大直径盾构下穿机场快轨高架桥风险控制研究

彭　华　李　骥　梁　玉　马文辉

(1. 北京交通大学土木建筑工程学院　北京　100044; 2. 铁道部第二勘察设计院　成都　610000)



大直径盾构下穿机场快轨高架桥风险控制研究

彭华1李骥1梁玉2马文辉1

(1. 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044; 2. 铁道部第二勘察设计院成都610000)

为了研究地铁大直径盾构穿越北京机场高架桥的风险控制技术，通过数值模拟软件建立大直径盾构穿越机场高架桥有限元模型；对比分析不同的桥梁加固方案，得出最优的加固措施，并通过数值模拟预测采取加固措施时既有高架桥结构的变形值。结合以往的工程经验及该工程实际掘进反馈信息，总结出盾构穿越中合理的掘进参数及控制技术。通过对监测数据的整理，分析既有结构的变形规律，将穿越过程中既有高架桥结构的变形分为4个时期，相关分析结果可为今后类似工程提供理论依据与实践借鉴。

城市轨道交通；大直径盾构；穿越高架桥；风险控制

北京地铁14号线大直径盾构下穿既有机场线高架桥工程在国内尚属首次，没有成功经验可循，且既有机场线为直线电机轨道结构，机场线路对桥梁结构的沉降要求较高，因此，分析和研究风险控制技术，保证大直径盾构安全快速地穿过既有高架桥结构，具有极其重要的理论及实践工程价值[1-4]。

1　工程概况

1.1北京地铁14号线概况

新建地铁14号线高家园站—京顺路站区间(简称高-京区间)由高家园站起，沿万红西街道路下方，途径规划高家园中街，在大山子建筑群附近拐入路侧，侧穿机场高速路桩基、机场快轨桩基后进入京顺路站。新建隧道平面关系如图1所示。

图1　大直径盾构隧道与既有地铁桥梁平面关系

地铁14号线高—京区间为大盾构区间，最小平面曲线半径为540 m。该段区间隧道纵坡为人字坡，最大坡度为12‰，隧道埋深为12.97～15.74 m，穿越段隧道最小覆土约13 m。新建盾构隧道外径为10 m，内径为9 m，盾构的管片厚度为0.5 m，宽度为1.8 m。新建隧道与既有高架桥结构的相对位置如图2所示。

图2　大直径盾构隧道与既有地铁桥梁剖面关系

1.2地质概况

根据盾构隧道埋深，机场线段隧道主要穿越④4层中粗砂、⑥ 粉质黏土、⑥2粉土层及⑥3细中砂。

根据勘察资料，该地层内共有3层地下水：潜水(埋深约为6.3～8.5 m)、承压水1(埋深约为13.3～14.3 m)、承压水2(埋深约为23.9～27.1 m)。

根据盾构隧道埋深，地铁14号线高—京区间穿越既有机场线段大直径盾构隧道所处地层的地下水主要是承压水1层，顶部局部涉及潜水层。

既有机场线为直线电机牵引，该系统中感应板板面高度的维修保养标准为-2～+1 mm，误差允许范围很小。因此，对直线电机感应板的维修提出了非常高的精度要求。直线电机感应板轨道图如图3所示。

图3　直线电机、感应板和钢轨之间的关系

2　机场快轨高架桥有限元分析

2.1未采取加固措施的既有结构变形

根据新建14号线高—京盾构区间与既有机场快轨高架桥结构的相对位置关系，结合实际工程，充分考虑大直径盾构隧道施工的有效影响范围，建立本工程的计算模型，并通过掌握实际施工工况，对新建盾构穿越机场快轨高架桥进行模拟，得到既有桥梁结构的变形值。模型范围如图4所示。

图4　盾构穿越高架桥模拟过程

通过计算分析得出，盾构隧道穿越完成后，既有机场快轨高架桥桥桩结构的竖向沉降为5.247 mm，发生在76号桥桩。轨道的最大竖向变形为5.173 mm，沉降集中区域发生在76号桥墩两侧±30 m范围内的钢轨。由于桥桩与轨道结构的沉降都超过了感应板维修保养准则2 mm的范围，因此，如果不对既有桥桩结构采取一定的保护措施，则无法保障既有桥梁结构与机场快轨的安全运营。

2.2既有桥桩结构加固方案的确定

由于大直径盾构在北京应用较少，施工单位需通过试验段不断调整、优化施工参数，获取不同埋深、土层时的最佳施工参数。另外，近端桩基距隧道仅3.32 m，其开挖势必对既有地铁桥梁产生较大影响。因此,为了减小施工对既有机场线高架桥桥桩和轨道的影响，考虑了2种加固方案：钻孔灌注桩、复合锚杆桩。

2.2.1方案1：钻孔灌注桩

在盾构两侧各打设一排钻孔灌注桩，桩径Φ800，间距1 400 mm，呈梅花型布置。桩身混凝土标号为C30，保护层厚度为20 mm。桩长为29 m，具体布置见图5。

图5　钻孔灌注桩与邻近桥墩承台平面位置关系

2.2.2方案2：复合锚杆桩

盾构两侧各打4排复合锚杆桩，沿隧道方向U型布置，并对周围土体注浆进行加固，复合锚杆桩桩径为150 mm，桩长25.9 m，孔内安装3根Φ20螺纹钢，同时安装3根注浆管，实施压密注浆，注浆分3次。盾构隧道两侧的4排锚杆桩桩顶设置1 350 mm×600 mm冠梁，冠梁间设置4道800 mm×600 mm混凝土支撑，支撑主筋锚入冠梁。锚杆桩平面布置与剖面位置关系见图6、7所示。

图6　复合锚杆桩与邻近桥墩承台平面位置关系

图7　复合锚杆桩方案剖面关系

从施工的难易程度及施工过程中对桥桩的影响等方面综合考虑分析，最终选择复合锚杆桩方案。通过对模型考虑复合锚杆加固方案，计算得出桥梁下部结构最大沉降变形为1.628 mm，钢轨的最大竖向变形为1.510 mm，结构的变形都控制在2 mm以内，能够满足机场快轨正常运行的要求。

3　盾构控制技术

该大直径盾构在穿越机场快轨高架桥施工过程中，新建隧道距离既有机场线桥桩基础很近，穿越施工中势必会对既有桥桩结构产生较大的影响，而既有机场桥梁结构的变形要求极其严格，因此，盾构施工迫切需要采取切实有效的措施来保证穿越过程的安全及使既有桥梁结构的变形满足控制值的要求。

在穿越过程中,盾构施工技术的控制主要体现在两方面：一是确定合适的盾构掘进参数；二是对地层损失的控制，及时进行盾尾孔隙注浆填充及二次补浆来控制地层沉降[5]。

3.1盾构参数的控制

3.1.1控制土压力

根据穿越地点盾构隧道覆土深度和地质情况，并参考相同地质条件下大盾构掘进施工总结分析数据(见图8)，确定土压为0.14～0.15 MPa，施工过程中需严格、精确地控制土压，保持掘进面的土压稳定，避免土压的过大波动[6]，防止土压过高或过低造成地层的隆起和沉降，对桩基产生影响。

图8　开挖过程中每环土压平均值

3.1.2土体改良技术

土仓内土体良好的流塑性能够提高螺旋运输机的排土能力，可较好地保障土仓压力的平衡和掌子面的稳定。坍落度可以用来表示土体的流塑性，在大直径盾构穿越机场高架桥梁工程中，穿越段土层主要为粉质黏土体及细中砂，该类土的含水率比较高，坍落度较大，不能满足施工需要，因此需要对盾构前方的土体进行改良。

土体改良的方法有膨润土泥浆改良及泡沫剂改良土体等。膨润土泥浆润滑作用较强，可以降低土体的抗剪强度，提高土体的流动性，同时又可以降低土体的渗透性。不同浓度的膨润土泥浆对土体的改良效果不同，通过实际工程总结发现，当泥浆浓度为8%时，膨润土泥浆改良的效果很好；同样，不同质量分数的泡沫剂对土体改良效果也不同[7]。

在穿越工程中，使用膨润土与泡沫剂相结合的方式来共同作用改良土体。实际工程中采用浓度为8%的膨润土、5%的泡沫剂，按泥浆：泡沫：原状土=1:1:6来进行土体改良。

3.1.3盾构掘进速度的控制

穿越施工时控制掘进速度使其平稳，对相同地质条件下盾构的掘进参数总结分析，掘进速度定为40 mm/min。做到匀速、不间断通过，在地层产生明显变形之前完成同步注浆及二次补注浆作业，将地表沉降量控制在允许范围以内，保证穿越区域内的桩基结构安全、不受破坏。

3.1.4盾构机壳减阻措施

在穿越桩基区域内为减小盾构机壳和周围土体的摩擦力，减小盾构对土体的扰动，降低土体后期的固结沉降，在盾构施工时可采取向盾壳外部加注高浓度高黏度的膨润土泥浆，在盾构机壳和土体之间形成一层薄膜，使壳体与土体之间始终保持润滑状态[8]。

通过对盾构周围土体的改良，使穿越过程中的盾构推力在32～35 MN范围内，明显小于穿越前后的盾构顶推力，大约可减少40%左右。

3.1.5出土量的控制

根据相同地质条件下盾构施工的经验，在盾构掘进过程中严格将出土量控制在192 m3/环，杜绝过量出土的情况，以确保实现土仓内始终密实填充，保持土仓压力的稳定，盾构掘进时在每个土斗内标注刻度，使每环出土量均匀稳定。

3.2注浆控制措施

3.2.1同步注浆控制措施

在盾构穿越段，同步注浆浆液为双液浆，通过浆液配比优化，将浆液凝固时间控制在25～40 s之间，同时，根据相同地质条件下的施工经验，在穿越段控制浆液的注入数量(10.1～11.3 m3/环)，最大程度地减少因充填不及时、不密实而造成的地层损失。

3.2.2二次补浆措施

为了弥补盾构掘进时盾尾同步注浆有可能填充不饱满的情况，提高沉降控制效果，在穿越段对已完成的隧道结构外侧及时进行补注浆，控制地层后期沉降[9-10]。补注浆采用后方注浆的方式，即在距离前端管片10环的位置预留注浆孔，在此处进行背后补浆，补注浆采用双控原则，注浆量控制在2.0～2.8 m3，注浆压力控制在0.45～0.50 MPa。

3.3其他控制措施

在盾构穿越机场快轨高架桥之前，应对盾构机进行检查，防止泥浆从盾构机尾部冒出，造成地面过大的沉降，此外还需要避免长时间停机导致土仓积水等现象。

在穿越过程中，应该加强监测频率，及时反馈监测信息来进一步指导施工。

4　监控量测分析

4.1监测要求

现场监测是为了动态掌握掘进过程中既有地铁结构的变化，通过对监测数据分析反馈信息来进一步指导施工，保证穿越过程中既有机场快轨的安全运营。该工程采用自动化及人工监测相结合的方法，对桥梁结构的墩台沉降、桥墩的水平位移及轨道的几何形位进行监测[11](见图9)。

图9　监测测点

4.2监测数据分析

通过对监测成果进行统计得出：高架桥墩的最大沉降值为0.7 mm。为了解在盾构过程中既有桥梁结构的位移变化规律，将穿越处影响范围内4个桥墩的时程变化规律曲线绘制如图10所示。

图10　各桥墩竖向位移曲线

可以看出，4个桥墩的变形趋势大致相同，位移都是先下沉然后出现一定的反弹最后又趋于稳定。总体上可以将变形趋势分为4个阶段(见图10①～④)。

微影响时期。即当盾头距离高架桥结构大约为1倍的盾径时，盾构施工开始对既有结构产生影响，此时，既有桥梁墩台沉降大约只有0.1 mm。

强烈影响时期。当盾构机刀盘逐渐临近高架桥结构时，桥墩的沉降变形速率加快，桥墩沉降几乎是直线式下降。但需要注意的是，在下降过程中，中间会有一段稳定区域，此稳定区是由于盾构机在穿越高架桥的过程中，由于盾构顶推力的作用，使得高架桥桩结构产生了一定量的隆起，隆起量大约在0.1 mm左右，因此会有稳定曲线段的出现。

同步注浆作用时期。曲线在这一阶段出现了一定量的反弹回升，是由于盾尾脱离高架桥，管片在拼装后实施同步注浆作用的效果。同步注浆使得管片与开挖土体之间的孔隙得到了填充，减小了既有结构的沉降。

二次注浆影响时期。可以看出，78号桥墩在该时期有的曲线呈现平稳趋势，75～77号桥墩出现了一定的下沉，出现差异的原因是由于二次注浆质量所导致的。如果能够及时、严格地进行二次补浆，既有结构的沉降将趋于稳定，否则，既有结构仍然会有一定的下沉，但此时的下沉量是很小的，本工程中虽然77号、76号桥墩出现了大约0.1 mm的下沉，但最终的结果仍能满足既有结构变形控制的要求。

5　结论

1) 通过有限元软件对大直径盾构下穿机场高架桥建模，计算分析既有机场高架桥结构的变形，得出在未采取任何加固措施的情况下，既有地铁结构的变形超过了规范允许变形值。

2) 分别对不同桥梁基础结构加固措施，从技术可靠、施工安全、经济合理的角度研究，得出采用复合锚杆桩的加固方案是较优的。

3) 考虑复合锚杆加固措施，对大直径盾构穿越机场高架桥建模分析，得出既有机场高架桥桥桩的最大沉降为1.6 mm，轨道的最大沉降为1.5 mm，能够满足规范要求并保证机场快轨的安全运营。

4) 在大直径盾构穿越机场高架桥过程中，为了保证既有桥梁结构的变形不超限，需要采取控制土仓压力、对土体改良、控制掘进速度、及时进行同步注浆等控制措施。

5) 通过对监测数据进行整理，分析盾构穿越高架桥梁过程中既有桥梁结构的变化规律，将既有桥梁结构位移的变化分为4个时期，可以为今后类似的工程提供一些指导建议。

[1] 刘建航，侯学渊.盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社，1991：20-31.

[2] 苏东，王得胜，幸智军，等.机场线盾构隧道下穿桥梁接近施工沉降控制[J].施工技术,2008,37(9)：67-68.

[3] 张海彦，何平，胡友刚，等.盾构穿越既有混凝土桥梁结构的风险控制指标[J].中国铁道科学，2014，35(3)：47-54.

[4] 芮勇勤，岳中琦，唐春安，等.隧道开挖方式对建筑物桩基影响的数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22(5)：735-741.

[5] 张云，殷宗泽，徐永福.盾构法隧道引起的地表变形分析[J].岩石力学与工程学报，2002，21(3)：388-392.[6] 江华，江玉生，张晋勋，等.大直径土压平衡盾构施工诱发地层变形规律研究[J].都市快轨交通，2015，28(2)：94-97.

[7] 郭东尘，雷俊卿，许欣.风险评估在地铁高架桥梁施工阶段的应用研究[J].地下空间与工程学报，2012，26(8)：1710-1715.

[8] 孙宗军.盾构施工与桩基础相互作用的三维力学分析与研究[D].南京：东南大学，2004.

[9] 吴贤国，张立茂，陈跃庆.地铁施工邻近桥梁安全风险管理研究[J].铁道工程学报，2012(7)：87-92.

[10] 林存刚，吴世明，张忠苗，等.泥水盾构隧道施工引起的地面沉降分析及预测[J].土木建筑与环境工程，2012(5)：25-32.

[11] 魏广文.北京地铁盾构隧道施工引起的地表沉降及建(构)筑物的变形控制标准研究[D].北京：北京交通大学，2008.

(编辑：郝京红)

Safety control for Large-diameter Shield Under-crossing the Viaduct of Airport Express

Peng Hua1Li Ji1Liang Yu2Ma Wenhui1

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044; 2. China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610000)

In order to study the safety control technology for large-diameter shield under-crossing the viaduct of Beijing airport express, a finite element model on large diameter shield crossing the airport viaduct is built through the numerical simulation software. The optimal reinforcement measures are chosen by comparing different strengthening schemes and the deformations of existing viaduct structure are predicted by the numerical simulation. By referring to the previous engineering experiences and the project's actual driving feedback information, the reasonable excavation parameters and the relevant control technologies are summarized. By collecting the monitoring data, the deformation law of the existing structure is analyzed. It is concluded that the deformation of existing viaduct structure can be divided into four periods, and the analysis results of this article can provide guidance for the future similar projects.

urban rail transit; large diameter shield; under-crossing the viaduct; safety control

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.01.011

2015-03-07

2015-05-04

彭华，男，博士，副教授，研究方向为道路与铁道工程，liji1991@163.com

国家自然科学基金(51478032)，北京市科委资助项目(Z141100002714011)

U231

A

1672-6073(2016)01-0042-05