盾构法穿越松花江干流道里堤影响研究

宗 原，王 智，李旭光，尹明玉

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061）

盾构法穿越松花江干流道里堤影响研究

宗 原，王 智，李旭光，尹明玉

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061）

哈尔滨市轨道交通2号线一期工程是哈尔滨市首条穿越松花江隧道，工程拟采用盾构法穿越松花江干流右岸道里堤，道里堤设有桩柱梁装配式活动钢闸板及截渗墙，在穿越过程中有可能造成不利影响。文中采用道里堤桩基础沉降与变形有限元计算、渗透稳定与抗滑稳定计算对工程穿越道里堤的影响进行分析研究。研究结果表明，盾构法穿越不影响道里堤钢板桩的安装，在采取补救措施后道里堤及截渗板墙的稳定影响很小。

盾构法；道里堤；截渗墙；有限元计算；渗流计算

1　项目基本情况

1.1工程基本情况

哈尔滨市轨道交通2号线一期工程设计使用年限为100年，穿越松花江段双线布置，隧洞轴线间距约为17.0m左右，隧洞衬砌结构为圆环，衬砌圆环外径6.0m，内径5.4m。

根据线路平面布置、埋深、工程地质、水文地质条件及线路所经地区的环境条件，轨道交通2号线一期工程区间隧道采用盾构法施工。

1.2道里堤基本情况

轨道交通2号线在桩号K15+646.044与右岸道里堤（堤防桩号K1+906.92）相交，道里堤防洪标准为100年一遇，堤防防洪型式为桩柱梁结合装配式活动钢闸板，混凝土灌注桩桩径0.8m，桩长15.0m，桩间距5.0m；桩上设承台梁，梁高1.4m，梁宽0.9m，梁顶高程120.90m；梁上设混凝土直墙，与梁整体浇筑，墙高0.6m，墙宽0.5m，墙顶高程121.50m；墙上设装配式活动钢闸板，钢闸板高2.0m，钢闸板顶高程123.50m。墙后堤面上有九站公园，堤顶高程约120.90m，宽约120.0m。堤顶距堤防背水侧堤肩约4.0m处，设有高压定喷截渗板墙，灌浆材料为425号硅酸盐水泥和冒浆土混合液，截渗板墙厚0.18m，深25.0m，顶部高程120.90m，底部高程95.90m，渗透系数不高于1×10-6cm/s。相交处堤防中心位置处2号线一期工程衬砌圆环顶高程97.37m；截渗板墙位置处2号线一期工程衬砌圆环顶高程100.28m，高于截渗板墙底部4.38m。

2　工程穿越道里堤装配式钢闸板基础影响分析

2.1计算模型及参数

为了分析盾构下穿道里堤下桩基时对道里堤的影响，采用有限元分析软件PLAXIS进行计算。

2.2模型网格及工况分析

此次模拟计算主要为盾构下穿过程中对周边土体扰动引起堤坝沉降以及对装配式活动钢闸板桩基础的影响，所以盾构下穿之前的工况沉降值均清零，仅模拟盾构穿越过程引起的沉降这一工况。

2.3计算结果

2.3.1沉降

根据有限元沉降计算结果可知，穿道里堤钢闸板桩基础里程处的地层沉降最大值为8.48mm，发生在拱顶。道里堤钢闸板桩基础顶冠梁处的地层沉降值为4mm，小于盾构下穿过程中的钢闸板桩基础允许不均匀沉降值△。根据GB50007-2011《建筑地基基础设计规范》，△=L×0.1%=5000×0.1%=5 mm，其中，L——钢闸板桩基础纵向间距，为5m。

2.3.2桩基础内力与变形

1）弯矩

盾构下穿引起的钢闸板桩基础附加弯矩值为18.77kN·m，远小于正常配筋的φ800钻孔灌注桩桩身承载力，而且钢闸板桩基础设计控制工况是“只受水平力的桩的水平承载能力”，因此盾构下穿引起的钢闸板桩基础附加弯矩在桩基础承载能力范围内。

2）桩基水平变形

太～人区间下穿道里堤钢闸板桩基础里程处的桩基础水平变形为1.46mm，小于盾构下穿过程中的钢闸板桩基础允许变形值。

3）桩基竖向沉降

太～人区间下穿道里堤钢闸板桩基础里程处的桩基础竖向沉降为3.94mm，小于盾构下穿过程中的钢闸板桩基础允许变形值。

根据上述有限元模拟计算结果可知，在地铁盾构区间正常设计、正常施工的条件下，道里堤及其钢闸板桩基础竖向沉降值小于堤坝沉降允许值，能保证桩、梁、柱不破坏，钢闸板能安装，不需采取专门的加固措施。

从桩基础沉降、内力与变形结果来看，堤顶装配式活动钢闸板桩基础不需要采取专门加固措施，在正常设计、正常施工条件下，盾构区间下穿钢闸板桩基础对桩基础影响很小。

3　盾构法穿越道里堤截渗板墙防护措施

为了使盾构法穿越对堤防及截渗墙影响降至最低，拟对截渗板墙采取防护措施，并对截渗板墙局部破损处进行同等补强。按照“道里堤在地铁区间隧道施工、使用过程中防洪、防渗功能不削弱，大堤主体结构整体完好，局部破损需补强。”的设计原则，采取的防护措施应能提供既有防渗板墙局部破损后的防渗功能，能控制既有防渗板墙的破损范围，能为盾构施工提供良好的工作条件，根据上述要求，制定了以下防护措施。

1）新增防渗墙

根据盾构施工工艺特点，盾构机头在钻穿既有防渗板墙的过程中，防渗板墙局部失去防渗能力，形成地下水渗流路径。盾构机头通过后，在预制拼装的隧道管片外侧与周围地层、防渗板墙之间的空隙用水泥砂浆填充，既可补充土层，防止沉降，又可封堵水的渗流通路。因此，正常情况下盾构施工对防渗板墙的削弱发生在盾构机头钻穿墙体的过程中，通过后可恢复墙体抗渗能力。

鉴于此，在既有防渗墙两侧各5m处及垂直方向新增一道防渗墙，形成10m×10m的围合空间，盾构机头长约9m，能将其完全围合其内，保证盾构机不同时跨越3道防渗墙（1道既有，2道新增）。

盾构机首先钻越第一道新增防渗墙，此时既有防渗墙未局部破坏，防渗能力不降低；盾构机其次钻越既有防渗墙，此时另一侧的新增防渗墙未破坏，防渗能力不降低；盾构机最后钻越另一侧新增防渗墙，此时首先钻越的新增防渗墙与预制拼装的管片之间的空隙已用水泥砂浆填充密实，封闭了地下水渗流路径，防渗能力仍未降低。综上所述，增加了两道防渗墙后，盾构机在钻穿过程中，始终保持了道里堤防渗墙的防渗能力不降低。

2）土体加固

盾构机在软硬不均地层中推进，姿态控制难度极大，在钻穿既有防渗墙时，工作面上部是高压喷射灌浆形成的较高强度墙体，下部是原状土层，盾构机极易超挖下部土体，产生磕头现象，造成隧道轴线偏差，扩大防渗墙破坏范围。并且盾构机在钻穿防渗墙过程中，为了避免防渗墙在顶推力作用下开裂、折断，需要在防渗墙背后提供强有力的后靠背支撑。因此，对防渗墙10m×10m的围合空间内部土体进行加固。加固后土体无侧限抗压强度不小于1MPa。加固深度范围为隧洞下方1.0 m至隧洞上方3.0m，加固体总高度不小于10m。

土体加固可采用化学注浆、高压喷灌、水泥土搅拌等工艺，鉴于围合空间内土体加固的目的仅是提高强度，不需要隔水抗渗，对加固体的均匀性要求不高，因此采用工艺成熟、造价低的袖阀管注浆工艺。

3）盾构施工措施

1）在盾构到达防渗墙前，降低推进速度，严格控制盾构方向，根据监测到的数据进行反分析，及时调整盾构推进参数，确保盾构机的平稳穿越。

2）盾构施工过程中，采用同步注浆工艺，确保浆液填充满盾尾管片与加固后土体间的建筑空隙。

3）盾构通过后，为防止后期沉降产生空隙，进行二次注浆，将管片与地层的空隙填满，切掉渗流路径。

4　工程穿越道里堤截渗板墙后渗流计算分析

对2号线一期工程穿越道里堤防后进行渗流和抗滑稳定计算，穿越后道里堤截渗板墙横截面包括截渗板墙（截掉4.38m）及隧洞断面组成。

4.1计算内容

对轨道交通2号线一期工程与右岸道里堤交叉处堤防断面进行2号线一期工程穿越前后渗流和抗滑稳定计算。稳定计算包括设计洪水位下背水侧堤坡和设计洪水位骤降期临水侧堤坡两种情况。

4.2计算结果

1）渗流及渗透稳定计算成果

水位组合考虑临水侧为堤防设计洪水位，背水侧为地下水位。渗透稳定计算结果，见表1。

表1　右岸道里堤渗透计算成果

在100年一遇洪水稳定渗流期，2号线一期工程穿越后，由于工程实施后截渗墙与隧洞共同防渗，因此单宽渗流量有所减小；由于堤基透水性减弱，浸润线比穿越前略有抬高，堤肩桩柱梁位置处抬高约0.25m；堤防渗流场水力坡降和水头损失主要集中在渗透系数小的粘土层和防渗板墙内；在防渗板墙底部有集中绕流现象。

由表2计算结果可知，哈尔滨市轨道交通2号线一期工程穿越松花江段，100年一遇堤防设计洪水时，穿越右岸道里堤后堤防背水面渗流出口比降0.027，稍大于穿越前0.025，但均小于允许比降0.08，堤防渗透稳定满足要求。

2）抗滑稳定计算成果

计算工况考虑正常运用条件下，计算内容为设计洪水位下稳定渗流期背水侧堤坡抗滑稳定和设计洪水位骤降期临水侧堤坡抗滑稳定，计算公式分别为有效应力法和总应力法。设计洪水位骤降情况，为偏于安全，堤身浸润线采用设计洪水位情况下的浸润线。抗滑稳定计算结果，见表2。

表2　右岸道里堤抗滑稳定计算成果

由表2计算结果可知，100年一遇设计洪水时，穿越后右岸道里堤防背水面抗滑稳定安全系数均为5.08，大于允许安全系数1.30，堤防抗滑稳定满足要求。

5　结论

1）道里堤钢闸板桩基础顶冠梁处的地层沉降值为4mm，小于盾构下穿过程中的钢闸板桩基础允许不均匀沉降值5mm，说明桩基础不需要采取专门加固措施，正常设计、正常施工条件下，盾构法穿越对钢闸板桩基础影响很小。

2）渗透稳定及抗滑稳定计算结果表明在采用防护措施后，100年一遇堤防设计洪水时，堤防渗透稳定满足要求，100年一遇堤防设计洪水时、100年一遇设计洪水骤降时，堤防抗滑稳定满足要求。

U45

B

1002－0624（2015）10－0047－02