北京昌平线二期地铁盾构侧穿桥梁沉降监测分析

李旺旺，韦宏鹄

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

0 引言

随着城市现代化建设的快速发展，为了充分利用地下空间，较好地缓解城市地面交通压力，地铁建设范围在不断扩大。许多在建线路需要穿越既有线路、车站及桥梁和高速公路等重大风险源工程。由于独特的施工优势，盾构法广泛应用于地铁建设。开挖断面土体特征、改变推进方向、受扰动土体的再固结等问题是盾构法施工引起地表土层变形的主要因素［1－3］。在相关研究中:李东海等［4］研究盾构隧道斜交下穿越既有地铁车站，盾构在不同时段施工引起的既有建筑物的沉降不同，采用适合土压减小对沉降影响;徐俊杰［5］利用有限软件分析土压平衡盾构施工的地表沉降，表明地质及注浆参数对沉降量变化影响，注浆率大于1.5时，控制沉降较好;胡长明等［6］研究了土压平衡盾构穿越黄土层及全断面砂层时地表变形的主要影响因素及其控制参数。

盾构侧穿桥梁桩基时，地层应力及变形将引起桩基承载力损失，从而导致上部结构在各类荷载作用下发生沉降。在相关研究中:彭坤等［7］研究了软土地区盾构隧道开挖对承台桩基工作性状的影响，分析2种不同的加固方法对地表和桩身变形的控制;马少坤等［8］通过模型试验研究了膨胀土地基中隧道对桩基的影响，分析桩基随开挖进度的力学状态;郭一斌等［9］研究了盾构近距离侧穿桥梁超长桩基导致出现较大变形和内力，隧道轴线与超长桩处于不同相对位置对桩的特性产生不同影响;张恒等［10］利用FLAC3D模拟研究盾构下穿桥梁，桥梁桩基下半部分朝背离隧道方向位移，上半部分朝相反方向位移。

本文通过土压平衡盾构侧穿桥梁的实例，分析地铁盾构在不良杂填土层侧穿桥梁时，利用桥桩及地表监测数据并结合盾构施工参数分析盾构施工对桥梁沉降的影响。

1 工程概况

昌平线二期地铁盾构工程起止里程K6+911.7～K8+355.3，区间全长1 443.6 m，盾构管片外径6 m，环宽1 200 mm，厚300 mm，环向分6块。纵断面上布置“V”字坡，以27‰，7‰和3‰下坡后，再以9‰和27‰上坡。在K7+317.500下穿河道，河道目前处于干涸状态，盾构覆土约 6.3 m。K6+911.7 ～ K7+436.000 区间及K7+539.660至盾构接收井，道路两侧有建筑物，隧道位于道路下方。在K7+436.000～+539.660内侧穿连接河道两侧道路的桥梁，桥桩桩径1.2 m，桩长22～26 m，盾构隧道与桩基水平距离为4.1 m。在K7+486.000距离桥桩3.5 m处有一条南北走向垂直于隧道和桥梁的φ600 mm应急补水管线。

盾构隧道在河道穿越地层自上而下主要为:杂填土①2层、卵石⑤层、粉土⑥2层、粉质黏土⑥层(如图1所示)。河道内地表分布有厚2.0～13.0 m的人工填土，该土层厚度大，且堆积时间短，结构松散，渗透性强、土质很不均匀，力学性质差，稳定性较差。勘测最大钻孔45 m范围内发现3层地下水，地下水的类型为上层滞水(一)、潜水(二)及承压水(三)。区间隧道位于含水层，为永久静水浸没环境。

图1 地质剖面图Fig.1 Profile showing geological conditions of the project

2 监测设计

2.1 监测原则及监测技术

沉降监测采用几何水准测量方式，监测设计必须符合规范，满足国家二等水准网精度要求。在施工影响范围之外的区域设置3个基准点构成竖向变形监测控制网;基准点以施工高程系统为基础建立，采用附合或闭合水准路线形式，起始并闭合于精密水准点上。基准点同监测点一起布设成独立的闭合环或形成由附合路线构成的结点网。

使用Trimble DINI03电子水准仪进行观测，采用电子水准仪自带记录程序记录外业观测数据。观测闭合水准路线时可以只观测单程，采用附合水准路线形式必须进行往返观测。从测设初始值至沉降趋于稳定监测频率为1次/d，若出现异常情况则加大监测频率。

2.2 监测点布设

桥桩沉降测点采用“L”型测点标志形式，先在桥桩上钻孔，然后放入膨胀螺栓或螺纹钢(φ=20 mm)预埋件放入，孔与预埋件四周空隙用水泥砂浆或锚固剂填实(测点固定部位做成螺纹)，共设18个桥桩监测点。桥头沉降监测点采用在桥头钻孔的形式，钻出5 cm深的孔洞，埋入测点标识，灌入标号不低于C20的混凝土，上部加装钢制保护盖，养护15 d以上;在桥梁两端分别布设3个桥头监测点，共6个桥头监测点。管线沉降监测点采用在管线上方的地表点代替，人工或钻具成孔加设护筒和护罩保护，设9个管线监测点。监测点布置如图2所示。

图2 监测点布设图Fig.2 Layout of monitoring points

3 监测数据分析

根据工程测点布设设计，监测数据分为桥桩垂直位移、桥头垂直位移和管线沉降3部分。管线监测点可作为地表监测点。盾构推进都是在姿态较好的状态之下，推进速度为2～8 cm/min。按照盾构在不同区域对桥梁影响大小的关系分为3个阶段。

3.1 盾构到达前阶段

为了保证可靠的初始值及工程安全，要求监测范围为开挖断面前150 m及开挖断面后100 m。在盾构到达桥端断面前150 m时，对相关监测点取初始值。当开挖面距观测点为3～7环时，由于盾构推力对土体扰动，引起土舱压力波动。当开挖面土舱压力偏高时，使得开挖面土体受挤压，从而引起地表隆起;当开挖面土舱压力偏低时，造成盾构开挖面应力释放，从而引起地表沉降。为保证安全侧穿桥梁，盾构改变直线推进，偏向桥左侧推进。盾构右侧推力增加，引起右侧土压改变，使得桥台开挖面土体受到挤压变形。同时，盾构机体发生偏移，盾构机体偏移使挤压土体产生卸荷。盾构右侧土压和盾构机体偏移量如图3和图4所示。

图3 盾构右侧土压(单位:kPa)Fig.3 Pressure on right side of shield(kPa)

图4 盾构机体偏移量(单位:mm)Fig.4 Offset value of shield body(mm)

在此阶段分析桥头监测点QT01，QT02，QT03及与其在同一纵断面上相邻的地表监测点DB61，DB62，DB63。在盾构到达桥头断面过程中，2类测点沉降关系如图5所示。

在431环时改变推进方向，盾构发生偏移，盾构在434环处右侧土压增加。盾构机体偏移量增加，诱发地表沉降速率增加。地表监测点从监测开始处于变形沉降状态，并且随着盾构的接近，变形速率随之变大，沉降速率最大值在监测点DB62，于6月9日沉降值为－1.2 mm;累计沉降最大值在监测点DB61，沉降值为－3.2 mm。桥台监测点累计变形值最大为0.6 mm，变形速率较小。桥头监测点和地表监测点相对沉降值较小，在风险控制范围内。在此阶段盾构推进对桥梁影响较小。

图5 地表监测点与桥头监测点的沉降量Fig.5 Settlement of ground surface and bridge

3.2 盾构侧穿阶段

该桥位于城区，交通比较繁忙，在桥梁上部动荷载作用下，桥桩会产生变形和位移，并且河道内有厚度很大的杂填土、素填土和卵石填土，隧道顶部为新近沉积层或者碎石土层，上述地层的渗透性均较大。当土压过低时，不仅容易造成地层的沉降，而且对盾构轴线的控制也有影响。盾构隧道在河道穿越地层为粉质黏土、粉土、细中砂，对泡沫量进行调整以更好地改变土体的塑流性，使土体变得更为均匀，可以较好地把压力传递至开挖面上，避免开挖面的水土流失过多。在此阶段土压和注浆量如图6和图7所示。

图6 盾构侧穿阶段盾构土压(单位:kPa)Fig.6 Earth pressure of shield in side crossing phase(kPa)

当盾构进入桥台断面开始监测桥桩和管线，直至盾构机尾离开另一端桥端断面。图8和图9为盾构侧穿桥梁监测点沉降值。

从452环至457环及498环至503环左侧土压降低80 kPa，通过加大同步注浆量弥补土层损失。其他时间段内左侧土压在140 kPa左右。盾构侧穿桥梁阶段，为了减小盾构隧道推进对桥桩的挤压影响，右侧土压直到盾构通过桥梁断面维持在40 kPa左右较低状态。设计理论注浆量为2.20～2.24 m3，如图7显示，最大注浆量为455 环时4.00 m3，最小注浆量为 504 环时的 0.30 m3，平均注浆量为2.40 m3。工程中注浆率为1.08。

图7 盾构侧穿阶段同步注浆量(单位:m3)Fig.7 Volume of simultaneous grouting in side crossing phase(m3)

图8 桥桩监测点沉降值Fig.8 Settlement of bridge piles

图9 管线监测点沉降值Fig.9 Settlement of utility lines

桥桩整体都在下沉，监测点QD01在6月16日监测沉降速率为－1.6 mm，是速率最大值，接近速率预警值(－1.7 mm);之后仍继续下沉，最大累计沉降点为QD01，沉降值为－5.4 mm。所有桥梁右侧监测点沉降比左侧沉降大，最大相对沉降差为3 mm。GXC20，GXC21位于隧道左侧，受调整盾构推进方向而超出控制值(50 kPa)左侧40 kPa土压力的影响，在隧道推进阶段出现上浮。上侧土压40 kPa，注浆率1.08，但管线监测点处于上浮状态，监测点GXC21隆起最大，累计最大值+2.6 mm。隧道上方覆土厚度及土层都会影响地表沉降。

3.3 盾构离开阶段

盾构施工过程对土体的扰动是一个从平衡到不平衡再到新的平衡的运动过程，在盾构离开阶段受扰动土会发生再固结。土体受扰动后，土体发生持续长时间压缩发生徐变，土体在蠕变过程中产生地面沉降。注浆液的强度随时间的变化也是影响地表沉降的因素。

以管线点沉降变化可观测盾构通过后隧道结构围岩的变形稳定情况，从桥桩沉降变化可知隧道周边土体后期变化情形。图10和图11分别为盾构继通过桥梁后桥桩和管线监测点沉降值。

图10 盾构通过之后桥桩监测点沉降值Fig.10 Settlement of bridge piles after shield passing

图11 盾构通过之后管线监测点沉降值Fig.11 Settlement of utility lines after shield passing

盾构离开初期桥桩监测点仍有沉降，之后进入稳定状态;管线监测点则处于稳定状态，未发生显著变化。QD04，QD08，QD13在此阶段沉降大，横向距离隧道越近，沉降变化越明显。因此，桥梁横向产生差异沉降，若差异沉降较大，桥梁结构可能会发生破裂，则影响桥梁安全。隧道上方的GXC22有明显的沉降(在控制±10 mm范围内)，地表沉降观测后期则需注意受扰动土再固结;在后期巡视中，未发现管线有破坏现象。

同时观测 QT04，QT05，QT06 及 DB66，DB67，DB68，桥台沉降最大值为监测点QT04，累计沉降－1.2 mm，最小值为监测点QT06，累计沉降值为－0.4 mm;地表最大值为监测点DB66，累计沉降值为－7.4 mm，最小值为DB67，累计沉降值为－3.6 mm。2类观测点差异沉降最大值为7.0 mm，在风险控制范围之内，但相对于桥梁差异沉降值控制10.0 mm，此值接近于报警值。

4 结论与建议

根据实测数据的分析，对盾构侧穿桥梁变形规律进行了研究，结合施工及监测情况提出以下结论与建议:

1)在盾构推进阶段，靠近开挖隧道一侧的桥桩沉降持续时间较长，并且与远侧桥桩的横向差异沉降明显。若隧道开挖挤压变形过大，在上部荷载的作用下，将破坏桥桩所处的平衡状态，桥桩产生变形，进而危及桥桩的稳定性;必要时，应对桥桩进行预加固。盾构施工中需了解桥桩的深度、位置以及与隧道相对位置关系。

2)河道覆土较浅时，应考虑隧道上覆土厚度对地表及建筑物的影响。管线前期发生上浮现象，由于后期的受扰动土固结沉降，使得隧道上方的点出现明显沉降。在不良地层，可能会出现地表冒浆的情况。若周边管线的变形超过控制值，需防止管线接头渗漏水使周边土体软化，进一步加剧管线变形、管线前期上浮及后期的固结沉降。

3)改变盾构推进方向，会诱发地表沉降速率增加。桥头与桥台差异沉降值接近于控制值，需要后期长期监测观测。为了避免较大沉降，合理控制推进土压，增加同步注浆量，减小桥台变形沉降。

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