综合管廊近距离穿越既有桥梁结构安全风险控制研究*

2021-02-18董留群张亚楠

施工技术(中英文) 2021年23期

董留群，张亚楠，柳献

(1.同济大学土木工程学院，上海 200092；2.中交(成都)城市开发有限公司，四川成都 641402)

1 工程概况及风险识别

1.1 工程概况

某城市中心城区环城地下综合管廊是国内首条采用6m直径盾构建设的城市地下综合管廊，该项目沿该城市轨道交通11号线路敷设并同步建设，主线线路总长约44.9km，在里程DK10+681.423—DK10+717.371，近距离穿越某路跨某铁路立交桥，隧道施工工法为矿山法和盾构法，如图1a所示。矿山法隧道与工作井相接，长15m，已施工完成，根据监测结果，矿山法隧道施工过程对既有桥梁结构的变形几乎无影响。因此，本文主要针对盾构近距离穿越施工对桥梁结构安全性影响进行分析。

图1 综合管廊与某路跨某铁路立交桥位置关系(单位：m)

某路跨某铁路立交桥桥桩为钻孔灌注桩，桩长6.5～17.3m，桩径1.2～1.5m，上部结构为跨径18m简支钢筋混凝土箱梁，根据桥梁权属单位提供的桥梁结构鉴定资料显示，穿越段桥梁结构鉴定为C类。穿越段盾构隧道埋深约13.63m，盾构隧道与既有桥梁结构相对关系如图1b所示，隧道南侧桥桩与隧道最小水平距离7.94m，桩底距离隧道顶0；隧道北侧桥桩与隧道最小水平距离2.7m，桩底距离隧道顶2.15m。

1.2 主要风险识别

通过结合工程特点及现场的实际调研，本文进行风险识别分析，如表1所示。可见，在地下综合管廊工程盾构区间穿越某路立交桥施工过程中，风险主要存在于盾构施工准备、盾构空推及盾构施工等环节；同时，可能会导致周边建(构)筑物和地面沉降、桥梁桩基沉降等风险后果。

本文将表1列出的风险后果归并，得到施工期面临的主要风险后果为建(构)筑物沉降或位移，进而导致其开裂。同时，盾构穿越施工会引起地层扰动，使桥梁结构桩基及承台发生变形，并影响桥梁结构安全性。而桥梁结构变形与最大允许变形关系体现了既有桥梁结构的安全状况，过大变形会导致结构下沉或开裂。地面沉降变形与最大允许沉降变形关系则可反映盾构施工控制效果及盾构施工安全性。这也是综合管廊近距离穿越既有桥梁结构面临的主要安全风险控制指标。在数值模型分析及施工过程中也应重点关注这2个指标。

表1 主要风险识别情况

考虑到既有桥梁结构状态和近距离施工风险性，盾构穿越施工风险控制方案拟定如下。

1)划分试验段、穿越段和保护段，结合数值分析结果和施工经验确定试验段盾构施工参数，通过试验段掘进和信息化监测结果调整优化掘进参数，制定穿越段掘进参数，并进一步在保护段平稳通过，确保施工安全。

2)预埋袖阀管，根据实时监测结果及时注浆。

3)制订应急预案，应对紧急情况。

2 安全风险评估分析模型

对该综合管廊盾构区间穿越某路立交桥专项施工方案安全风险评估主要包括：①采用三维数值模型分析，计算对应风险量化指标，评估穿越过程风险大小；②基于数值分析结果及风险分析评估，提出施工风险控制方法并应用于工程实践。

本节主要介绍数值模型分析方面的内容。

2.1 工程条件

该综合管廊盾构法隧道采用外径6.0m、内径5.4m钢筋混凝土预制管片，管片厚300mm，环宽1.5m，混凝土强度等级C50。管片环间采用错缝拼装，每环管片环间采用12根M24螺栓连接，环内采用10根M24螺栓连接。穿越段地层由上至下为：①1填土、②1B淤泥质土、③1粉细砂、⑤N-2粉质黏土、⑦1强风化粉砂砾岩、⑧1中风化粉砂砾岩、⑧3中风化泥质粉砂岩、⑨1微风化粗砂砾岩。

2.2 有限元模型及参数设置

基于该综合管廊近距离穿越某路跨某铁路立交桥工程案例，采用MIDAS/GTS建立三维数值分析模型。按实际尺寸110m×100m×60m建模，包括综合管廊矿山法隧道、盾构法隧道和桥梁上部结构、承台结构、梯段结构及桥桩结构，边界条件为侧面约束法向位移，底部约束x，y，z3个方向的位移，三维模型如图2所示。模型中，地层采用修正莫尔-库仑弹塑性模型，采用的土体物理力学参数如表2所示，立交桥桩基采用桩单元，桥墩、梁、承台采用3D实体单元，暗挖段隧道、盾构法隧道采用壳单元进行模拟，锚杆采用植入式桁架单元，结构材料按弹性本构考虑，参数根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)选取，如表3所示。

表3 结构材料力学参数

图2 综合管廊穿越某路跨某铁路立交桥数值分析模型(单位：m)

表2 岩土计算参数

2.3 数值模拟过程

为真实反映初始应力状态、综合管廊穿越施工及参数调整对桥梁结构的影响，各阶段应力释放比例分别为：开挖阶段释放30%，管片拼装阶段释放60%，隧道贯通后释放10%。本次数值模拟主要步骤如下。

1)根据实际地层参数给相应的几何模型赋予参数并进行地应力平衡。

2)生成立交桥，根据实际情况赋予结构参数，清零位移场。

3)进行隧道分步开挖及支护，模拟综合管廊穿越施工过程，计算得到地层位移和既有桥梁结构受力变形情况。

2.4 模拟结果及结构安全分析

本文基于桥梁结构变形及地面沉降变形计算结果，判别综合管廊穿越施工过程中桥梁结构安全性及施工风险控制效果。据前述模拟步序对综合管廊近距离穿越施工的计算，得到地表及隧道结构竖向总位移，如图3所示，可见综合管廊隧道穿越施工后，土体总位移最大值为4.45mm，竖向位移最大值为3.91mm，沿隧道轴向位移最大值为1.12mm，垂直于隧道轴向挤出位移最大值为2.22mm。另外，综合管廊隧道结构总位移最大值为3.62mm，竖向位移最大值为3.60mm，沿隧道轴向位移最大值为0.54mm，垂直于隧道轴向挤出位移最大值为2.54mm。

图3 土体及隧道结构位移

综合管廊隧道穿越施工后，既有桥梁结构位移情况如图4所示，可知盾构隧道穿越施工后，桥梁桩基总位移1.34mm，其中x，y，z方向的最大位移分别为0.18，0.55，1.33mm，相邻桩基最大沉降差为0.13mm，相邻桥墩最大沉降差为0.2mm；承台结构总位移为1.34mm，其中x，y，z方向的最大位移分别为0.05，0.26，1.33mm，相邻承台最大沉降差为0.4mm；上部结构总位移为1.33mm，其中x，y，z方向的最大位移分别为0.13，0.33，1.32mm；梯段结构总位移为4.45mm，其中x，y，z方向的最大位移分别为0.47，1.15，4.43mm。

图4 桥梁结构位移

据上述结果，得到综合管廊穿越施工过程中各控制因素安全指标，如表4所示，可知综合管廊近距离穿越既有桥梁施工过程中，既有桥梁结构各位移值均满足规范控制标准要求，穿越施工过程安全可控。其中，安全系数最小的结构为梯段结构(3.4)，该结构为天然基础，安全性主要由天然地基承载力决定，由于穿越过程中地表位移最大，故其安全系数最小。安全系数第2小的为隧道结构，故在施工过程中应注重梯段结构及施工自身风险控制。

表4 综合管廊穿越施工过程中各控制因素安全指标

3 施工风险控制

由于本次综合管廊穿越既有桥梁结构距离近，既有桥梁结构服役时间长、鉴定为C类结构，服役性能较差。因此，通过建立三维数值分析模型，对穿越施工过程中结构安全性进行分析。结合该工程地质情况及以往施工经验，初步制定盾构穿越施工参数及风险控制方案，通过信息化监测结构实时调整优化施工参数，确定最终穿越施工参数。从源头降低风险，确保穿越施工风险可控，保证桥梁结构安全。针对综合管廊近距离穿越既有桥梁结构，施工风险控制方案主要包括施工准备、盾构施工措施、监控量测及应急预案。

3.1 施工准备

施工前对跨某铁路立交桥竣工图资料进一步复核确认，全面掌握既有桥梁结构相关设计信息，定测桥桩位置进行复核，并进行结构状态评估及初始状态记录，征得权属单位同意，和权属单位签订安全协议，编制联动应急预案。摸清周边管线情况，进行必要的地质补勘，编制专项施工方案，指导实际施工。

3.2 盾构施工措施

为更好控制施工风险，将盾构施工划分为试验段、穿越段和保护段，其中试验段为穿越段前20m，穿越段为盾构机刀盘进入穿越桥梁起始里程点前6m至盾尾脱出高架的终止里程点后6m，保护段为穿越段后24m。

在盾构试验段，根据数值分析、地质勘察资料和施工经验，设定多种推进参数、尝试不同推进模式，掌握同类型地层的地质特性、变形规律。通过实时监测对穿越施工过程中推进速度、出土量、土仓压力、膨润土注入情况、总推力、掘进速度、注浆量及注浆压力、泡沫参数设置、土体改良剂注入情况与地表沉降量、深层土体变形情况进行详细、科学的多参数联动分析，掌握不同地层中盾构机参数与地层位移规律及结构受力状况的关系。施工过程信息化监测的数据为调整优化掘进参数提供了重要依据，调整优化施工参数，获得穿越段盾构施工参数，优化数值分析模型。同时，在试验段需预先调整好盾构姿态，以较好姿态穿越桥桩。

在盾构穿越段，对根据试验段获得的盾构施工参数进行设定，如表5所示。及时进行同步注浆和二次注浆，同步注浆浆液凝胶时间4h，注浆配合比为水泥∶砂∶粉煤灰∶水∶膨润剂=160∶600∶370∶500∶50。二次注浆压力为0.3MPa，每孔注浆量控制在0.8m3，二次注浆时遵循少量、慢速、低压、多次、跳孔注浆。在穿越施工过程中，根据土体及桥梁结构位移监测结果进一步优化掘进参数，控制土体位移和桥梁结构位移，确保桥梁结构运营安全，控制施工风险。

表5 综合管廊穿越施工过程中掘进参数

在盾构保护段，为确保整个穿越过程成功，有效控制地面沉降，在该区段施工时仍需对土压力、推进速度、出土量、注浆量和注浆压力设定与地面沉降监测结果进行对比分析，严格控制土体沉降和位移，保证盾构穿越稳定性，确保既有桥梁结构运营安全。

3.3 监控量测及应急预案

本次综合管廊近距离穿越既有桥梁结构施工采用信息化监测，快速采集和处理数据，并及时传送至盾构操作室，及时调整掘进参数，控制穿越施工风险，其中监测项目不限于土体位移、隧道结构拱顶位移、桥梁结构裂缝、倾斜、沉降等。在穿越施工前准备好应急物资，并制订相应的应急方案，信息化监测及应急预案启动流程如图5所示。在穿越施工过程中，如桥梁沉降出现报警情况，将首先启动预埋袖阀管注浆方案控制沉降。穿越施工结束后，应对土体及桥梁结构位移等监测内容进行持续监测，确保监测数据收敛稳定后方可结束。

图5 信息化监测及应急预案启动流程

4 施工控制风险结果

施工过程中现场监测数据与计算值对比如表6所示，可知优化后数值模型分析结果与实际监测结果基本吻合，土体最大位移为4.3mm，桥梁桩基及承台结构最大位移为1.3mm，梯段结构最大位移为4.2mm，土体位移及桥梁结构位移均满足规范要求，结构安全性良好。本次穿越施工过程监测结果表明，根据数值计算和施工经验初步制订施工风险控制方案，通过试验段掘进和信息化监测反馈调整优化施工参数，并进一步完善风险控制方案和分析模型，具有较高的可行性，风险控制效果较好，可保证既有结构安全性。