富水砂卵石地层盾构下穿顶管箱涵数值分析研究

辛振省



富水砂卵石地层盾构下穿顶管箱涵数值分析研究

辛振省

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

针对富水砂卵石地层盾构下穿营运公铁两用顶管箱涵的工况，采用三维模拟计算分析、理论分析、经验类比等方法进行研究，提出对应的加固方案和关键施工参数，经过对施工过程的严密监控佐证研究成果的有效性，通过以上研究得出，盾构下穿敏感建构筑物过程中适合工程实际的地层加固范围的计算方法；用实践证明了某些经验的偏差；积累了关键参数，为后续工程的设计施工提供了重要的参考。

盾构下穿；顶管箱涵；地基加固；监控量测

1 工程概况

某地铁区间线路线间距14～15 m，隧道埋深约11.9～20.3 m。区间穿越京包铁路里程：K20+940～K21+065，隧道埋深20.1 m。

区间穿越既有营运铁路与市政道路共用的预制顶管箱涵，箱涵分东西两个顶管箱体，两涵间距离为3.77 m。为钢混结构，预制顶管法施工，西侧结构外包尺寸为43.15 m×8.75 m×29.73 m，东侧结构外包尺寸为43.15 m×7.8 m×31.06 m。箱涵底板厚1.05 m，侧墙厚1.05 m，顶板厚1.0 m。箱体的南北两侧局部（两端及两箱体接口）设置护坡桩，桩长为14 m，桩上设置了29 m长的锚索。箱涵两端出入口为U形钢筋混凝土结构，47.95 m×8.9（7.95）m×10 m，箱涵底板厚1.0 m，侧墙为梯形厚3.2（2.86）～0.5 m。顶管箱涵为2003年建成，目前正常使用。营运铁路上面现有5条线路正常通行，车辆密度为42辆/天。

盾构隧道上覆土厚度约11.9～20.3 m，隧道洞身主要穿越为粉质粘土、中粗砂、圆砾卵石。盾构隧道掘进断面大部分为富水砂卵石地层，局部地段弱承压。

2 三维数值计算分析

2.1 模型的建立

针对勘察报告所提供的地质资料参数及盾构隧道与箱涵的相对位置建立三维模型如图1所示，箱涵高度为5.8 m，跨度为20 m，盾构开挖直径为6 m，隧道衬砌厚度为300 mm。根据圣维南原理，为了使得边界约束条件不对开挖真实情况造成人为的影响，土层模型足够大，两侧边缘各距离隧道外边缘的距离均大于3倍的开挖直径，使得本仿真计算完全依照现场施工情况进行。为了能详细突出盾构在开挖推进的过程中，整个仿真模拟过程从距离箱涵外边缘48 m处开始，两隧道分布开挖，开挖推进间距80 m，开挖及支护以8 m为一个循环，开挖的同时进行支护，先开挖箱涵下面的隧道，后开挖箱涵侧面的隧道，从而充分体现盾构下穿箱涵的完成过程中围岩土体的力学场变化及箱涵的变化情况，为施工加固提供充分的依据，保证施工安全，同时做到加固有的放矢，达到经济、安全、高效的目的。模拟过程的地层分布完全按照勘察报告提供的地层分布于试验力学参数，由于其对称性，只对其一半进行计算，如图2所示。

图1 盾构下穿箱涵剖面尺寸图（单位：m）

图2 盾构下穿箱涵的三维仿真模型

2.2 数值计算分析

针对勘察报告所提供的地质资料参数及盾构隧道与箱涵的相对位置建立三维模型，箱涵高5.8 m，跨度为20 m，盾构开挖直径为6 m，隧道衬砌厚度为300 mm。由于两隧道盾构开挖在推进方向存在80 m间距，因此下面将从盾构未掘进开始总共分阶段进行分析说明。依次为盾构机1掘进下穿顶管箱涵，盾构机2掘进下穿箱涵两个阶段进行分析。

2.2.1 第一台盾构开挖至箱涵下方施工

盾构在开挖至箱涵后，由于箱涵上方铁路的载荷突然增加，箱涵处的地层应力向盾构开挖方向释放，形成十分明显的应力释放痕迹，同时，由于隧道的开挖，起到一个卸压的作用，可以看作一个卸压孔，因此铁路载荷使得箱涵中间的支撑墙所受的应力明显加大，形成应力集中，这是从数值计算得出的较为合理的规律，为后期加固施工提供了有力的依据。第二台盾构下穿箱涵过程中应力场、位移场、塑性区分布情况如图3所示。

盾构在箱涵下方施工开挖时，位移范围逐渐扩大，盾构隧道的顶部位移无论是范围还是量值都明显增大，且箱涵下方土体位移随着盾构开挖推进相应的沿纵向向前发展，从模拟数据看出盾构正上方地表下沉9～13 mm。整个位移场的最大位移仍然发生在盾构后方路面。

当盾构开挖至箱涵下方时，从模拟结果的破坏区分布与发展来看，塑性区与一般施工段相比差别很大，规律也十分明显，破坏在隧道周边的分布有所增大，尤其顶部范围有明显的增大，塑性区向着箱涵下方发展延伸，主要是由于箱涵下土层压应力明显增大，应力释放明显。从目前工况看，塑性区还没有发展到箱涵下方地表。

2.2.2 第二台盾构开挖下穿箱涵施工

第二台盾构下穿箱涵过程中应力场、位移场、塑性区分布情况如图4所示。

图4 第二台盾构下穿箱涵过程中应力场、位移场、塑性区分布情况

从隧道2掘进至箱涵下直至穿越箱涵整个过程的应力云图可以看出，隧道2穿越箱涵时，与隧道1穿越箱涵时的应力比较，应力明显增加，主要是由于上面的铁路载荷的影响所致，所以，再次进行盾构掘进时，需要实时进行加强支护。同时，箱涵中间的支撑墙应力集中有明显的减弱，这是由于隧道2的开挖使应力进一步释放，从而将部分力转移到隧道1与隧道2之间的土体中。此时，两隧道中间的土体所受力将加大，在进行支护时应有意识地加强支护。

隧道2穿越箱涵时，与隧道1掘进全过程及隧道2穿越箱涵前的位移比较，此时位移有明显增加，主要还是由于铁路载荷、公路载荷及土体重力影响所致，同时，最大位移的分布区域明显增加，从刚开始最大位移发生在公路中间向隧道测延伸扩大，而铁路路基最大位移的区域也同样在增加，从靠近盾构测向远离盾构测偏移。此时，应做好监测工作，不能有任何疏忽。从地表整体塑性区发展与分布图来看，纵向箱涵底部塑性区发展亦是随着隧道2盾构推进而相应地向前发展，破坏区发展最为快速、剧烈，主要由于盾构二次扰动过后露出管片，超挖空隙暴露，给地层的应力重分布及地层位移破坏创造了条件。

3 盾构下穿施工预加固范围计算及措施

3.1 盾构下穿影响范围确定

采用理论计算并结合盾构下穿施工三维数值计算分析，预估盾构下穿顶管箱涵的整个过程中可能发生破坏的区域。隧道施工影响范围为开挖面沿着50°线向上延伸至地面，即可得到需要加固的范围。该处盾构预开挖隧道顶部埋深20.1 m，隧道净距为8 m，隧道直径6.0 m。

南北方向预加固范围为：=14+（20.5+6.0+1.25）×tan50°×2=80.14 m，取81 m。

东西向影响范围如下：=88.22+（20.5+6.0）tan50°×2=151.38 m，取152 m。

扣轨加固保护范围示意图如图5所示。

3.2 加固措施-道床保护技术

在现有轨道的两轨枕之间，进一步加枕木，然后枕木和现有轨道要加垫块，以保证轨道受压力后，能够及时均匀地把压力传递到枕木上，枕木的长度以两端超过原轨枕30 cm为准。为了进一步增强加固枕木的整体性并使道床均匀受力，沿轨道方向，两侧用刚度较大的扣轨法把枕木连起来，如图6所示。

图5 扣轨加固保护范围示意图（单位：m）

图6 道床保护加固

3.3 加固措施——道床下深层地层加固

盾构施工前，预计影响范围内的道床下地层采用袖阀式二重管进行地层深层注浆加固，采用高压力把浆液注（压）入岩土层内部，以提高地层的承载力和强度。

4 现场监控量测

盾构下穿营运铁路顶管箱涵在本工程属特级风险源，穿越营运铁路的过程中加强盾构推进过程中的监控测量，及时向设计、施工方反馈周边环境的动态变化信息，使之能迅速调整、优化施工方法，确保工程和铁路行车安全。主要监测对象有穿越段盾构区间以及下穿范围内的地表、箱涵、轨道、挡土墙。具体如图7所示。

监测结果为：隧道穿越顶管箱涵过程中，掌子面前方约20 m内的土体开始有扰动下沉，属于收敛性下沉，基本稳定在1 mm/d。地层位移速度有正有负，说明土体有隆起和下沉，一般掌子面前方5 m内会有少许隆起，刀盘通过后开始下沉。根据本次监测数据的分析此次加固方案效果明显，方法得当。

图7 轨道及箱涵监测

5 结论

根据现场施工及前期理论分析和监控量测数据结果，盾构土舱压力应该根据附加荷载及地层压力计算得到，本工程设定的土舱压力0.236 MPa是合适的，因此现在业内采用的过建筑物的过程中要“轻推慢跑”的说法是没有理论依据的。根据现场施工及监测数据总结得到，下穿过程中土体扰动波及范围是以45°+向上延伸，并非以45°，加固范围和监测范围按照此范围进行确定是合理的，相比常规的45°进行影响范围确定和加固方法材料和工期较明显，经济效益突出。从整个施工过程看，同步注浆浆液的注浆量为超挖空隙的1.5倍是合理的，浆液初凝时间以4～6 h为佳，同步注浆压力设置在0.21～0.26 MPa，能在很大程度上减少地层沉降。

［1］刘国栋，袁冯丹，许超.软土地层盾构穿越密集房屋群水平定向注浆加固技术［J］.隧道建设，2018，38（07）： 1228-1235.

［2］辛振省.盾构隧道近距离穿越桥墩桩基的力学行为研究［J］.铁道工程学报，2008（05）：72-75.

［3］刘建卫.盾构穿越城市建（构）筑物桩基的施工技术研究［J］.铁道标准设计，2010（02）.

［4］阮雷，蹇蕴奇，鲁茜茜，等.盾构隧道埋深对临近铁路桥梁的影响分析［J］.隧道建设，2018，38（Suppl 1）：79-86.

［5］张晋勋，江华，程晋国，等.盾构开挖引起的地层位移空间分布预测模型［J］.铁道工程学报， 2017， 34（11）： 77-81.

2095－6835（2019）02－0151－03

U455.43

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.151

辛振省（1980—），男，2007年毕业于北京科技大学工程力学专业，硕士研究生，高级工程师，现主要从事隧道及地下工程和科研工作。

〔编辑：张思楠〕