近距离并行高架时盾构施工防护技术

赵风岭，李强

（1.中国铁路北京局集团有限公司工程质量监督站，北京 100860；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

随着城市化的推进，城市地下空间的开发利用越来越成为热点话题，特别是大中城市的土地资源越来越紧缺，越来越成为城市经济社会发展的重要制约因素之一，因此空间资源开发利用方向也越来越向地下发展[1-4]。在密集的城市轨道交通线网中，新建市政管线、轨道交通、地下通道、综合管廊等不可避免地会下穿既有轨道交通结构，引起既有结构发生变形，导致结构损伤或影响轨道交通的正常运营[5-7]。因此，下穿工程是目前城市地下工程建设中风险最高、难度最大的工程。

目前，国内外以隧道施工对既有结构影响为主旨，开展了一定的研究。譬如通过解析解方法，分析了隧道开挖引起的地层位移、沉降，采用小比尺试验和离心模型试验进行隧道施工引起相邻地层位移影响的分析，开展工程案例现场数据分析，推演施工对既有建筑物的影响[8-11]。相关研究取得了一定进展，为盾构下穿既有结构物的研究做出了贡献。在现有研究中，盾构隧道并行既有地铁高架基础的研究较少。本文基于铁路隧道工程实例，对并行高架基础时的工程防护技术及其效果进行了分析，提出了可靠的防护方案，为后续并行工程提供了理论经验。

1 工程情况概述

1.1 场地情况

新建北京至张家口铁路工程清华园隧道位于北京市海淀区，隧道全长6 020 m，采用明挖+盾构法施工，其中，盾构段长4 448.5 m，分2个区间组织施工，2—1盾构区间长2 707.5 m，3—2盾构区间长1 741 m。清华园隧道3号井—2号井区间西侧紧邻地铁13号线，与13号线呈平行状态、间距均匀，盾构机距地铁13号线承台净距14.5耀14.8 m、隧道边界距13号线承台净距14.7耀15.0 m。盾构机始发后，水平以直线、竖向以1.25%下坡向小里程掘进，隧道埋深由6.8 m增加到11.3 m（对应盾构机覆土深度为6.6耀11.1 m）。

地铁13号线采用高架桥形式沿清华园隧道西侧铺设，桥墩基础为直径1 m钻孔灌注桩，单桩长22 m，2~4桩承台，承台上为混凝土方形柱墩。地铁13号线轨道结构型式为60 kg/m钢轨，1 435 mm标准轨距，无缝线路，整体倒床。

3号井—2号井盾构区间穿越的土层自上而下分别为杂填土层、粉质黏土层、粉土层、粉质黏土层、卵石土层，盾构施工穿越的土层为粉质黏土层、卵石土层，局部夹杂少量粉、细砂层。北京地区第四系地层中的松散岩类孔隙水按埋藏条件分为上层滞水、潜水和承压水。局部分部少量上层滞水，分部无规律，仅局部分布，该层水位埋藏深度一般在3.4~5.7 m左右；层间潜水，水位埋深为22.0~24.0 m左右，含水层为卵石土层、粉土层、粉砂层、细砂层、中砂层、粗砂层等。

1.2 防护方案设计

为了确认不同防护结构的防护效果，在3—2区间始发段盾构隧道与高架之间设置钻孔灌注桩、复合锚杆桩、跟踪注浆3种不同形式的防护结构对地铁13号线高架进行防护，通过采集监测数据，分析不同结构的防护效果，从而选择最优的防护措施。试验段（DK18+200—DK17+825）总长375 m。前200 m（DK18+200—DK18+000）为始发试验段，主要用于测试盾构机自身性能，调整合理的施工参数；剩余175 m（DK18+000—DK17+825）为防护措施试验段，基于稳定的掘进参数基础上，对3种防护措施的效果进行试验，如图1所示。

图1 防护试验段防护措施整体平面布置图Fig.1 Overall layout of the protecting plans in protective test section

在175 m范围内对地铁13号线防护措施由强至弱逐渐递减。DK17+985断面布置方案：准800@1 200 mm钻孔灌注桩1排，钻孔灌注桩打入隧底以下2 m，单桩长22.23 m，钻孔灌注桩距离盾构隧道边界最小距离1.5 m；DK17+885断面采用复合锚杆桩，布置方案：准180复合锚杆桩，3排梅花形布置，间距0.8 m伊0.5 m，复合锚杆桩打入底板以下3 m，距离盾构隧道边界最小距离2.0 m；DK17+835断面采用跟踪注浆的防护加固措施，注浆管采用了42 mm袖阀管，间距1.5 m伊2 m布置，袖阀管打入隧底以下2 m，注浆半径0.8 m。由于DK17+985、DK17+885和DK17+835断面所对应的邻近桥墩皆为4桩承台，因此在后续分析中重点介绍了不同防护方案下，4桩承台的变形情况。

2 防护方案的数值仿真分析

采用PLAXIS进行数值模拟分析，模型整体尺寸为200 m伊80 m伊70 m，采用桩单元模拟桥桩，采用实体单元模拟土层。采用静力分析步骤，模拟不同开挖阶段防护桩和桥墩的变形情况。把3种不同的防护措施放在一个模型中，整体分析不同防护措施的影响。隧道拱顶埋深9.3 m，桥桩与隧道中线最小距离为14.8 m。

分别对DK17+985、DK17+885、DK17+835三个断面进行模拟分析，计算相应的地层和结构变形。

通过计算可知，采用钻孔灌注桩进行防护的DK17+985断面，地表沉降最大值为9.12 mm，钻孔灌注桩横向最大位移为4.91 mm，桥桩最大横向位移为1.85 mm，从变形可以看出，盾构开挖前布置钻孔灌注桩，对变形传递有一定的阻隔效果，能够有效降低桥桩的沉降变形。采用复合锚杆桩进行防护的DK17+885断面，地表沉降最大值为10.25 mm，复合锚杆桩横向最大位移为4.75 mm，桥桩最大横向位移为1.79 mm。同钻孔灌注桩相比，复合锚杆桩对阻隔横向变形传递效果相差不大，但对减小地表沉降的效果不如钻孔灌注桩。采用跟踪注浆进行防护的DK17+835断面，计算可知，地表沉降最大值为11.53 mm，桥桩最大横向位移为1.75 mm。同其他防护措施相比，注浆层防护效果最弱，对减小地表沉降变形效用最低。

将3种防护措施处理后地表沉降情况汇总，如图2所示。图中虚线为桥桩所在位置。

图2 不同断面地表沉降曲线Fig.2 Surface settlement curves of different sections

防护结构与隧道中心线相距8~10 m，从图中曲线能够明显看出该位置地表沉降曲线有拐点，这表明采用防护桩或复合锚杆桩，都能够有效隔断地层变形传递，保护13号线桥梁结构不受隧道开挖的影响。

3 防护措施现场试验

3.1 监测布置

以DK17+985断面为例进行分析，监测断面布置5个地表测点监测地表沉降，1个模拟桩（包含4个测斜管）监测桩顶沉降及桩身水平位移，1排钻孔灌注桩（包含3个测斜管）监测桩顶沉降及桩身水平位移，监测布置如图3所示。

图3 DK17+985断面监测点布置图Fig.3 Locations of the monitoring points on the section DK17+985

3.2 地表沉降

以DK17+985断面为例进行地表沉降观测，如图4所示。

图4 DK17+985断面地表沉降图Fig.4 Surface settlement of the section DK17+985

由图4可以看出，测点随着掘进距离的增加，在前20 m范围内沉降值明显增大。本监测断面的地表沉降点总体来说量值很小，沉降速率在开挖面到达测点的时候接近最大值，而后由于盾尾同步注浆及二次注浆会使沉降得到补偿，最终沉降在14 mm以内。从图中还可以看出，桩侧土体的沉降最小，不到2.2 mm，其分布仍然可用高斯曲线近似模拟，钻孔灌注桩有效地阻隔了变形的传递。

3.3 防护桩顶沉降

以DK17+985断面为例进行防护桩顶沉降观测，如图5所示。

图5 DK17+985断面防护桩顶沉降图Fig.5 Settlement of the protecting pile on the section DK17+985

由图5可以看出，桩的沉降非常小，最大值仅为2.1 mm，由于桩相对于土体而言，刚性较大，其桩顶沉降与桩底沉降基本相等，而隧道底部的沉降已经很小，所以桩顶部的沉降较小。

3.4 防护桩水平位移

以DK17+985断面为例，监测防护桩的水平位移，呈现出向隧道外侧顶的变形规律，如图6所示。其中变形稳定阶段的水平位移整体变形趋势和量值较到达前、切口到达和盾尾脱出3个阶段的变化大，最大变形值在1~2 mm范围内。

图6 DK17+985断面防护桩水平位移图Fig.6 Lateral displacement of the protecting pile on the section DK17+985

4 评价指标及分析评价

防护措施的作用主要是隔断变形的传递过程，即土体变形在防护结构两侧表现出不同的变化规律。为了定量化地体现防护结构的这种防护效果，基于防护结构横断面变形稳定阶段的地表变形曲线，通过公式（1）计算得到变形斜率相对减小率浊。

式中：K0为选取变形曲线防护结构外侧曲线斜率；Ki为防护结构内侧曲线斜率。

将选取防护段每个断面稳定阶段的地表沉降曲线计算评价指标浊，并通过对比浊的值来评价3种防护措施的效果。计算结果见表1。

表1 防护措施效果评价表Table 1 Evaluation on the defending effect of protecting measures

从表1可以看出：防护试验段3种防护措施效果强弱顺序如下：钻孔灌注桩>复合锚杆桩>跟踪注浆。

5 结语

本文采用数值模拟和现场试验相结合的方法，对近距离并行高架的盾构施工过程进行了分析，研究了不同防护方案下盾构施工引起的临近建筑变形，主要结论如下：

1）3种防护措施在盾构隧道施工中，都起到有效阻隔地层变形的效果。防护桩的水平位移呈现出向隧道外侧顶的变形规律，其中变形稳定阶段的水平位移整体变形趋势和量值较到达前、切口到达和盾尾脱出3个阶段的变化大。

2）防护措施对地层损失的影响较小，防护措施的作用主要是隔断变形的传递过程。防护试验段的3种防护措施对地层变形均具有一定的隔断作用，钻孔灌注桩较复合锚杆桩的好，地层跟踪注浆加固防护措施的效果最弱。

3）从监测数据分析来看，目前试验段盾构施工参数控制较好，地表最终沉降在14 mm以内，桩的沉降量仅为2.1 mm。防护桩的水平位移向隧道外侧顶，最大变形值在1~2 mm范围内。