案将引起很大的施工变形，无法保证施工过程中护城河拱桥的正常运行，因此需要优化施工方案，提出合理的施工参数，以控制护城河拱桥的变形。运用FLAC数值模拟计算预测2种工况下盾构下穿护城河拱桥施工路基变形规律。

1)工况1。采用常规的施工方法，即正常的盾构施工参数、土舱压力、注浆量等参数施工，并进行地表沉降监测、拱桥沉降监测和倾斜监测。

2)工况2。采用盾构施工前预加固法，即在拱涵台背盾构通过区选用旋喷加固河底土体，加固深度为从河床底到盾构底以下2 m，加固范围为3×10 m，间距为0.6×0.5 m。护城河拱涵底板以下部位采用垂直袖阀管注浆至盾构隧道顶，而拱涵基础部位采用斜插袖阀管注浆至盾构隧道底。加固后再进行盾构施工，并进行地表沉降监测、拱桥沉降监测和倾斜监测。

3盾构下穿古城墙施工FLAC3D建模

3.1盾构下穿北门外护城河FLAC3D模型建立

盾构下穿北门外护城河拱桥时从拱桥基础中下方穿过，为了研究盾构下穿护城河拱桥施工对拱桥变形的影响，根据护城河拱桥和盾构隧道线路的实际位置，建立盾构下穿北门外护城河FLAC3D模型图，在桥面及地表上施加15 kN/m2的荷载(见图3)。

图3　盾构下穿北门外护城河FLAC3D模型图

Fig. 3FLAC3D model of shield tunnel crossing underneath arch bridge

3.2盾构下穿城墙FLAC3D计算参数

本构模型选用岩土工程中常用的摩尔-库仑塑性模型，根据该区间的岩土工程勘察报告，经换算可得到FLAC3D计算所需的参数(见表1)。

表1　盾构下穿城墙FLAC3D模拟计算参数表

3.3盾构施工过程模拟

盾构施工过程模拟严格按照实际盾构施工工艺进行，先开挖，随后完成衬砌管片支护和壁后注浆。管片采用实体单元模拟，注浆加固通过提高加固地层的物理力学参数来实现，同时考虑到盾构推力影响，在进行开挖计算时，对开挖面施加了轴向压力，压力大小为实际盾构推力值，将盾构推力分布施加在开挖面，得到盾构推力值为0.7 MPa。

4盾构下穿护城河拱桥诱发的变形规律FLAC3D预测结果

为了分析2种不同工况下盾构下穿北门外护城河施工引起的地表及拱桥变形情况，现选取典型断面的位移云图及位移曲线进行对比分析(见图4)。

图4　2种不同工况下沿Y=6 m处断面位移曲线对比图

Fig. 4Contrast of surface settlement under two different working conditions (Y=6 m)

4.1地表变形对比分析

从图4分析可知，当采用工况1施工时，地表最大沉降值为36.01 mm，位于隧道轴线正上方，远远超过了其地表变形允许值10 mm；而采用工况2施工时，地表的最大沉降值为5.63 mm，在变形允许范围之内，故采用工况2施工可以有效地将地表变形控制在其允许范围之内。

4.2护城河河底变形对比分析

护城河沿Y=20 m处位于护城河河底的中间断面处，该处不同工况下位移见图5和图6。该断面从护城河基础到隧道拱顶的地层分别是1.2 m钢筋混凝土拱桥基础、0.3 m毛石垫层、软黄土和古土壤。该断面由于有1.2 m厚的钢筋混凝土层，整体性较好，施工护城河河底表面变形趋于均匀变形。该断面处隧道拱顶距拱桥基础底面埋深只有5.6 m，属于薄覆土层施工，一般情况下地表应是隆起的，但由于隧道上方存在软黄土地层，使得隧道施工后地表和隧道拱顶均表现为沉降。从图5(a)分析可知，当采用工况1施工时，隧道拱顶的最大沉降值为54.16 mm，隧道拱底最大隆起值为64.50 mm。从图5(b)分析可知，当采用工况2施工时，隧道拱顶的最大沉降值为9.47 mm，拱底的最大隆起值为1.07 mm。

从图6可以看出，当采用工况1施工时，该断面处最大沉降值为22.95 mm，位于隧道轴线上方，由于该断面处拱桥基础部分采用了1.2 m厚的钢筋混凝土和0.3 m的毛石垫层，整体性较好，盾构施工后该断面表现为趋于均匀变形，该断面距隧道轴线±8.5 m范围内的变形大于其变形允许值，地表最大隆起值为1.24 mm。当采用工况2施工时，护城河底的最大沉降值为4.19 mm，地表最大隆起值为0.28 mm，此时，盾构施工后的变形均在其允许值之内。

4.3拱桥桥面沉降对比分析

为了研究在2种不同工况下施工对护城河拱桥的变形影响，选取沿Y=25 m处断面的监测数据进行对比分析(见图7)。

从图7可以看出，沿Y=25 m处，当采用工况1进行施工时，该断面最大沉降值为18.87 mm，最小沉降值为18.56 mm，桥面的变形均超出了其变形允许值；而采用工况2进行施工时，桥面的最大沉降值为3.00 mm，最小沉降值为2.77 mm，其桥面沉降值均在沉降允许范围之内，故工况2能满足拱桥的变形控制要求。

图5　不同工况下护城河沿Y=20 m处断面位移云图(单位： m)

Fig. 5Displacement contour under two different working conditions(Y=20 m)(m)

图62种不同工况下护城河沿Y=20 m处断面位移曲线对比图

Fig. 6Contrast of surface displacement under two different working conditions(Y=20 m)

图72种不同工况下桥面位移曲线对比图(Y=25 m)

Fig. 7Contrast of bridge deck displacement under two different working conditions(Y=25 m)

5盾构下穿护城河拱桥施工安全防控技术

5.1黄土地层特点及加固特征

黄土地层不同于其他类型地层，其最大的特点在于湿陷性，极易受到地下水和护城河水渗流影响，导致工作面稳定性较差；因此，在施工前必须采取有效的加固措施，确保护城河拱桥的安全稳定。在实践中，大多是通过注浆来提高地层的强度参数，但是对于老黄土、古土壤等黏聚力较大的地层，一般注浆方法往往很难达到预期的注浆效果，而且黄土地层地下水难以疏干，渗漏水量大。为了确保注浆效果，采用二重管无收缩注浆工法进行注浆预加固，以提高围岩强度，降低围岩的通透水性能，改善隧道成拱能力。

5.2盾构下穿护城河施工技术措施

1)为防止隧道渗漏现象发生，在盾构通过段临时设置围堰，将水抽干后用砂袋回填，然后盾构再通过此处。挡水围堰示意图见图8。

图8　砂袋围堰示意图(单位： mm)

2)待河底清理完毕后，在隧道上方拱涵区域范围内堆放沙袋，起到增加上覆土层荷载的作用。

3)在盾构安全、顺利通过后，根据地表沉降的情况逐步拆除围堰。一般情况下，盾构通过70 m后的地面沉降趋于稳定，然后开始撤离隧道上方堆载和两侧的挡水围堰。

4)在盾构横穿护城河之前，利用泡沫或气压建立起全断面土压后，严格进行土压控制、出土量管理和注浆控制，严格控制盾构顶部土压。若出现涌水等现象，适当加注POLYMER或聚安脂等亲水性化合物。盾构推力设置在1 500～2 000 kN，刀盘转速0.9～1.5 r/min，推进速度为30～40 mm/min。

5)合理控制土压力，确保盾构连续推进；穿越期间加强同步注浆，并确保注浆量，每环注浆量为建筑空隙的180%～200%，注浆压力始终控制在0.2 MPa。

5.3护城河拱桥加固方案

当盾构下穿护城河时，隧道拱顶距护城河基础底面只有5.6 m，盾构施工时必然对拱桥产生影响，当盾构施工后拱桥周围的地层产生较大变形时将危及拱桥的安全，为此除了盾构施工前在拱桥区域内采用沙袋堆载以外，还需在拱桥基础背后预设2排袖阀管，沿隧道轴线方向间距1 m，垂直于隧道轴线方向间距为0.6 m。在拱桥基础以下部位采用旋喷加固河底土体，加固深度为从河床底到盾构底以下2 m，加固范围为3×10 m，旋喷桩间距为0.6×0.5 m，加固地层主要有古土壤和老黄土。护城河拱涵底板以下部位采用垂直袖阀管注浆至盾构隧道顶。盾构下穿护城河施工沿隧道轴线方向拱桥预加固范围见图9和图10。

图9　拱桥沿隧道轴线方向预加固示意图(单位： m)

Fig. 9Pre-reinforcement of arch bridge along tunnel’axis(m)

图10　拱桥沿垂直于隧道轴线方向加固示意图(单位： m)

Fig. 10Reinforcement of arch bridge perpendicular to tunnel’axis(m)

5.4盾构下穿护城河现场变形监测

5.4.1现场监测方案设计

为了得到盾构引起地表及拱桥的变形规律，现场主要监测地表沉降、桥面沉降和桥体倾斜。监测点布置见图11和图12。

5.4.2监测控制标准

按照相关规范和设计图纸的要求，在施工过程中对测量结果需要进行及时分析反馈。变形控制的标准如下： 地表沉降小于25 mm；桥面沉降变形不应超过+5～-5 mm；桥体倾斜斜率不超过0.5%。

图11　地表及护城河沉降监测点布置示意图

Fig. 11Layout of ground surface and moat settlement monitoring points

图12　桥面沉降监及桥体倾斜测点布置示意图(单位： m)

Fig. 12Layout of bridge deck settlement and bridge tilt monitoring points(m)

5.4.3盾构下穿护城河施工预测变形与实测变形对比

为了验证本文所提出的变形控制措施是否合理，在盾构施工过程中进行了现场监测，现将现场监测结果与预测变形结果进行对比(见图13—15)。

5.4.3.1地表沉降变形

从图13可以看出，地表沿Y=34 m处有隆起也有沉降，对图中2曲线的对比分析来看，地表沉降区域比预测沉降区域大，地表最大沉降值也比预测值大，实测地表最大沉降值为5.87 mm，地表最大隆起值为0.2 mm。地表的变形允许值为±5 mm，而以上2个断面的实测变形值均在该范围之内，这说明在盾构施工前，采用文中的预加固方法加固后再进行盾构施工可有效减小地表变形，并将其控制在允许范围之内。

图13　地表预测与实测沉降曲线对比图(Y=34 m)

Fig. 13Simulated surface settlement Vs measured surface settlement(Y=34 m)

图14　护城河底预测与实测沉降曲线对比图

Fig. 14Simulated moat floor settlement Vs measured moat floor settlement

图15　护城河拱桥桥面预测与实测沉降对比图

Fig. 15Simulated bridge deck settlement Vs measured bridge deck settlement

5.4.3.2护城河河底沉降

从图14可以看出，护城河河底沿Y=20 m处位于护城河沿隧道轴线方向的中间断面处，护城河基础底面距隧道拱顶距离为5.6 m，而护城河基础为1.2 m钢筋混凝土及0.3 m毛石垫层，该断面埋深虽小，但护城河河底的基础稳定性较好，故采取文中的加固措施后，河底的变形量减小。实测最大沉降值为6.42 mm，在其变形允许范围之内，故文中所提出的加固措施可有效减小护城河河底的变形，从而保证护城河的安全。

5.4.3.3桥面沉降

从图15可以看出，该断面位于护城河拱桥的北边。从图中2曲线的对比来看，实测沉降曲线与预测沉降曲线能较好吻合，实测沉降值比预测沉降值大，实测最大沉降值为4.2 mm，在变形允许范围之内。表明文中的数值模拟可以有效地预测出盾构下穿护城河施工时拱桥的最大变形，从而采取相应的保护措施，以保证护城河拱桥的安全。FLAC数值模拟结果小于实测结果，主要原因在于模拟过程未能考虑土体流变引起的变形。

5.4.3.4桥体倾斜分析

在盾构施工过程中对护城河拱桥的桥体沿X轴方向的倾斜展开监测，桥体的实测倾斜结果如表2和表3所示。

表2　拱桥西面沿X轴方向测斜分析

表3　拱桥东面沿X轴方向测斜分析

从表2和表3可以看出，桥体东西两侧倾斜斜率都一样，这是由于桥体是由钢筋混凝土构成的，整体稳定性好。桥体的最大倾斜斜率为0.027‰，而其允许最大倾斜斜率为3‰，实测值远小于其允许值，故文中的变形控制措施可有效保证桥体的倾斜变形在其允许范围之内。

6结论与讨论

本文采用FLAC3D数值模拟和现场实测相结合的方法对黄土地区盾构下穿护城河拱桥引起的拱桥变形规律及施工安全防治技术进行了研究，得出以下结论：

1)采用数值模拟方法分析得到了施工前加固拱桥及其周边地层的必要性，进而提出采取沙袋围堰、旋喷加固和注浆加固的联合加固措施。实测结果表明，在盾构下穿拱桥过程中，拱桥安全稳定，目前西安地铁二号线已经建成并投入运营，表明本文提出的安全施工防控技术合理有效。

2)从施工安全控制效果来看，对拱桥及隧道周围地层进行加固后，将盾构施工引起的拱桥变形控制在允许变形之内。同时，设置了合理的盾构推力，并及时进行壁后注浆，最终保证了施工过程中拱桥的稳定。

3)湿陷性黄土地层盾构下穿建(构)筑物，受地下水和盾构施工水平影响很大，老黄土和古土壤等黏性大的地层注浆参数和盾构参数仍需进一步探讨和实践验证。

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Prediction and Construction Safety Control for Shield Undercrossing Moat

Arch Bridge in Loess Area by means of FLAC3D

CAO Zhen1, YANG Feng2,3, ZHANG Ning1,3

(1.Xi’anSubwayCo.Ltd.,Xi’an710018,Shaanxi,China; 2.ChinaRailway15thBureauGroupCo.,Ltd.,

Shanghai, 200070,China; 3.Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,Shaanxi,China)

Abstract:It is of great importance to study the safety control technology for shield boring in loess. The shield-bored tunnels of Xi’an Metro, which are located in loess strata, have to cross underneath complex ground surface conditions, cultural relics, buildings and structures. The shield-bored tunnel from Anyuanmen station to Beidajie station on Line 2 of Xi’an Metro crosses underneath a moat arch bridge. In the paper, the deformation of the moat arch bridge caused by shield boring is analyzed by means of FLAC3D program. The calculation result shows that the ground below the moat arch bridge has to be consolidated before shield boring, so as to ensure the safety and stability of the bridge. It is proposed that sand bags should be piled in the moat arch bridge zone and Soletanche grouting should be conducted behind the foundation of the bridge. The site measurement shows that the deformation of the moat arch bridge is within the allowance scope and the countermeasures taken are rational and effective.

Keywords:loess area; shield tunnel; moat-spanning arch bridge; numerical simulation; prevention and control

中图分类号：U 455

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2015)12-1264-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.005

作者简介：第一 曹振(1978—)，男，广东清远人，2001年毕业于长安大学，地下工程与隧道工程专业，博士，高级工程师，现从事地铁工程建设与技术管理工作。

收稿日期：2015-02-12; 修回日期: 2015-05-29