盾构隧道下穿河道及侧穿桥桩方案设计

韩悦 HAN Yue

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510000）

0 引言

近年来，随着城市地铁的快速发展，地铁隧道下穿河道及侧穿桥桩的风险工程增多。盾构隧道的施工对土层的扰动容易引起桥梁的沉降、附近管线的沉降和变形，穿越河道更是容易引起隧道渗水及河床沉降；且在不同地区地层性质不同的情况下对于盾构施工的沉降及变形影响程度不同，盾构隧道穿越河道及桥梁的距离把控及风险源加固、施工措施是一个值得深入研究的课题。本文以北京地铁17 清河营站～天通苑东站区间下穿清河及侧穿清河桥桩为例，通过数值分析手段与施工后监测数据相互验证盾构隧道穿越河道及桥桩方案，提出有效的盾构区间下穿河道及侧穿桥桩设计方案。

1 工程概况

北京地铁17 号线清河营站～天通苑东站区间为盾构区间，采用土压平衡盾构机，盾构外径6.4m，盾构区间于右线里程YK41+091.427～YK41+194.820 范围内下穿清河及侧穿清河桥桥桩。

清河的基本概况：

根据1999 年编制的《清河治理工程规划》，清河在拟建地铁17 号线处，规划河道横断面为梯形断面，斜坡采用浆砌石衬砌至50 年一遇洪水位，规划河底宽70m，边坡系数为2，糙率为0.022，纵坡为0.0003，规划河道上口宽为92m。该处规划河底高程为25.57m。规划河道两侧绿化隔离带宽均为70m，区间下穿河道最小间距10.977m。

清河桥的基本概况：

清河桥位于北苑东路跨越清河，桥梁中线与北苑东路轴线交角为90°，桥梁中线与清河规划河道斜角角度为89.693°。桥梁全长4*23.5+10=104m。桥面全宽48.5m，两侧人行步道各宽4.5m，非机动车道各宽3.5m，机动车道16m+15m，中央隔离带1.5m。

1.1 上部结构

桥梁上部结构为四孔预制预应力混凝土简支T 梁及一孔预制预应力混凝土简支空心板，桥梁全长4×23.5+10=104m，桥宽48.5m，桥梁总面积5044 平米。简支T 梁及简支空心板主梁工厂预制并采用后张法预应力，四孔简支T 梁设置桥面连续。

简支T 梁跨径23.5m，梁高1.50m，半幅桥设置14 片T 梁。

简支空心板跨径10m，梁高0.70m，半幅桥设置19 片空心板。

1.2 下部结构

0# 边墩为现浇钢筋混凝土盖梁，下接1.2m钻孔灌注桩。

1～3#中墩采用现浇预应力混凝土盖梁，每个盖梁下接2 个2m×1.2m 墩柱，墩柱下接四桩承台，钻孔灌注桩直径1.2m，桩长25m。

4#中墩为简支T 梁与简支空心板共用墩，采用现浇钢筋混凝土盖梁，下接1.2m 钻孔灌注桩，桩长30m。

5#边墩为现浇钢筋混凝土盖梁，下接1.2m 钻孔灌注桩，桩长30m。

4#、5#墩跨北侧巡河路设置桩间挡墙作为北侧巡河路两侧挡墙使用。

1.3 附属结构形式

①桥面铺装采用4cm 改性沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-13 沥青混凝土，5cm 中粒式沥青砼AC-16C 铺装。其下为10cmC50 混凝土桥面铺装层。

②桥面伸缩缝采用三向位移止水型单组伸缩缝。

③桥梁接道路侧采用6m 长钢筋混凝土桥头搭板。

④简支T 梁在端横隔板与盖梁上设置抗震销设施，空心板采用铰缝抗震锚栓设施。

区间侧穿桥桩最小净距3.335m。

河底地层分别为：①1杂填土、②1黏性土填土、②3粉细砂（2.6m 厚）、③1④⑥粉质黏土、④2⑥2粉土、⑦2粉细砂（3.1m 厚）。

地下水：承压水（三）埋深3.89m、承压水（四）埋深14.29、承压水（五）埋深18.89m。

隧道顶埋深11.03m、距离河底7.86m，隧道与河底间存在2.53m 砂层及5.33m 粉质粘土层，隧道穿越桥桩位置位于粉质粘土夹杂1m 厚砂质粉土地层范围，隧道右线上不平行下穿φ1800 污水管，竖向净距6.455m。具体位置关系及地层见图1。由于盾构隧道顶部有5.33m 的粉质黏土，本工程考虑径向注浆易穿透粉质黏土隔水层造成清河与隧道间水流路径连通，增加盾构隧道施工风险，不采用径向注浆的加固方式。

图1 下穿区域剖面位置关系图

2 重难点分析及研究意义

①本工程为典型的盾构垂直穿越河道工程，盾构隧道与河底净距为10.32m（1.5 倍盾构直径），且考虑隧道与河底间存在5.3m 粉质黏土隔水层未采取盾构穿越后的常规二次径向注浆加固措施，对今后类似工程具有较强的借鉴意义；②盾构穿越河道同时近距离穿越桥桩且区间右线曲线段平行下穿直径1.8m 污水管线，隧道与桥桩净距为3.335m，与管线净距6.455m，对盾构掘进过程中变形控制要求很高。

3 风险等级及变形控制标准

依据《北京市城市轨道交通土建工程设计安全风险评估规范》规定清河营站～天通苑东站区间下穿清河及侧穿清河桥桥桩风险等级为一级风险。经专项风险评估，结合规范要求确定具体控制值如下：①预应力砼简支梁相邻墩柱竖向（纵向）不均匀沉降控制值为10mm；②中墩预应力盖梁横桥向相邻基础差异沉降控制值为3mm；边墩钢筋混凝土盖梁横桥向相邻基础差异沉降控制值为2mm；③墩柱新增倾斜度不大于1/1000；④桥梁均匀竖向沉降控制值为15mm；⑤河堤、污水管、挡墙沉降控制值15mm。

4 下穿加固方案及数值分析

4.1 技术措施

因土层应力释放所产生变形的施工控制要点：①盾构面板开口处土仓压力小于前方土体压力时土层中发生的应力释放；②曲线地段盾构机超挖引起的应力释放；③盾尾间隙在同步注浆不及时或注浆量不足所引起的应力释放。

本工程采用的技术措施：

①穿越前认真对刀盘、注浆系统、密封系统、推进千斤顶及监控系统等设备检查，调整并确保盾构机性能良好，严格保证盾构匀速、连续穿越风险源区域，确保盾构机在风险源区域范围内不停机；两台盾构掘进时间至少错开一个月，保证左线通过沉降稳定后，方可进行右线下穿。②下穿期间应保证盾尾密封有效，避免发生因盾尾漏浆而导致实际注浆量减小的情况；及时进行同步注浆和二次注浆，充填管片与土体间的空隙。③加注发泡剂、膨润土等润滑剂，进行土体改良，减少刀盘所受扭矩，降低对土体的扰动，严格管理土压。④及时布设测点，穿越过程中加强道路监控量测，并根据监测结果及时调整盾构掘进参数。施工前，施工单位应制定针对性应急预案。⑤在盾构施工过程中，建立完善的监控系统，进行系统全面的跟踪监测，实行信息化施工，密切关注区间施工对框架桥的影响，必要时采取其他应急措施。⑥下穿前设置试验段，摸索出相同地层盾构顺利掘进的各项参数；总结试验段的土仓压力、推进速度、出土量，注浆压力和注浆量等参数，优化掘进参数，以便指导盾构下穿框架桥的施工。

由于本工程未采用径向注浆加固隧道与风险源间土体，采用同步注浆盾尾同步注入克泥效与水玻璃双液浆充填管片与土体间的空隙。

4.2 计算分析

计算采用Midas GTS NX 分析软件建立三维有限元模型进行分析（见图2），采用修正的Mohr-Coulumb 本构模型先右线后左线盾构穿越清河及清河桥的顺序模拟施工步序，计算中的参数均取自地勘报告，但由于地勘报告提供的是侧限压缩模量，按规范的规定，在地基变形验算中要用的是压缩模量Es，但因Es 是通过现场取原状土进行试验的，这对于粘性土来说很容易做到，但对于一些砂土和砾石土等粘聚力较小的土来说，取原状土是很困难的，很容易散掉，因此对砂土的砾石土通常都是通过现场载荷试验得到Eo，所以在地堪报告上，对于砂土的砾石土一般都仅给出Eo，即使给出Es，也是根据Eo 换算来的，而不是试验直接得出的。

图2 计算模型

模拟计算的三轴割线模量由变形模量Ei 换算得到，首先需根据公式转换成静力状态下的变形模量，再根据割线模量计算公式得到三轴割线模量。

在采用修正莫尔库伦准则时还需要确定卸载模量，根据《Midas GTS NX 手册》建议卸载/重新加载刚度取为割线模量的3 倍，割线模量取为切线模量的1 ～1.2 倍。

计算结果如图3。

图3 计算结果

①预应力砼简支梁相邻墩柱竖向（纵向）不均匀沉降值最大为7.27mm，满足控制值为10mm；

②中墩预应力盖梁横桥向相邻基础差异沉降最大值为1.56mm，满足控制值为3mm；边墩钢筋混凝土盖梁横桥向相邻基础差异沉降最大值为1.7840mm，满足控制值为2mm；

③墩柱新增倾斜度最大值为0.4626/100，满足控制指标不大于1/1000；

④桥梁均匀竖向沉降控制值最大为11.7162mm，满足控制值15mm；

⑤河道、挡墙及管线最大沉降7.98mm，满足控制值15mm。

5 施工监测结果

①预应力砼简支梁相邻墩柱竖向（纵向）不均匀沉降值最大为4.02mm，满足控制值为10mm；②中墩预应力盖梁横桥向相邻基础差异沉降最大值为1.25mm，满足控制值为3mm；边墩钢筋混凝土盖梁横桥向相邻基础差异沉降最大值为1.28mm，满足控制值为2mm；③墩柱新增倾斜度最大值为0.35/100，满足控制指标不大于1/1000；④桥梁均匀竖向沉降控制值最大为10.34mm，满足控制值15mm；⑤河道、挡墙及管线最大沉降7.73mm，满足控制值15mm。

6 结语

在地层较好地区盾构隧道穿越河道及桥桩的设计中，可不采用洞内径向注浆加固措施控制盾构施工引起的地面沉降及铁路桥变形，必要时采用盾尾同步注入克泥效与水玻璃双液浆措施。可有效控制盾构掘进施工对河道及桥梁变形的影响。