盾構近接施工對既有構筑物的影響

張珣

（北京市政建設集團有限責任公司，北京 100089）

作為城市軌道交通地下隧道的主要施工方法，盾構法在隧道施工中越來越占據主導地位。隨著新建盾構隧道日益增多，不可避免地出現(xiàn)隧道下穿城市主干道、橋樁、高壓管線等既有構筑物的情況，對施工過程控制措施提出了很高的要求［1]。

針對盾構法施工對城市主干道、橋樁、高壓管線等既有構筑物產生的不利影響，常用分析方法有解析法、模型試驗法、有限元法等。魏綱等［2]基于通用Peck公式研究了管線埋深、材質對其受力的影響規(guī)律；劉曉強等［3]基于能量變分原理，分析了在隧道穿越過程中地下管線豎向位移的變化規(guī)律。呂培林等［4]研究了軟土地區(qū)盾構隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規(guī)律；劉銀偉等［5]基于數值模擬計算分析并結合實測數據比對，研究了盾構法施工過程中掌子面的受力及變形對地表沉降的影響。朱小龍［6]通過數值模擬計算，分析出盾構下穿鐵路過程中地表沉降的規(guī)律，并提出有效控制地表沉降的安全措施。

北京地區(qū)盾構施工主要采用直徑6.4 m 的盾構機，對盾構施工引起的既有構筑物的影響研究也主要基于此種設備型號。北京軌道交通新機場線盾構區(qū)間采用管片外徑8.8 m 的盾構機，在穿越不同風險源時，不能直接應用原有研究成果。應結合施工現(xiàn)場實測數據，通過參數選擇、模型計算等方法，對既有構筑物變形進行研究。為今后類似盾構工程制定相應的施工控制措施。

1 工程概述

以北京軌道交通新機場線一期工程土建04 合同段為工程背景予以介紹。結合新機場的功能定位，新機場線建設充分吸收了北京市及國內其他地鐵線的建設經驗。新機場線使用的盾構機管片外徑8800 mm，北京第一次使用該尺寸的盾構斷面，區(qū)間隧道全長16.15 km，其中盾構施工長度為15.37 km。

所研究的區(qū)間盾構段于里程K27+018.893—K27+162.778 下穿南六環(huán)路，洞頂距南六環(huán)路路面約17.3～17.4 m。盾構在K27+020.857處下穿φ1000高壓燃氣管，高壓燃氣管管底埋深約7.3 m，區(qū)間隧道頂部距離地面約16.2 m，隧道距離管底約8.9 m。盾構段K27+050—K27+140側穿廣順橋，區(qū)間與橋梁順行，拱頂埋深14.5～17.3 m，區(qū)間與橋樁凈距約4.6～11.9 m。

1.1 工程地質與工程水文條件

根據工程巖土工程勘察報告可知，該標段盾構區(qū)間圍巖主要為第四紀沉積層，隧道主要穿越細砂～中砂層⑥3、黏土層⑥1，粉質黏土層⑥和粉土層⑥2，土的物理力學性質為一般～較好。該區(qū)間隧道結構以上有三層地下水，分別為層間水、第一層承壓水、第二層承壓水。該盾構區(qū)間隧道主要穿越層間水，局部穿越第一層承壓水。

1.2 周邊環(huán)境及工程難點

1）區(qū)間盾構下穿的現(xiàn)狀道路下方市政管線密集，管徑、規(guī)模較大，對盾構掘進豎向位移控制要求較高，盾構施工期間須要做好地層豎向位移及管線變形監(jiān)測。

2）區(qū)間盾構側穿廣順橋，區(qū)間與橋梁順行。盾構側穿施工過程中道路保持正常通行，且廣順橋交通繁忙，車流量很大。這對盾構施工過程中橋梁及地面的豎向位移控制提出了很高的要求。

2 盾構下穿南六環(huán)危險源變形預測

2.1 數值計算模型

以北京地鐵新機場線04 標穿越南六環(huán)為模擬對象，根據圣維南原理，為滿足計算速度與求解精度的要求，在確保計算結果準確性的前提下，盡量縮短計算時間，最為合理的模型尺寸應選取3～5倍的地鐵隧道開挖洞徑。通過充分考慮盾構隧道開挖過程對周圍地層的影響范圍，結合施工現(xiàn)場及外部因素綜合考慮，選擇采用FLAC 3D軟件建立60 m（寬）×32 m（高）×90 m（長）的計算模型。為進一步確保計算精度，在建模過程中適當提高了隧道周圍網格單元的劃分精度，對網格進行了加密。最終的三維計算模型如圖1所示。

2.2 計算參數

將六環(huán)路附近地層作水平層簡化處理，巖土力學計算參數見表1。

表1 計算參數

盾構隧道的開挖采用Null模型，巖土體采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型，盾構隧道的管片結構采用Shell結構單元，采用C50混凝土，考慮到螺栓連接和拼裝方式對管片剛度的影響，取折減系數0.87 進行修正，彈性模量取30 GPa。管片及橋墩計算參數見表2。模型共劃分158960 個單元，164187 個節(jié)點。模型兩側邊界施加水平位移約束，模型底部施加水平位移約束，模型頂部為固定約束。

表2 管片及橋樁計算參數

2.3 盾構施工近接廣順橋計算結果

無任何加固措施下，盾構隧道下穿期間橋樁最大豎向位移見圖2。

圖2 盾構施工過程中廣順橋橋樁豎向位移（單位：m）

由圖2可知：隨著隧道盾構的掘進，在盾構臨近廣順橋前，只對1#樁及與其相連的承臺A影響較大，會產生2.4 mm 的豎向位移，離隧道盾構較遠的5#，6#，7#，8#樁基及承臺C、承臺D 所受影響不大；隨著隧道盾構不斷近接廣順橋樁，盾構施工對橋樁的影響日趨明顯，產生豎向位移的橋樁不斷增加。由圖2（e）可知，盾構貫通后對靠近隧道一側的橋樁產生較為顯著的影響，而遠離隧道一側的橋樁則比較穩(wěn)定。

圖3 橋樁豎向位移曲線

選取靠近隧道一側橋樁為觀察點，獲取模擬盾構施工過程中相應的豎向位移進行分析。靠近盾構一側廣順橋橋樁在盾構施工過程中的豎向位移曲線見圖3?？芍弘S著盾構不斷推進，靠近隧道盾構一側樁的豎向位移不斷加大，橋樁受盾構影響區(qū)域不斷增加，但是隨著盾構掘進，遠離隧道盾構的橋樁在前期會產生少量向上位移。這是由于樁基剛度比周圍土體剛度大很多，使得橋樁產生向上的位移，但是隨著盾構的接近，橋樁最終全部產生豎向位移，最大位移產生在1#樁，為10.2 mm。

2.4 盾構施工下穿高壓燃氣管道計算結果

沿高壓燃氣管道頂部、底部位置觀察點的豎向位移見圖4。

圖4 高壓燃氣管道不同位置處豎向位移

由圖4可知：由于盾構隧道下穿高壓燃氣管道，所以沿管道方向，高壓燃氣管道的豎向位移分布遵循Peck 公式，整個管道沿隧道中軸線呈沉降槽分布，影響范圍在20 m 左右。無論管道頂部還是底部，隨著盾構掘進逐漸產生豎向位移。當盾構掘進到第5 步后，管道位移基本保持不變，管道頂部豎向位移為32.5 mm，底部為27.5 mm，說明盾構掘進對管道變形的影響在前5步較大，第5步之后影響減弱。

3 盾構掘進風險控制

隧道穿越南六環(huán)路段，實際穿越地層處于細砂～中砂，粉質黏土地層，在沒有加固措施的情況下，通過模擬分析可知，風險源豎向位移各有不同。下面針對各風險源的豎向位移要求進行分析［7]，從而采取適合南六環(huán)地層的加固措施。

3.1 各風險源豎向位移控制指標

由于設計未給出針對廣順橋的變形控制限值，現(xiàn)參考橋梁通用標準來確定廣順橋的變形控制限值，見表3。由2.3 節(jié)可知，橋樁基礎的最大豎向位移為17.5 mm，相鄰橋樁基礎總豎向位移差值在3 mm 以內。豎向位移超過控制限值，可通過控制施工參數來減小盾構施工對廣順橋的影響。

表3 廣順橋變形控制指標

由于地層的不均勻豎向位移管線撓曲變形，產生了附加的變形和應力，管線的控制指標為管線最大豎向位移10 mm。由2.4 節(jié)可知，高壓燃氣管道的最大豎向位移為32.5 mm，遠超過管線變形控制限值，表明盾構對管線的影響較大。為避免管線破壞，須采取必要加固措施以降低管線的變形。

3.2 施工加固措施

1）100m試驗段

將下穿南六環(huán)路前的盾構推進段作為試驗段，按照下穿段進行管理。通過對試驗段采集的豎向位移監(jiān)測數據進行整理分析，及時調整盾構掘進參數。在完善掘進施工工藝的同時總結出合理的盾構機在該類土層中掘進的最佳參數。掘進速度控制在70～80 mm/min，確保盾構能夠較為勻速地穿越，同時也能夠保證刀盤充分切削土體。根據試驗段確定的控制土壓動態(tài)控制盾構機出土量，土壓在0.07～0.15 MPa，盾構單環(huán)出土實方量為102.64 m3，單環(huán)出土虛方量為115.7 m3，以保證掘進面的土壓穩(wěn)定。

2）土體加固

在隧道內對管片背后進行同步注漿以加固近接區(qū)土體，是確保施工安全常用的手段。采用水泥+改性水玻璃雙液漿作為盾構穿越段的同步注漿材料，注漿壓力控制在0.35～0.55 MPa，注漿量控制在5.37～6.95 m3，漿液凝固時間調整到25～30 s。通過調整參數盡可能減少由于漿液凝固時間導致的豎向位移和漿液損失。

同步注漿在盾構常規(guī)段施工過程中，采用注漿量控制即可滿足地表豎向位移控制要求。在盾構下穿段須采取“注漿壓力控制為主，注漿量控制為輔”的雙控措施，確保同步注漿飽滿。注漿量主要通過參考施工監(jiān)測反饋的數據加以控制，盡可能降低施工對地層的擾動。在下穿可能發(fā)生過大位移的危險區(qū)域，如下穿高壓燃氣管道等，對危險區(qū)域同步注漿可以增大局部應力并改善土質。

在盾構下穿段施工過程中，將盾尾密封油脂的加入量提高為常規(guī)加入量的2倍，以確保盾尾密封良好，施工過程中不漏水、不漏漿，鞏固同步注漿效果［8-11]。

4 基于Peck公式的地表豎向位移預測

根據實際施工過程的監(jiān)測數據，通過計算，建議一個沉降槽寬度系數K參數范圍，從而修正Peck公式在相似地層的使用范圍。

4.1 監(jiān)測點布置

在穿越位置盾構隧道中線、兩隧道中間部位及兩隧道結構邊線部位布設測點，并沿外側結構線向外布設測點，測點距結構外邊線5，12 m。如圖5所示，每個斷面布設11 個測點，斷面布設在黃馬路中間隔離帶、兩車道外邊線以及兩側邊溝內。共布設5 個斷面，55個測點。

圖5 黃馬路監(jiān)測布點情況

4.2 地表監(jiān)測數據

選取部分監(jiān)測點數據進行分析，見表4。左側到軸線的距離為負值，右側到軸線的距離為正值。將表4中實測數據通過Peak公式計算，所獲的沉降槽寬度系數K的參數范圍為0.40～0.45。分別取K值為0.42，0.43 對地面豎向位移進行分析，驗證K值的取值是否正確。以監(jiān)測斷面2 為例，理論計算預估所得最大豎向位移為-6.00 mm，實際監(jiān)測最大豎向位移為-5.78mm。計算結果和實測結果差別較小，表明所取K值較為合理。

表4 斷面1—斷面5地表豎向位移 mm

4.3 地表豎向位移預測

現(xiàn)場經過加固后再盾構施工，沿南六環(huán)路斷面監(jiān)測點不同時刻累計豎向位移及監(jiān)測點最終豎向位移經高斯擬合后得出的曲線見圖6?？芍?，實際施工過程中，通過控制盾構參數以及采取加固措施，經現(xiàn)場檢測得到的累計豎向位移曲線與經數值模擬所得圖形大體一致。經過實際加固后，現(xiàn)場豎向位移控制良好，地表豎向位移明顯減小，地表最大豎向位移為6.2 mm?，F(xiàn)場實際監(jiān)測所得數據經過高斯曲線擬合，計算得出沉降槽曲線寬度系數i= 9.61，則沉降槽寬度系數K=0.42。

圖6 監(jiān)測點不同時刻累計豎向位移及擬合曲線

5 結論

1）在未采取任何加固措施的情況下，盾構側穿廣順橋時橋樁的最大豎向位移為10.2 mm，發(fā)生在靠近隧道一側的承臺角點。盾構隧道下穿高壓燃氣管道，無論管道頂部還是底部，第5 步掘進豎向位移達到最大值，為32.9 mm，第5步后管道位移基本保持不變。

2）除采取注漿加固措施外，選取了100 m 試驗段區(qū)間，對盾構下穿段的主要掘進參數進行精細化控制，確定土壓參數，為正式掘進打好基礎。

3）對試驗段地表監(jiān)測數據進行高斯曲線擬合，得到此地層的沉降槽寬度系數為0.42，以此指導后續(xù)盾構施工。