盾构隧道下穿护城河桥沉降控制研究

孟令志

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京）

引言

随着国家工业化和信息化的快速发展，城市轨道交通建设机械化、智能化的程度越来越高。城市轨道交通建设具有水文地质条件复杂、周边环境风险多样、社会关注度高等特点，盾构区间具有机械化程度高、可用于复杂的水文地质条件、对周边建构筑物影响小、安全性高等优势。因此，越来越多的城市将盾构区间施工在整条线路城市轨道交通建设的占比作为衡量施工风险高低的依据。盾构近距离下穿城市河流及过河桥梁，在不良水文地质条件与环境高级风险叠加影响下，确保隧道施工及桥梁安全，是城市轨道交通建设中风险管控的重点与难点。国内的专家学者对此类工程做过相关研究，一方面体现在借助数值计算的方法研究了盾构下穿过程中既有桥梁的变形规律[1-7]；另一方面体现在通过案例分析对盾构下穿的沉降控制技术[8-10]进行了探究。但总体而言，多数研究成果一般是单一环境风险沉降规律或者沉降技术的研究[11-12]，对环境风险叠加水文地质风险的研究尚比较少见。本文以新建工程为背景，通过施工前预测分析、施工前不良地质处理、施工中管理控制、施工后实测验证的方式对盾构下穿护城河桥进行沉降控制研究，研究成果可为类似穿越工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 区间工程概况

新建盾构区间全长约790 m，区间线路中心线间距13～14 m，采用“V”字坡，拱顶埋深12.9 m～25.3 m。区间采用两台盾构机施工，由小里程端车站始发，大里程端车站接收。

盾构区间于中部里程位置下穿护城河及护城河桥，拱顶覆土埋深约12 m，洞身主要位于砂土状碎裂岩和块状碎裂中，饱水的砂层距区间拱顶约1～3 m，该段隧道围岩等级为Ⅵ级。该段地质整体位于灵山卫断裂影响带内，构造碎裂岩发育，岩体呈砂土状- 碎块状，软硬不均，节理密集发育，岩体破碎，完整性差，地下水水量丰富，围岩稳定性差。该段洞身范围内岩石饱和单轴抗压强度约为20 MPa，铁路规范经验式最大涌水量为25 m3/d·m。

1.2 既有桥梁概况

护城河桥位于护城河之上，护城河为城市地表水，护城河与区间线路相交处宽约9 m，河底埋深约5 m。护城河河床裸露，河底未采取硬化及防渗处理。该河渠为上游水库的泄洪通道，渠内水量受季节影响明显，主要靠大气降水补给，平时水量较少，大部分时间呈断流状态，雨季期间河道内水深约0.5 m。区间正穿该河渠。护城河桥建设年代不详，为城市主干道重要交通要道。护城河桥长约13 m，宽约31 m，桥面板分左右两幅，两幅桥面板尺寸均为：15.3 m×13 m。桥面板厚0.2 m。桥两端为扩大基础，两端承台支撑铰接，基础埋深约5.5 m，河底部分基础埋深约2.7 m。区间与护城河桥平面位置关系如图1 所示，区间与护城河桥剖面位置关系如图2所示。根据区间与护城河桥的位置关系及重要程度，区间下穿护城河桥及护城河桥为环境Ⅰ级风险工程。

图1 区间与护城河桥平面位置

图2 隧道与护城河桥位置关系

护城河桥环境风险等级为Ⅰ级，重要性等级为II级。盾构穿越护城河桥风险较高，对护城河桥进行检测鉴定并给出安全控制保护标准。桥梁墩台允许沉降控制值≤25mm，纵向相邻桥梁墩台间差异沉降控制值为2 mm，横向相邻桥梁墩台间差异沉降控制值为3 mm，承台水平位移控制值为3 mm。

1.3 工程难点

2 变形预测分析

因本工程风险等级高，自身及环境复杂，为保证桥梁运营安全，采用数值计算的方法模拟隧道下穿过程，预测桥梁变形规律，必要时可采取控制措施保证顺利下穿。

2.1 模型建立

采用Midas GTS 建立三维地层- 结构施工阶段模型，模型中桥梁与隧道均为实际尺寸，两侧取4 倍隧道宽度，底部取4 倍隧道高度，纵向为实际开挖长度。法向约束侧面和底面位移，顶面不设约束。隧道下穿护城河桥整体结构模型如图3 所示，图4 为隧道与护城河桥模型。

图3 隧道下穿护城河桥整体结构模型

图4 隧道与护城河桥模型

模型的计算假定和本构关系如下：（1） 土体采用实体弹塑性摩尔- 库仑模型，桥台及基础采用实体线弹性模型，桥面采用板单元线弹性模型。盾构管片采用板单元线弹性模型，管片外径6 000 mm，内径5 400 mm，管片厚度300 mm。材料计算参数见表1。（2） 盾构机采用直径6 280 mm的刀盘进行施工。盾构隧道施工主要考虑盾构机掘进推力及掌子面扭矩。盾构掘进推力通过激活或钝化均布荷载进行模拟；掌子面扭矩通过激活或钝化掌子面周边扭矩进行模拟。根据计算，掘进时盾构机扭矩取4 000 kN·m，掘进时盾构机单位推力取1 250 kN /m2。（3） 重点研究的下穿区域及其上部护城河桥结构加密网格划分，通过添加水位面模拟护城河对穿越的影响。

表1 材料计算参数

2.2 计算结果分析

下穿护城河桥施工步序，首先进行盾构左线穿越，后进行盾构右线穿越。以此研究盾构穿越对桥梁的影响。

根据计算结果，盾构穿越护城河桥后，护城河桥竖井沉降如图5 所示，地层竖向沉降云图如图6 所示。

图5 护城河桥竖向沉降云图（mm）

图6 地层竖向沉降云图（mm）

通过计算，盾构穿越护城河桥，地面最大累计沉降值为-18.6 mm；护城河桥梁墩台最大沉降值为-15.8 mm，横向相邻桥梁墩台间差异沉降值为8.3 mm。护城河桥差异沉降不能满足控制保护要求，因此盾构通过前需对护城河桥采用安全措施，确保盾构顺利穿越。

3 沉降控制方案

经研究，护城河桥为城市主干道重要交通要道，盾构穿越时地面交通需正常通行，且桥台基础位于含黏性土砾砂层，盾构通过时地层沉降将引起桥台基础不稳，因此考虑对桥台基础周边及下穿土体进行注浆加固，使之满足盾构安全掘进要求及道路、管线的正常运营。

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3.1 注浆加固方案

盾构通过前，提前对护城河（桥）下地层进行注浆加固。

3.1.1 加固难点（1） 护城河桥为城市主干道，施工期间不可中断交通。（2） 桥下土层主要为砂层，受交通车辆振动影响，钻孔易塌孔。（3） 护城河桥，建设年代不详，建成后一直为城市主干道提供服务，注浆时不得损坏桥梁结构。

3.1.2 加固设计 经研究，为避免河流影响注浆效果，加固选择在枯水期进行，由道路两侧及桥下成一定角度同步对砂层进行注浆加固。地面分段封闭，尽可能降低对地面交通影响。设计采用袖阀管前进式注浆工艺，注浆管采用Ø48mmPVC 管，布孔间距1.5 m×1.5 m梅花形布置；加固范围为桥基以下至强风化岩面约7.2 m，沿隧道纵向基础外2.5 m。注浆加固剖面如图7 所示。

图7 注浆加固剖面（mm）

注浆参数：（1） 浆液材料：最外排注浆孔采用水泥- 水玻璃双液浆，内侧采用水泥浆。（2） 注浆压力：0.2～0.5 Mpa。（3） 注浆顺序：先隧道周边后中间。（4） 注浆结束标准：单孔注浆压力逐渐升高至设计终压并继续注浆10 min 以上，且注浆量不小于设计注浆量的80%，进浆速度为初始进浆速度的1/4，可结束本孔注浆。（5） 注浆效果检查：注浆完成后，应采用钻孔取芯法对注浆效果进行检查，取芯结果注浆后土体渗透系数应小于10-6cm/s，无侧限抗压强度不小于1 MPa。并进行（抽）压水试验，检查孔涌水量小于1.0 L/min。

3.1.3 加固体检测 采用芯样切割机、压力试验机对加固体试样进行无侧限抗压强度检测，经检测试样强度1.5 Mpa，满足要求。

采用压水试验对注浆体的渗透系数进行检测，渗透系数k=5.2×10-7cm/s，满足要求。

3.2 掘进控制技术

盾构下穿护城河桥施工分为穿越前试掘进、穿越中风险管控以及穿越后的风险补偿，将下穿风险降为最低。

3.2.1 穿越前试掘进（1） 选择护城河桥前100 m 类似地层作为试掘进穿越段，摸索盾构机控制参数。（2）盾构掘进主控项目主要包括土仓压力、推进速度、总推力及扭矩、出土量、刀盘转速和扭矩、注浆压力和注浆量。根据土压平衡盾构的工作原理，土仓压力需要与开挖面的正面水土压力平衡以维持开挖面土体的稳定，减少对土层的扰动。土仓压力通过调整掘进速度与排土量进行控制。试掘进段可适当提高土仓压力（理论计算值的1.0～1.2 倍），并通过监控量测校核反馈进行调整，使土仓压力达到稳定平衡状态。掘进速度主要通过调整盾构推进力与刀盘转速进行控制。排土量主要通过调整螺旋输送机的转速来调节。在掘进过程中，应根据所处的地质条件、出渣情况以及掘进的控制参数等动态调整优化。（3） 出土量管理是控制地层损失率的最直接、最有效的手段。在试验段的掘进中，对出土量的体积和重量的验证是检验出土量理论计算的最有效手段，出土量的实际情况必须通过实际情况进行验证，施工过程中通过收集的掘进数据对出土量的控制数据进行优化调整。

3.2.2 在掘进至风险点前20 m 时，进行刀盘、注浆系统、密封系统、推进千斤顶及监控系统等设备的检修，确保穿越过程中设备无故障、连续匀速通过。

3.2.3 通过护城河桥过程中适当放慢掘进速度，匀速穿越以尽量减少对围岩的扰动。

3.2.4 加强盾构防喷涌设计，并进行针对性渣土改良。

3.3 模拟计算分析

根据盾构掘进施工步序，建立数值计算模型，分析左、右线分别下穿护城河桥，护城河桥变形及沉降情况。

根据计算结果，左线穿越护城河桥后，护城河桥竖向沉降如图8 所示，右线穿越护城河桥后，护城河桥地层竖向沉降云图如图9 所示。地层竖向沉降云图如图10所示。

图8 护城河桥竖向沉降云图1（mm）

图9 护城河桥竖向沉降云图2（mm）

图10 地层竖向沉降云图（mm）

通过计算，左线盾构穿越护城河桥，护城河桥梁墩台最大沉降值为1.3 mm，右线盾构穿越护城河桥，护城河桥梁墩台最大沉降为2.3 mm，横向相邻桥梁墩台间差异沉降值为1.9 mm，纵向相邻桥梁墩台差异沉降为1.1 mm。地面最大累计沉降值为10.8 mm；护城河桥沉降及差异沉降均满足控制保护要求。对不良地质注浆后，通过对施工管理控制，可确保盾构顺利穿越护城河桥。

4 监测结果分析

盾构穿越护城河桥，首先下穿区间右线，然后下穿区间左线，区间左右线错开约100 m。盾构下穿前后对护城河桥墩台布置监测点，监测护城河桥沉降及差异沉降变化情况。通过监测数据反馈调整盾构掘进参数，确保护城河桥安全。护城河桥沉降监测点布置平面如图11所示。护城河桥沉降曲线如图12 所示。护城河桥差异沉降曲线如图13 所示。

图11 护城河桥沉降监测点布置平面

图12 护城河桥沉降曲线

图13 护城河桥差异沉降曲线

区间右线下穿过程中，护城河桥墩台最大累计沉降为2.15 mm，最大沉降监测点为JGC/JGY05；护城河桥横向最大差异沉降监测点为JGY06-JGY04，差异沉降为1.01 mm；护城河桥纵向最大差异沉降监测点为JGY04-JGY03，差异沉降为0.86 mm；区间下穿完成后，通过管片壁后注浆，对护城河桥变形进行补偿，注浆完成后护城河桥最大隆起0.35 mm。

区间左线下穿过程中，护城河桥墩台最大累计沉降为2.20 mm，最大沉降监测点为JGC/JGY04；护城河桥横向最大差异沉降监测点为JGY06-JGY04，差异沉降为1.40 mm；护城河桥纵向最大差异沉降监测点为JGY04-JGY03，差异沉降为0.68 mm。区间下穿完成后，护城河桥变形趋于稳定，最终护城河桥沉降在控制范围（≤25 mm）以内，纵向差异沉降在控制范围内（≤2 mm），横向差异沉降在控制范围内（≤3 mm）。

通过对监测数据分析得知，盾构土仓压力及总推力等掘进参数调整会引起护城河桥沉降变化；管片壁后回填注浆对控制护城河桥沉降有显著作用，通过同步注浆填充管片与地层间的空隙可控制地层变形进而控制护城河桥沉降，通过二次注浆对护城河桥下地层变形主动控制，可对护城河桥已发生的变形进行补偿，更好地将变形控制的合理范围内。

通过与数值计算结果对比分析，施工监测值略小于模拟计算值，原因是数值计算是简化后较为理想的计算模型，难以模拟施工过程中盾构机械动态调控和壁后注浆的调整作用，因此数值计算仅可以预测沉降趋势并提供沉降参考值，难以实现准确模拟。

5 结论

本文以新建工程为背景，研究了环境风险叠加水文地质风险下的盾构穿越桥梁的沉降控制技术，该技术适用于对下穿的建、构筑物有较高沉降要求，且工程地质及水文地质条件复杂的地层。通过前对桥梁基础地面注浆加固，通过中动态调整盾构掘进姿态及掘进参数，通过后管片壁后注浆补偿的方式可较好地控制桥梁沉降。本文对该技术通过数值计算对沉降规律进行预测分析和现场监控进行验证，得出如下结论：（1） 地面注浆加固作为施工前预处理技术，可提高土体刚度，最大程度降低盾构穿越过程中对桥梁的影响。注浆过程前应对钻孔间距、注浆顺序以及注浆压力进行合理设计，并进行工艺性试验确定最优注浆参数，确保注浆过程中桥梁的结构安全及运营安全。（2） 施工前，根据桥梁的基础形式、使用年限、重要程度等确定桥梁的控制保护标准，并对盾构下穿桥梁进行数值计算分析，研究桥梁的变形规律。对桥梁进行预处理，降低施工风险，并在施工过程中针对性控制盾构掘进参数，为盾构安全下穿桥梁提供安全条件。（3） 穿越前，选择类似地层进行试掘进，确定适合本地层的盾构掘进参数，并在掘进至风险点前，进行刀盘、注浆系统、密封系统、推进千斤顶及监控系统等设备的检修，为盾构顺利下穿桥梁提供安全保障。（4） 盾构穿越过程中，根据监测数据反馈，动态调整盾构土仓压力及总推力等掘进参数，可通过地层变形影响控制桥梁沉降。盾构通过后，及时进行管片壁后回填注浆填充管片与地层空隙可控制护城河桥沉降，通过二次注浆对护城河桥下地层变形主动控制，可对护城河桥已发生的变形进行补偿，更好地将变形控制的合理范围内。（5）监测结果表明，该桥梁沉降控制技术能较好控制既有桥梁沉降，该研究可为类似穿越工程提供借鉴。