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技术交流
盾构穿越既有桥梁施工的精细化控制
盾构穿越既有桥梁施工的精细化控制
赵江涛，牛晓凯，崔晓青，姚旭飞，张晗
摘要 为了控制盾构隧道施工对周边桥梁的扰动程度，确保盾构隧道施工沿线既有桥梁处于良好的服务状态，本文建立了盾构隧道穿越既有桥梁的精细化控制体系。该体系主要由施工前的参数确定、施工中的反馈控制和施工后的长期监测3部分组成。并将该成功技术应用于北京市南水北调东干渠隧道穿越既有北苑桥主桥工程中，确保了既有桥梁的安全。
关键词盾构隧道；下穿施工；精细化控制；理论分析；既有桥梁
中图分类号 U455 文献标识码：A ：10.3969/j.issn.1003-1995.2017.10.0DOI
随着城市现代化进程的不断发展，以地下管线和地铁为主的城市地下空间正在如火如荼的建设中[1-2]。然而，一方面随着城市地面交通线网密度的不断增加，新建隧道穿越既有桥梁的情况越来越不可避免。另一方面由于长期运营及已有穿越工程的影响，既有结构的控制标准越来越严格，于是在城市中采用盾构隧道穿越既有桥梁施工遇到了越来越多的挑战。穿越施工必然会导致周边土体的松动和卸荷，从而引起洞周围岩环境的改变，这就势必造成既有桥梁桩基变位的产生，进而威胁桥梁上部结构的正常使用[3-5]。因此，必须采取严格的控制措施来减小盾构隧道施工对周边环境的影响。
郭玉海等采用数值分析和室内实验的方法对盾构穿越施工的掘进参数进行了优化，并提出了大直径盾构穿越施工的安全控制措施[6]；张海彦等结合北京地铁10号线工程实例，阐述了盾构隧道施工对既有桥梁剩余承载能力的影响，并提出了既有混凝土桥梁的变形控制标准[7]；付静结合天津地铁穿越祁连桥工程，对盾构施工方案进行了优化，确保了穿越施工的顺利进行[8]。
这些研究对于确保盾构隧道穿越既有桥梁施工的安全提供了技术支持，但均局限于盾构施工优化或控制桥梁沉降等单一方面，对盾构穿越桥梁施工的系统性研究和精细化控制不足。本文基于已有研究成果提出精细化施工的概念，并构建了盾构隧道穿越既有桥梁施工的精细化控制体系。
1 盾构穿越施工的精细化控制体系
在盾构隧道穿越既有桥梁施工过程中，围岩的力学性质和隧道所处的地质条件都在不断改变。这就要求整个盾构隧道施工必须能够同时适应和协调这两者的变化，并将其对既有桥梁的影响程度减小到最低[9－10]。精细化控制就是在隧道穿越既有桥梁的过程中，对盾构隧道施工实施精细化的过程控制，即在施工前、施工中、施工后积极主动地采取应对措施来控制桥梁的过大变位、避免风险累积。精细化控制体系见图1。
图 1 盾构穿越既有桥梁的精细化控制体系
1.1 施工前的参数确定
穿越施工前，首先必须依据工程地质资料进行盾构机选型，并依据数值计算和工程经验优化盾构参数；然后，根据既有桥梁控制标准和穿越施工方案，确定桥梁分步控制标准；最后确定监控量测方案及其它辅助施工措施，为盾构正常掘进做好准备。
1.2 施工过程中的反馈控制
依据优化后的盾构参数进行盾构掘进施工。在此过程中，必须严格控制监控量测的频率和精度，将监测结果反馈给施工方。一旦监测结果达到或超过控制标准立即停止施工，分析原因后可以通过调整盾构参数来加强盾构掘进控制。必要时可以采取主动顶升或桥梁加固等应急辅助措施。反馈控制流程见图 2。
1.3 施工后的长期监测
穿越施工后仍需对既有桥梁进行长期的工后监测，必要时可采取辅助措施来控制桥梁的持续变位，确保既有桥梁结构处于安全服役状态。
2 工程实例
以北京市南水北调东干渠盾构隧道穿越既有北苑桥主桥为例论述该精细化控制方法的有效性。北苑桥主桥为多跨混凝土简支T梁结构，分左右两幅，每幅桥面宽18m，下部为矩形墩柱、桩基础。管顶埋深约23.39m，隧洞外轮廓距桩基最短距离为3.8m。东干渠隧道与既有桥梁位置关系见图 3。
根据工程地质勘察报告，穿越区的地层参数见表 1，地层分布参见图 3。
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岩性
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密度
/(g/ cm3)
|
泊松比
|
弹性模量/MPa
|
黏聚力/kPa
|
内摩擦角/(°)
|
|
素填土
|
1600
|
0.30
|
14.0
|
8.0
|
8.0
|
|
粉土
|
2000
|
0.35
|
24.6
|
25.6
|
33.3
|
|
粉质黏土
|
1980
|
0.40
|
17.0
|
33.8
|
10.2
|
|
细中砂
|
2050
|
0.30
|
50.0
|
0
|
26.0
|
|
粉砂
|
2030
|
0.32
|
40.0
|
0
|
28.0.
|
2.1 施工前的参数确定
2.1.1 盾构机选型
根据下穿区地层的特点，选用海瑞克土压平衡式盾构，盾构机直径6250mm，最小转弯半径250m，液压油缸数量32个，可提供的最大推力34200kN，最大行程2000mm。
2.1.2掘进参数的优化
1)计算模型
采用有限差分软件FLAC3D进行数值计算。根据圣维南原理及实际计算需要，整个模型计算范围为90m(长)×90m(宽)×60(高)m，数值计算模型见图 4。
(a）整体计算模型 （b）相对位置关系图
对盾构施工进行精细化模拟。注浆层厚度由盾构机壳内壁与管片之间的间隙、盾构机壳与外部土体之间的间隙和盾构机壳的厚度3部分构成。注浆材料的时间效应通过注浆压力和注浆层弹性模量的阶梯性增长来模拟。盾壳与土体之间的摩擦力模拟需要建立接触面，该接触面只承受法向应力，不承受剪切应力。盾构机对土体的摩阻力则直接施加在外部土体的节点上。具体模拟方法详见图5。
图 5 盾构精细化模拟方法
2）模拟结果分析
对不同掘进参数下既有桥梁纵向（2轴和3轴）差异沉降情况进行模拟计算，详见图 6。
（a） 正面压力 （b）掘进速度
(c）注浆压力 （d）注浆半径
(e)盾壳侧摩阻力
图 6 数值计算结果
由图6（a）可知：既有桥梁纵向差异沉降随着正面压力的增大先减小后增大，当正面压力介于0.2~0.3MPa时既有桥梁纵向差异沉降量最小。盾构掘进最佳正面压力取0.25MPa。
由图6（b）可知：既有桥梁纵向差异沉降随着盾构掘进速度的增大而逐渐增大。综合考虑施工速度和既有桥梁的安全，盾构掘进的最佳掘进速度取4.8m/d。
由图6（c）可知：当注浆压力超过0.3MPa时，注浆压力对桥梁纵向差异沉降的影响甚微。为了保证既有桥梁的安全，应当控制注浆压力在0.3~0.4 MPa，此时既有桥梁的纵向差异沉降和整体沉降均较小。因此，盾构掘进最佳注浆压力取0.35MPa。
由图6（d）可知，既有桥梁纵向差异沉降随着注浆半径的增大先减小后增大。当注浆半径为2m时既有桥梁纵向差异沉降量最小。
由图6（e）可知，既有桥梁纵向差异沉降随着盾壳侧摩阻力的增大而增大。一般采取触变泥浆减阻，以确保盾壳摩阻力＜10000kN。由于摩阻力越小工程造价越高，综合考虑经济性及对桩基影响较小2个因素，盾构掘进最佳摩阻力取8000kN。
2.1.3 桥梁控制标准的制定
根据该穿越工程的工前评估报告，该桥梁相邻桥墩的纵向、横向差异沉降控制标准分别为4，2mm，桥梁竖向最大沉降12mm。
2.2 施工中的反馈控制
2.2.1 盾构施工参数匹配
盾构施工过程中各关键参数非相互独立，而是相互关联，连锁变化。因此，在盾构穿越既有桥梁前设立试验段，通过施工控制和监控量测，在动态变化中调整和建立各参数的最佳匹配关系。
1）注浆速率与掘进速度
在正常施工条件下，盾构掘进速度和其同步注浆速率是相互匹配的，但由于实际施工过程中地质条件的突变、盾构操作不当、机械设备故障等，往往会造成两者不匹配。若盾构掘进速度超过或小于与之相匹配的最佳掘进速度，就会造成注浆量跟不上或注浆超量（甚至堵塞管道）。因此，在试验段须对注浆速率与盾构掘进速度进行关联性匹配，确保注入的浆液适时、均匀、足量。
2）注浆压力与注浆量
在盾构掘进过程中，一般采用注浆压力和注浆量双向控制注浆效果。施工过程中如果注浆管路堵塞，注浆压力就会不断增加，而注浆量却不能同步增长。若遇到不良地质段，很可能造成跑浆，使得注浆量剧增而注浆压力不变。因此，在试验段须对注浆压力和注浆量进行关联性匹配。
3）正面压力与掘进速度
土压平衡式盾构机掘进时正面压力的平衡是通过调整盾构机的掘进速度和螺旋机的转速来实现的。在盾构穿越既有桥梁施工过程中，若遇到不良地质很可能造成掘进速度的改变，进而影响正面压力，危及开挖面的稳定；另一方面土压平衡盾构土仓压力并不是恒定的，其波动大小很大程度上取决于盾构机电控制性能。因此，在试验段须根据盾构的机械性能对盾构掘进速度进行优化，确保开挖面正面压力的稳定。
2.2.2 桥梁分级控制
要实现盾构穿越既有桥梁施工的精细化控制，必须依据变位分配原理，确定盾构穿越施工过程中既有桥梁的分级控制标准。采用之前优化的盾构掘进参数（即正面压力0.25MPa，掘进速度4.8m/d，注浆压力0.35MPa，摩阻力8000kN），对盾构穿越既有桥梁过程进行精细化数值模拟，并绘制出东幅桥2、3轴纵向差异沉降历时曲线（见图7），以此来确定既有桥梁的分级控制标准。
图7 东幅桥纵向（2、3轴）差异沉降历时曲
可将该历时曲线划分为3个阶段：①盾构机进入桥区之前的微小变形阶段（第1~6步）；②盾构机进入桥区之后的变形急剧增大阶段（第7~10步）；③盾构机离开桥区之后的变形稳定阶段（第11~20步）。
由于第①和第③阶段既有桥梁纵向差异沉降变形微小，因此按每2个施工步（每2天）进行1次沉降控制。由于第②阶段既有桥梁变形急剧增大，因此按每1个施工步（每1天）进行1次沉降控制。
2.2.3 施工中的监测和反馈控制
采用优化后的盾构参数，通过试验段进行施工参数匹配后，方可进行盾构穿越既有桥梁的掘进施工。
在穿越施工过程中，采用自动化监测和人工监测相结合对既有桥梁的变位进行适时监测，并将监测结果与分级控制标准进行对比分析。
在盾构穿越施工过程中既有桥梁沉降并未超过其分级控制标准，穿越施工顺利进行。
2.3 施工后的长期监测
由于地层变形的时空效应及施工中不确定因素的影响，穿越施工后既有桥梁的沉降仍有可能继续发展，因此需要在穿越后对既有桥梁沉降进行长期监测。
东幅桥2、3轴纵向差异沉降历时曲线见图 8。
由图8可知：东幅桥2、3轴纵向差异沉降的预测结果和实测结果基本吻合。曲线尾部略有差异主要由于现场降水措施实施得不连续性，使得数值模拟很难有效进行。
穿越施工完成后，东幅桥2轴位置梁体最大沉降10.6mm，横向差异沉降0.4mm，均未超过相应的控制标准。因此，可以判定本文所采用的精细化控制方法能够有效确保盾构隧道穿越既有桥梁的安全，该方法安全可靠、有效。
3 结论
本文基于对既有工程实例的相关研究，提出了盾构隧道穿越既有桥梁的精细化控制方法。该方法包含施工前的参数确定、施工中的反馈控制和施工后的长期监测3部分内容。
施工前盾构机的选型、桥梁分级控制指标的确定、盾构掘进关键参数的优化、辅助措施的抉择及桥梁监测方案的确定构成了精细化施工的基础。施工过程中监控量测和动态反馈控制是精细化施工的核心与关键。施工结束后既有桥梁的长期监测是精细化控制的延伸，是验证穿越施工对桥梁扰动程度和选择工后桥梁维修加固措施的依据。
该技术应用于北京市南水北调东干渠隧道穿越既有北苑桥主桥的施工过程中，确保了穿越施工的顺利进行。
参考文献
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The Refined Management System of Shield Under-Crossing
Existing Bridge
Zhao Jiangtao, Niu Xiaokai, Cui Xiaoqing, Yao Xufei, Zhang Han
（Beijing Muntcipal Engineering Research Insutute, Beijing 100037, China）
Abstract In order to control the disturbed effects on adjacent bridges of shield tunneling and ensure that the existing bridges are in good service status, the refined management system of shield under-crossing main bridge of Beiyuan Bridge was put forward. The system includes three parts: the determination of construction method before the construction; the feedback and control during the construction; the long-term monitoring after construction. The system was successfully applied into the East Main Canal of South to North Water Diversion Project, and helped to meticulously control the displacement of the bridge during the under-crossing construction. This has a certain applicable value on engineering construction concerned.
Key words shield tunnel；refined management；theoretical analysis；crossing construction；existing bridge。
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