李旺旺，韋宏鵠

(北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124)

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化建設的快速發(fā)展，為了充分利用地下空間，較好地緩解城市地面交通壓力，地鐵建設范圍在不斷擴大。許多在建線路需要穿越既有線路、車站及橋梁和高速公路等重大風險源工程。由于獨特的施工優(yōu)勢，盾構法廣泛應用于地鐵建設。開挖斷面土體特征、改變推進方向、受擾動土體的再固結等問題是盾構法施工引起地表土層變形的主要因素［1－3］。在相關研究中:李東海等［4］研究盾構隧道斜交下穿越既有地鐵車站，盾構在不同時段施工引起的既有建筑物的沉降不同，采用適合土壓減小對沉降影響;徐俊杰［5］利用有限軟件分析土壓平衡盾構施工的地表沉降，表明地質及注漿參數(shù)對沉降量變化影響，注漿率大于1.5時，控制沉降較好;胡長明等［6］研究了土壓平衡盾構穿越黃土層及全斷面砂層時地表變形的主要影響因素及其控制參數(shù)。

盾構側穿橋梁樁基時，地層應力及變形將引起樁基承載力損失，從而導致上部結構在各類荷載作用下發(fā)生沉降。在相關研究中:彭坤等［7］研究了軟土地區(qū)盾構隧道開挖對承臺樁基工作性狀的影響，分析2種不同的加固方法對地表和樁身變形的控制;馬少坤等［8］通過模型試驗研究了膨脹土地基中隧道對樁基的影響，分析樁基隨開挖進度的力學狀態(tài);郭一斌等［9］研究了盾構近距離側穿橋梁超長樁基導致出現(xiàn)較大變形和內力，隧道軸線與超長樁處于不同相對位置對樁的特性產生不同影響;張恒等［10］利用FLAC3D模擬研究盾構下穿橋梁，橋梁樁基下半部分朝背離隧道方向位移，上半部分朝相反方向位移。

本文通過土壓平衡盾構側穿橋梁的實例，分析地鐵盾構在不良雜填土層側穿橋梁時，利用橋樁及地表監(jiān)測數(shù)據(jù)并結合盾構施工參數(shù)分析盾構施工對橋梁沉降的影響。

1 工程概況

昌平線二期地鐵盾構工程起止里程K6+911.7～K8+355.3，區(qū)間全長1 443.6 m，盾構管片外徑6 m，環(huán)寬1 200 mm，厚300 mm，環(huán)向分6塊?？v斷面上布置“V”字坡，以27‰，7‰和3‰下坡后，再以9‰和27‰上坡。在K7+317.500下穿河道，河道目前處于干涸狀態(tài)，盾構覆土約 6.3 m。K6+911.7 ～ K7+436.000 區(qū)間及K7+539.660至盾構接收井，道路兩側有建筑物，隧道位于道路下方。在K7+436.000～+539.660內側穿連接河道兩側道路的橋梁，橋樁樁徑1.2 m，樁長22～26 m，盾構隧道與樁基水平距離為4.1 m。在K7+486.000距離橋樁3.5 m處有一條南北走向垂直于隧道和橋梁的φ600 mm應急補水管線。

盾構隧道在河道穿越地層自上而下主要為:雜填土①2層、卵石⑤層、粉土⑥2層、粉質黏土⑥層(如圖1所示)。河道內地表分布有厚2.0～13.0 m的人工填土，該土層厚度大，且堆積時間短，結構松散，滲透性強、土質很不均勻，力學性質差，穩(wěn)定性較差?？睖y最大鉆孔45 m范圍內發(fā)現(xiàn)3層地下水，地下水的類型為上層滯水(一)、潛水(二)及承壓水(三)。區(qū)間隧道位于含水層，為永久靜水浸沒環(huán)境。

圖1 地質剖面圖Fig.1 Profile showing geological conditions of the project

2 監(jiān)測設計

2.1 監(jiān)測原則及監(jiān)測技術

沉降監(jiān)測采用幾何水準測量方式，監(jiān)測設計必須符合規(guī)范，滿足國家二等水準網精度要求。在施工影響范圍之外的區(qū)域設置3個基準點構成豎向變形監(jiān)測控制網;基準點以施工高程系統(tǒng)為基礎建立，采用附合或閉合水準路線形式，起始并閉合于精密水準點上。基準點同監(jiān)測點一起布設成獨立的閉合環(huán)或形成由附合路線構成的結點網。

使用Trimble DINI03電子水準儀進行觀測，采用電子水準儀自帶記錄程序記錄外業(yè)觀測數(shù)據(jù)。觀測閉合水準路線時可以只觀測單程，采用附合水準路線形式必須進行往返觀測。從測設初始值至沉降趨于穩(wěn)定監(jiān)測頻率為1次/d，若出現(xiàn)異常情況則加大監(jiān)測頻率。

2.2 監(jiān)測點布設

橋樁沉降測點采用“L”型測點標志形式，先在橋樁上鉆孔，然后放入膨脹螺栓或螺紋鋼(φ=20 mm)預埋件放入，孔與預埋件四周空隙用水泥砂漿或錨固劑填實(測點固定部位做成螺紋)，共設18個橋樁監(jiān)測點。橋頭沉降監(jiān)測點采用在橋頭鉆孔的形式，鉆出5 cm深的孔洞，埋入測點標識，灌入標號不低于C20的混凝土，上部加裝鋼制保護蓋，養(yǎng)護15 d以上;在橋梁兩端分別布設3個橋頭監(jiān)測點，共6個橋頭監(jiān)測點。管線沉降監(jiān)測點采用在管線上方的地表點代替，人工或鉆具成孔加設護筒和護罩保護，設9個管線監(jiān)測點。監(jiān)測點布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點布設圖Fig.2 Layout of monitoring points

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)工程測點布設設計，監(jiān)測數(shù)據(jù)分為橋樁垂直位移、橋頭垂直位移和管線沉降3部分。管線監(jiān)測點可作為地表監(jiān)測點。盾構推進都是在姿態(tài)較好的狀態(tài)之下，推進速度為2～8 cm/min。按照盾構在不同區(qū)域對橋梁影響大小的關系分為3個階段。

3.1 盾構到達前階段

為了保證可靠的初始值及工程安全，要求監(jiān)測范圍為開挖斷面前150 m及開挖斷面后100 m。在盾構到達橋端斷面前150 m時，對相關監(jiān)測點取初始值。當開挖面距觀測點為3～7環(huán)時，由于盾構推力對土體擾動，引起土艙壓力波動。當開挖面土艙壓力偏高時，使得開挖面土體受擠壓，從而引起地表隆起;當開挖面土艙壓力偏低時，造成盾構開挖面應力釋放，從而引起地表沉降。為保證安全側穿橋梁，盾構改變直線推進，偏向橋左側推進。盾構右側推力增加，引起右側土壓改變，使得橋臺開挖面土體受到擠壓變形。同時，盾構機體發(fā)生偏移，盾構機體偏移使擠壓土體產生卸荷。盾構右側土壓和盾構機體偏移量如圖3和圖4所示。

圖3 盾構右側土壓(單位:kPa)Fig.3 Pressure on right side of shield(kPa)

圖4 盾構機體偏移量(單位:mm)Fig.4 Offset value of shield body(mm)

在此階段分析橋頭監(jiān)測點QT01，QT02，QT03及與其在同一縱斷面上相鄰的地表監(jiān)測點DB61，DB62，DB63。在盾構到達橋頭斷面過程中，2類測點沉降關系如圖5所示。

在431環(huán)時改變推進方向，盾構發(fā)生偏移，盾構在434環(huán)處右側土壓增加。盾構機體偏移量增加，誘發(fā)地表沉降速率增加。地表監(jiān)測點從監(jiān)測開始處于變形沉降狀態(tài)，并且隨著盾構的接近，變形速率隨之變大，沉降速率最大值在監(jiān)測點DB62，于6月9日沉降值為－1.2 mm;累計沉降最大值在監(jiān)測點DB61，沉降值為－3.2 mm。橋臺監(jiān)測點累計變形值最大為0.6 mm，變形速率較小。橋頭監(jiān)測點和地表監(jiān)測點相對沉降值較小，在風險控制范圍內。在此階段盾構推進對橋梁影響較小。

圖5 地表監(jiān)測點與橋頭監(jiān)測點的沉降量Fig.5 Settlement of ground surface and bridge

3.2 盾構側穿階段

該橋位于城區(qū)，交通比較繁忙，在橋梁上部動荷載作用下，橋樁會產生變形和位移，并且河道內有厚度很大的雜填土、素填土和卵石填土，隧道頂部為新近沉積層或者碎石土層，上述地層的滲透性均較大。當土壓過低時，不僅容易造成地層的沉降，而且對盾構軸線的控制也有影響。盾構隧道在河道穿越地層為粉質黏土、粉土、細中砂，對泡沫量進行調整以更好地改變土體的塑流性，使土體變得更為均勻，可以較好地把壓力傳遞至開挖面上，避免開挖面的水土流失過多。在此階段土壓和注漿量如圖6和圖7所示。

圖6 盾構側穿階段盾構土壓(單位:kPa)Fig.6 Earth pressure of shield in side crossing phase(kPa)

當盾構進入橋臺斷面開始監(jiān)測橋樁和管線，直至盾構機尾離開另一端橋端斷面。圖8和圖9為盾構側穿橋梁監(jiān)測點沉降值。

從452環(huán)至457環(huán)及498環(huán)至503環(huán)左側土壓降低80 kPa，通過加大同步注漿量彌補土層損失。其他時間段內左側土壓在140 kPa左右。盾構側穿橋梁階段，為了減小盾構隧道推進對橋樁的擠壓影響，右側土壓直到盾構通過橋梁斷面維持在40 kPa左右較低狀態(tài)。設計理論注漿量為2.20～2.24 m3，如圖7顯示，最大注漿量為455 環(huán)時4.00 m3，最小注漿量為 504 環(huán)時的 0.30 m3，平均注漿量為2.40 m3。工程中注漿率為1.08。

圖7 盾構側穿階段同步注漿量(單位:m3)Fig.7 Volume of simultaneous grouting in side crossing phase(m3)

圖8 橋樁監(jiān)測點沉降值Fig.8 Settlement of bridge piles

圖9 管線監(jiān)測點沉降值Fig.9 Settlement of utility lines

橋樁整體都在下沉，監(jiān)測點QD01在6月16日監(jiān)測沉降速率為－1.6 mm，是速率最大值，接近速率預警值(－1.7 mm);之后仍繼續(xù)下沉，最大累計沉降點為QD01，沉降值為－5.4 mm。所有橋梁右側監(jiān)測點沉降比左側沉降大，最大相對沉降差為3 mm。GXC20，GXC21位于隧道左側，受調整盾構推進方向而超出控制值(50 kPa)左側40 kPa土壓力的影響，在隧道推進階段出現(xiàn)上浮。上側土壓40 kPa，注漿率1.08，但管線監(jiān)測點處于上浮狀態(tài)，監(jiān)測點GXC21隆起最大，累計最大值+2.6 mm。隧道上方覆土厚度及土層都會影響地表沉降。

3.3 盾構離開階段

盾構施工過程對土體的擾動是一個從平衡到不平衡再到新的平衡的運動過程，在盾構離開階段受擾動土會發(fā)生再固結。土體受擾動后，土體發(fā)生持續(xù)長時間壓縮發(fā)生徐變，土體在蠕變過程中產生地面沉降。注漿液的強度隨時間的變化也是影響地表沉降的因素。

以管線點沉降變化可觀測盾構通過后隧道結構圍巖的變形穩(wěn)定情況，從橋樁沉降變化可知隧道周邊土體后期變化情形。圖10和圖11分別為盾構繼通過橋梁后橋樁和管線監(jiān)測點沉降值。

圖10 盾構通過之后橋樁監(jiān)測點沉降值Fig.10 Settlement of bridge piles after shield passing

圖11 盾構通過之后管線監(jiān)測點沉降值Fig.11 Settlement of utility lines after shield passing

盾構離開初期橋樁監(jiān)測點仍有沉降，之后進入穩(wěn)定狀態(tài);管線監(jiān)測點則處于穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)生顯著變化。QD04，QD08，QD13在此階段沉降大，橫向距離隧道越近，沉降變化越明顯。因此，橋梁橫向產生差異沉降，若差異沉降較大，橋梁結構可能會發(fā)生破裂，則影響橋梁安全。隧道上方的GXC22有明顯的沉降(在控制±10 mm范圍內)，地表沉降觀測后期則需注意受擾動土再固結;在后期巡視中，未發(fā)現(xiàn)管線有破壞現(xiàn)象。

同時觀測 QT04，QT05，QT06 及 DB66，DB67，DB68，橋臺沉降最大值為監(jiān)測點QT04，累計沉降－1.2 mm，最小值為監(jiān)測點QT06，累計沉降值為－0.4 mm;地表最大值為監(jiān)測點DB66，累計沉降值為－7.4 mm，最小值為DB67，累計沉降值為－3.6 mm。2類觀測點差異沉降最大值為7.0 mm，在風險控制范圍之內，但相對于橋梁差異沉降值控制10.0 mm，此值接近于報警值。

4 結論與建議

根據(jù)實測數(shù)據(jù)的分析，對盾構側穿橋梁變形規(guī)律進行了研究，結合施工及監(jiān)測情況提出以下結論與建議:

1)在盾構推進階段，靠近開挖隧道一側的橋樁沉降持續(xù)時間較長，并且與遠側橋樁的橫向差異沉降明顯。若隧道開挖擠壓變形過大，在上部荷載的作用下，將破壞橋樁所處的平衡狀態(tài)，橋樁產生變形，進而危及橋樁的穩(wěn)定性;必要時，應對橋樁進行預加固。盾構施工中需了解橋樁的深度、位置以及與隧道相對位置關系。

2)河道覆土較淺時，應考慮隧道上覆土厚度對地表及建筑物的影響。管線前期發(fā)生上浮現(xiàn)象，由于后期的受擾動土固結沉降，使得隧道上方的點出現(xiàn)明顯沉降。在不良地層，可能會出現(xiàn)地表冒漿的情況。若周邊管線的變形超過控制值，需防止管線接頭滲漏水使周邊土體軟化，進一步加劇管線變形、管線前期上浮及后期的固結沉降。

3)改變盾構推進方向，會誘發(fā)地表沉降速率增加。橋頭與橋臺差異沉降值接近于控制值，需要后期長期監(jiān)測觀測。為了避免較大沉降，合理控制推進土壓，增加同步注漿量，減小橋臺變形沉降。

［1］ 張云，殷宗澤，徐永福，等.盾構法隧道引起的地表變形分析［J］.巖土力學與工程學報，2002，21(3):388－392.(ZHANG Yun，YIN Zongze，XU Yongfu，et al.Analysis on three-dimensional ground surface deformations due to shield tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(3):388 －392.(in Chinese))

［2］ 黃宏偉，張冬梅.盾構隧道施工引起的地表沉降及現(xiàn)場控制［J］.巖石力學與工程學報，2001，20(S):1814－1820.(HUANG Hongwei，ZHANG Dongmei.Shield tunneling induced surface settlement and in-situ monitoring ［S］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20(S):1814 －1820.(in Chinese))

［3］ 魏綱.盾構法隧道施工引起的土體變形預測［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(2):418 －424.(WEI Gang.Prediction of ground deformation induced by shield tunnelling construction［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(2):418 －424.(in Chinese))

［4］ 李東海，劉軍，蕭巖，等.盾構隧道斜角下穿地鐵車站的影響與監(jiān)測研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(S):3186 －3191.(LI Donghai，LIU Jun，XIAO Yan，et al.Research on influence and monitoring of sheld tunnel obliquely crossing beneath existing subway station ［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(S):3186 －3191.(in Chinese))

［5］ 徐俊杰.土壓式盾構引起的地表沉降分析［D］.成都:西南交通大學機械工程學院，2002.(XU Junjie.Analysis of ground surface settlement due to the tunnel construction with EPB shield［D］.Chengdu:School of Mechenical Engineering，Southwest Jiaotong University，2002.(in Chinese))

［6］ 胡長明，張文萃，梅源，等.土壓平衡盾構穿越含沙土層地表變形規(guī)律與控制技術［J］.西安建筑科技大學學報:自然科學版，2013，45(3):341 － 437.(HU Changming，ZHANG Wencui，MEI Yuan，et al.The earth surface deformation and control technology as EPB shield machine driving through layer with sand ［J］.Journal of Xi’an University ofArchitecture Technology:NaturalScience Edition，2013，45(3):341 －437.(in Chinese))

［7］ 彭坤，陶連金，高春玉，等.盾構隧道下穿橋梁引起樁基變?yōu)榈臄?shù)值分析［J］.地下空間與工程學報，2012，8(3):485 －489.(PENG Kun，TAO Lianjin，GAO Chunyu，et al.Numerical analysis of bridge pile deformation caused by shield tunnel construction underneath［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2012，8(3):485 －489.(in Chinese))

［8］ 馬少坤，WONG K S，呂虎，等.膨脹土地基中隧道施工對群樁影響研究 ［J］.巖土力學，2013，34(11):3055－3060.(MA Shaokun，WONG K S，LV Hu，et al.Study of effects of tunnel construction on pile group in expansive soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2013，34(11):3055 －3060.(in Chinese))

［9］ 郭一斌，張立明，鄭剛，等.盾構施工對大型立交超長樁工作性狀的影響［J］.巖土力學，2014，35(10):2941－2949.(GUO Yibin，ZHANG Liming，ZHENG Gang，et al.Influence of shield tunneling on working performance of large interchange’s super-long piles［J］.Rock and Soil Mechanics，2014，35(10):2941 －2949.(in Chinese))

［10］ 張恒，陳壽根，鄧稀肥.盾構法施工對地表及橋梁樁基的影響分析［J］.地下空間與工程學報，2011，7(3):552－557.(ZHANG Heng， CHEN Shougen， DENG Xifei.Analysis on influence of shield tunneling on ground and bridge pile［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering ，2011，7(3):552 －557.(in Chinese))

［11］ 中華人民共和國建設部.JGJ 8—2007建筑變形測量規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007:46－87.(Ministry of Construction of the People’s Republic of China.JGJ 8—2007，Code for deformation measurement of building and structure［S］.Beijing:China Architecture ＆Building Press，2007:46 －87.(in Chinese))