地铁盾构施工对既有拱桥的变形影响 规律与控制技术
任建喜，史景阳，占有名，孙杰龙，李龙，贺小俪，郭颖（西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安710054）
[摘要]采用FLAC3D软件研究了2种不同工况下盾构隧道下穿护城河拱桥施工引起的拱桥变形规律，研究表明变形措施，制定了监测方案.实践表明，提出的变形控制措施保证了拱桥沉降变形在允许范围内，提出的变形控制 只有在对护城河拱桥采取一定的加固措施后方能保证其变形在允许范围内.提出了盾构下穿护城河拱桥施工的措施合理有效.
[关键词]隧道工程；盾构；FLAC模拟；拱桥；监测；变形控制
[中图分类号]U455.4 [文献标识码]A [文章编号]1002-8498(2014)18-0061-05
Deformation Law and Control Technology of the Existing Arch BridgeInfluenced by Subway Shield Construction
Ren Jianxi Shi Jingyang Zhan Youming Sun Jielong Li Long He Xiaoli Guo Ying
(School af Arcitecture and Civil Engineering Xi* an Unisersity ef Sriemce and Technology Xi*an Shanxi 710054 China)
Abstract ;The arch bridge deformation law caused by the shield tunnel construction under the archbridge was studied by FLAC3D under two diferent working conditions which indicates that itsbridge. The measures to control deformation of the areh bridge construction were put forwand and deformation scope is controlled effectively only by taking some reinforcement measures to the moat archmonitoring plan was formulated. The practice shows the deformation control measures which were putforward successully ensured the arch bridge settlement deformation within the scope of the permission. Itwas proved to be reasonable and effective.
Key words tunnels ;shields ;FLAC simulation ;arch bridges ; monitoring; deformation control
隧道施工诱发的北门护城河拱桥沉降规律，目的是为盾构地铁隧道安全通过护城河拱桥方案的制定
0引言
规律研究一直是地铁隧道安全施工中的关键技术提供技术支撑. 地铁盾构施工对既有建（构）筑物的变形影响成熟，但盾构地铁施工是在岩土体内部进行，无论其理深大小，施工不可免对岩土体产生扰动，为：ZCK11028.55-ZCK12136.57，全长使其失去原有的平衡状态，而向新的平衡状态转1108.02m.该区间穿越西安护城河，左线穿越里程化，这一过程引起的岩土体变形可能影响地表建筑 和已有的管线、桩基、桥墩等地下设施.西安地铁2号线在施工时需下穿西安北门护城河拱桥，如何保证盾构施工安全通过护城河拱桥成为影响地铁施工的重要技术问题.本文依托盾构下穿北门护城河拱桥工程，采用FLAC3D数值分析预测盾构
问题之一.盾构法隧道施工技术尽管已发展得很1工程概况
西安市地铁2号线安远门一北大街设计里程为：ZCK11384.835，右线穿越里程为：YCK11 389.498，该处盾构隧道埋深约13.36m，护城河底距隧道顶5.6m.护城河拱涵跨度为6.6m，宽13m，整体由C20钢筋混凝土浇注而成，边坡采用浆砌片块石砌成.拱桥拱顶厚0.5m、底板为厚1.2m钢筋混18，16，14，10，48，46等.地铁隧道与护城河 凝土和30cm厚毛石垫层.拱桥主要配筋分别为拱桥的关系如图1所示.图2为护城河拱涵结构示意.
图1盾构隧道与护城河及拱桥关系（单位：m） Fig. 1 Relationship between the shieldtunnel with arch bridge( unit ;m)
图3盾构下穿护城河拱桥模拟区域（单位：m）Fig. 3 Simulation domain of shield construetion under the moat arch bridge ( unit;m)
元模拟.岩体屈服准则采用莫尔-库仑（Mahr-Coulomb）准则，数学表达式为：
Fig. 2 Moat arch culvert structure profile 图2护城河拱涵结构剖面
(1)
式中：1为应力张量的第1不变量，=0a，=：J为应力偏量的第2不变量，J= 1. SS=[(o-0)²（0-a)²（o-0）²]:0.为应力洛德角（- 0≤）.tanθ.20-0;-03（o-o)
根据详细勘察及工程地质报告，护城河水深2.5m左右，水位高程395.93m左右，河水污染严重，河水由东向西流动，但流量很小，河底约有0.75m厚淤泥，地层自上而下依次为：杂填土、新黄粉土、细砂及中砂等. 土、残积古土壤中夹片石、风积老黄土、粉质黏土、
2数值模拟分析
2.1模型建立
是从拱桥基础中下方穿过，为研究盾构下穿护城河 根据图1可知，盾构下穿北门外护城河拱桥时拱桥施工对拱桥的变形影响，选择如图3所示的模拟区域进行FLAC3D建模.
可建立如图4所示的盾构下穿北门外护城河拱桥FLAC3D模型，该模型共有32842个单元，41141 个节点，在桥面及地表上施加15kN/m²荷载.
模拟区域沿地铁线路方向取40m长，深度取区间结构下30m深.根据西部地区及国内盾构相关 地层的施工经验，盾构施工的沉降槽宽度为15-20m，所以在隧道两侧取17m.以左下角点为原点建立坐标系，按1m划分一个单元网格.
质：②岩体为各向同性介质：③根据圣维南原理定 模拟基本假设为”：①岩体为理想弹塑性介义为平面应变问题分析：④不考虑岩性变形受开挖扰动和水文影响：5设竖向地应力为重力场.模型边界水平约束，底部边界x=0，==0全约束，水平方向四周边界x=0，2≠0，上部边界为自由边界，不约 束.隧道围岩变形视为弹塑性平面应变问题，拱顶部450超前小导管与锚杆采用Cable单元模拟，喷射混凝土采用Shell单元模拟，钢拱架采用Beam单
图4盾构下穿北门外护城河拱桥FLAC3D模型
Fig. 4 FLAC3D model of shield construction under the north gate of arch bridge
2.2计算参数
土体本构模型采用FLAC3D内置的modelmohr模型，根据地质勘测报告，数值模型中的地层划分
表1土层的物理参数指标
Table 1Physical parameters of soil layers
名称 密度/ 体积模量/MPa 剪切模量/MPa 黏聚力/kPa 内率擦角/（°） 泊松比 层/m杂填土 (kgm~3) 2.30新黄土 1 750 1 860 3. 80 3.75 1.28 8.50 18.4 15.0 12. 0 0.25 0.24 5.0 5.0古土壤 老黄土 1910 2 030 5.80 8.80 3.60 4.10 0 11.0 15.0 0.27 0.30 4.6 7.0粉质黏土 粉砂 2 070 7.6 7.30 28.0 3.2 16.5 0.30 4.41 980 6. 4 2.96 5.6 0.16 4.0
及土体力学参数取值如表1所示.
为了研究2种不同工况下施工对护城河拱桥的变形影响，根据模拟区域选取沿y=15，20，25m3个断面的监测数据进行对比分析，3个断面在2种不同工况下的沉降曲线对比如图5所示，其中x轴为沿盾构隧道的横断面方向；y轴为盾构隧道的纵向 延伸方向；轴为隧道的深度方向.
为了真实模拟盾构隧道的施工过程，特别建立了2层厚度不一的环形实体单元，分别用来模拟盾构管片和管片壁后注浆层，管片厚300mm，注浆层参数如表3所示. 厚70mm，模型计算参数如表2所示，加固土的力学
表2模型计算参数
Table 2 Caleulation parameters
名称 (kgm) 密度/ 体积模 量/MPe 量/MPa 募切模管片 2 500 16. 7 12.5等代层 桥基 2 350 2 200 11.5 12.5 12.0 9.5桥拱 2 450 13.5 13.8桥基垫层 桥面 2 150 2 200 10. 3 8. 5 7.6 8.7
2.3 计算工况
在下面的FLAC3D计算预测盾构隧道下穿护城河拱桥施工引起的变形影响规律时将考虑2种计算工况：①工况1采用常规的施工方法，即正常的盾 构施工参数、土仓压力、注浆量等参数施工，并进行地表沉降监测、拱桥沉降监测和倾斜监测：②工况2
图52种不同工况下桥面位移曲线对比Fig.5 The deck displacement curves contrastat two different conditions
比分析可得：当采用工况1进行施工时，桥面最小沉 对图5中2个不同断面的沉降监测曲线进行对降值为18.56mm，远远超出了其变形允许值5mm，故采用工况1施工时不能保证拱桥的安全.而采用工况2进行施工时，拱桥桥面的最大沉降值为3.90mm，在拱桥桥面的允许沉降范围内，工况2能 满足拱桥的变形控制要求.
在盾构施工前预加固法，即在拱涵台背盾构通过区采用旋喷加固河底土体，加固深度为从河床底到0.6mx0.5m.护城河拱桥底板以下部分采用垂直 盾构底以下2m，加固范围为3mx10m，间距为袖阀管注浆至盾构隧道顶，面拱桥基础部位采用斜插袖阀管注浆至盾构隧道底.加固后再进行盾构施工，并进行拱桥桥面沉降监测和倾斜监测.
盾构下穿护城河拱桥施工灾害防控技术
3.1盾构下穿护城河施工技术措施
2.4计算结果
1)为防止隧道渗漏现象发生，在盾构通过段临
表3加固土的物理参数指标
Table 3 Physical parameters of reinforced soil layers
名称 密度/（kgm²）体积模量/MPs 剪切模量/MPa 黏聚力/kPa 内摩擦角/（°） 泊松比 层厚/m杂填土 新黄土 2 000 1 870 58 65 47.7 63.2 8 300 7 200 23.5 21.3 0.25 0.24 5.0 5.0吉土壤 老黄土 1 900 2 050 75 68 78.5 85.6 8 800 8 400 22.5 24.5 0.27 0.30 4.6 7.0粉反黏土 2 070 7. 6 7.30 16.5 0.30 4. 4粉砂 1 980 6. 4 2.96 3.2 5.6 0.16 4. 0
时设围堰将水抽干后用砂袋回填，盾构再通过此处.
（或土袋），在隧道穿越位置东、西两侧筑起挡水围 盾构穿越护城河前，首先采取人工抛掷砂袋堰，同时又预埋钢管（进行河水导流），然后抽干围堰内水体，清除影响范围内河床下的碎石、垃圾、污泥等杂物，再在隧道上方左右各3m范围内的河床堆积砂袋，用砂袋的附加荷载平衡盾构推进时的泥 土压力.
2）待河底清理完毕后，在隧道上方拱涵区域范围内堆放砂袋，起到增加上覆土层荷载的作用.
步拆除围堰.一般情况下，盾构通过70m后地面沉 3）盾构安全联利通过后，根据地表沉降情况逐降趋于稳定，则开始撤离隧道上方堆载和两侧的挡水围堰.
4）在进入横穿河之前，利用泡沫或气压建立起全断面土压后，严格进行土压控制、出土量管理和 注浆控制，严格控制盾构顶部土压.如出现涌水等现象，适当加注Polymer或聚氨酯等亲水性化合物.
5）合理控制土压力，确保盾构连续推进.
6）穿越期间加强同步注浆，并确保注浆量.
3.2护城河拱桥加固方案
盾构下穿护城河时，隧道拱顶距护城河基础底面只有5.6m，盾构施工时必然对拱桥产生影响，当盾构施工后拱桥周围的地层产生较大变形时将危采用砂袋堆载外，在拱桥基础背后预设2排袖阀管， 及拱桥的安全，为此除在盾构施工前在拱涵区域内沿隧道轴线方向间距1m，垂直于隧道轴线方向间距为0.6m.在拱桥基础以下部位采用旋喷加固河底土体，加固深度为从河床底到盾构底以下2m，加固范围为3m×10m，旋喷桩间距为0.6m×0.5m.护 城河拱涵底板以下部分采用垂直袖阀管注浆至盾构隧道顶.
4现场监测
4.1监测方案
1）桥面沉降监测
桥面监测测点设置方法如图6所示.护城河拱桥桥面沉降监测点布置如图7所示.
2）桥体倾斜监测
或桥体侧面钻孔，然后放入直径200-300mm，长 测斜监测点的布置方法如下：用冲击钻在桥面20-30mm的半圆头弯曲钢筋，四周用水泥砂浆填实.测点的理设高度应方便观测，对测点应采取保护措施，避免在施工过程中受到破坏.周围用红油漆做标记，并编号做出观测标志，如图8所示.
4.2监测仪器及沉降监测极限值
1)监测频率当测点距掘进面距离分别< 图6桥面监测测点设置方法 Fig. 6 Setting method of deck monitoring point 图7测点布置示意（单位：m） Fig. 7 Layout of monitoring points ( unit ;m) 图8桥体变形监测点理设示意（单位：cm） Fig. 8 Bridge deformation monitoringpoints laying ( unit: cm) 20m，100m时监测频率分别为1次/d，1次/d，1次/周，1次/2周.此外，当地表监测点的变形速率>3mm/d，桥面变形速率>1.5mm/d时，监测频率应改为1次/d.
2）监测控制标准根据有关规范和设计图纸的要求，施工过程中对测量结果及时进行分析.变形控制标准为：①桥面沉降变形不超过5mm：②桥体倾斜斜率不超过0.5%：③当桥面沉降变形>3mm时需黄色报警，开始加强二次注浆和调 整盾构姿态.当变形>4mm时要红色警报，需采取更进一步的措施，并启动应急预案.
5拱桥变形计算与实测结果对比
所示. 1）护城河拱桥桥面预测与实测沉降对比如图9
对图9分析可得：桥面3个断面的实测沉降值均比预测沉降值小，且都在变形允许范围内，这说
范围允许值之内，说明文中所提出的变形控制措施合理有效.
参考文献：
[1]张云，股宗泽，徐水福，盾构法醚道引起的地表变形分析[2］刘招伟，王梦出，董新平，地铁隧道盾构法施工引起的地表 [J].岩石力学与工程学报，2002 21（3）：388-392.沉降分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22（8）：[3]于宁，朱合华，盾构隧道施工姓表变形分析与三维有限元模 1297-1301.拟[J].岩±力学 2004 25(8）：1330-1334.[4]周宪伟，王幼青，李德海，盾构法隧道施工引起地表变形分 析[J]. 低温建筑技术 2009(2) ： 93-95.[5]丁传松，杨兴富.盾构近距离下穿对已运营隧道的变形分析[ 6 ]Choi H H Cho H N Seo J W. Risk assessment methodology for [J].施工技术 2012 41(1) ; 84-86 91.underground construction projects [ J]. Joumal af Construction[7]任建喜，党超，马酸子梁软岩隧道围岩变形规律及支护技术 Enginering and Managrment 2004 ( 2) : 258-272.模拟分析[J].施工技术 2012，41(1)：87-91
图9桥面预测与实测沉降对比Fig. 9 Settlement parison of the deckforecast values and measured values
明文中的数值模拟可以有效地预测出盾构下穿护 城河施工时拱桥的最大变形，且采取相应的保护措施，从而保证护城河拱桥的安全.
2）桥体倾斜分析.在盾构施工过程中对护城测倾斜结果如表4所示. 河拱桥的桥体沿：方向的倾斜展开监测，桥体的实
（上接第49页）
2.7.2局部裂缝处理
1）沿裂缝方向，扩宽8mm，深2/3混凝土板厚缝.
表4拱桥东西两面沿x轴方向测斜分析
Table 4 Survey analysis of the west and the east ofarch bridge along with the x axis
200mm，深30mm缝；并在此缝的两头打12孔. 2）沿裂缝方向每300mm垂直于裂缝方向切长
位置 类别 点号顶面/mm2.482.372.17 1.90 1 2 3 4 1.65 5拱桥西面底面/mm2.352.35-2.17-1.93 斜率/% 0.0270.0060.0010.010 1.55 0.020面]/mm 2. 482.37 2. 18 1.91 1.65拱桥东面底面/mm-2.352.352.18-1.93 斜率/%0.0270.0060.0010.010 -1.55 0. 020
3）再用b10钢筋做成U字形插人孔中至钢筋嵌人缝内：再用环氧高渗透底漆刷涂，干燥后填充2040环氧树脂混凝土至平整.
3结语
使用2040环氧树脂混凝土进行地坪缺陷整改，操作方便、工艺简单，容易保证与基层混凝土质量一致.通过以上步骤的实施，圆满解决了总装车间地坪缺陷问题，为下一步的环氧树脂面层施工创造 条件，验证了2040环氧树脂混凝土在地坪缺陷整改中的优势.
由表4可知，桥体两侧倾斜斜率都一样，这是由于桥体是由钢筋混凝土做成的，桥体的整体稳定性好.桥体的最大倾斜斜率为0.027%.，而其允许最大倾斜斜率为3%，实测倾斜斜率远小于其允许值， 故采取的变形控制措施可有效保证桥体的倾斜变形在允许范围内.
参考文藏：
[1]雍本.特种混凝土设计与他工(2版)[M].北京：中国建筑工 业出版社 2005.[2]沈华，3mm环氧树脂无溶剂白流平地坪监理要点[J].施工[3]王薄，候伟，环氧树脂自流平地坪在现代洁净车间中的应用 技术 2010 39(82);198-199.[J]-陕西建筑 2010(11) :129-130.[4]戎建助，赵纯，环氧树脂白流平地坪创新施工实践[J].江苏 建筑 2013(5)；24-26.[5]杨蕴，王素玲，王荣敏，等，浅谈厂房环氧树脂砂浆地坪施[6]戴五平.环氧树脂水磨石地坪质量控制[J].现代装饰（理 工方泌[J].价值工智 2013(30) ;103-104 论) 2012 (11) ;157.
6结语
拱桥施工的变形规律.在上述的2种工况下分别研 1）采用FLAC3D计算研究了盾构下穿护城河究了盾构施工引起的护城河拱桥的变形影响规律，研究结果表明：盾构下穿护城河拱桥施工时必须采取加固措施方能保证其安全.
施，主要通过合理控制盾构参数、地面加固和桥梁 2）提出了盾构下穿护城河拱桥的变形控制措加固来控制变形.
3）现场监测结果表明：实测沉降值均在其变形
