潘延超、武殿朝、郑裕

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

0 引言

在城市建设中，盾构施工方法凭借机械化程度高、施工效率高、对环境影响较小等优点在市政工程中得到了广泛应用。但是在盾构掘进作业过程中，由于受到施工工艺和地质条件等因素的限制，会对周围土体产生一定的影响，尤其是既有工程，会造成建筑物桩基沉降等问题，甚至会影响既有工程的正常运营。因此，对盾构隧道下穿桥梁工程监测方案和自动化监测技术进行研究，对进一步降低盾构隧道工程对既有工程的影响有重要意义。

1 工程概况

某大直径盾构隧道位于A 市中部位置，为超大断面盾构隧道，与已建跨河大桥相距5.1km。该盾构隧道总长为2.52km，在施工过程中采用2 台水平盾构设备持续施工，盾构管片的内直径为13.9m，外直径为15.2m，环宽为2.0m。

该隧道工程穿越A 市高速公路节点，穿越位置为31m+45m+31m 三跨预应力刚构桥（盾构隧道与高架位置如图1 所示）。隧道采用钻孔灌注桩施工技术，主跨采用长度为30m 的灌注桩，边跨采用长度为38m的灌注桩，灌注桩桩径为1.5m。

图1 隧道与桩基位置图（单位：m）

该隧道工程河堤角位置与高架桥90、91墩之间的距离小于30m，东、西线盾构隧道与高架桥91、92墩之间的距离为3.91m，属于近距离穿越工程。工程埋深为25m，地层以粉质黏土层为主，部分位置有粉细砂层。

2 有限元模型构建

2.1 模型建立

为保证隧道施工过程中临近桥梁桩基的稳定性和安全性，施工过程中拟采用以下措施：

第一，采用Φ42 钢管对桥梁90、91和92桥墩进行加固处理，加固深度为原桥桩下方3～10m 位置；第二，在东、西线隧道施工前，在桥梁桩基边缘外10m位置设置Φ1.0m×1.2m 隔离桩；第三，采用高压喷射桩对东线隧道地层进行加固，加固厚度为3m。

利用有限元软件对该盾构隧道施工进行仿真模拟，模型宽度为188m，长度为200m，东、西线隧道间距为38.2m，拱顶与地表之间的距离为25m。模型如图2 所示。

图2 盾构隧道工程模型

2.2 模型参数确定

在计算过程中，将桥梁桩基、墩台等结构物和盾构管片等作为线性弹性体，并利用弹性本构模型对其进行分析；对桥梁加固位置和岩土均采用摩尔-库伦模型进行分析；其余结构单元采用单元模型进行分析。该工程所涉及的桥梁桩基为摩擦桩，为深入分析桩基与土层之间的相对作用，需要在土层与桩基相接位置构建接触面单元。接触面的法向刚度和切向刚度为桥梁周围硬岩土刚度的10 倍；摩擦角和黏聚力为周围岩土的0.5～0.8 倍。

通过改变桥梁加固区域岩土物理学参数的方式对其进行模拟。盾构管片混凝土强度为C60，弹性模量为36.5GPa，由于盾构管片接头形状会对隧道整体刚度产生一定程度的影响，所以设置其刚度折减系数为85%，模型参数如表1 和表2 所示。

表1 桩—土模型参数

材料名称接触面切向刚度/（N/m）37.6×107黏聚力/kPa 32法向刚度/（N/m）37.6×107内摩擦角/°20

表2 材料物理力学参数

材料名称填土粉质黏土粉质黏土（加固）风化辉长岩高架桩基隔离桩管片注浆层盾壳重度/（kN/m3）18.5 19.6 21.1 22.1 25.1 22.1 25.1 22.1 78.4泊松比0.31 0.31 0.34 0.26 0.21 0.21 0.21 0.21 0.29弹性模量/MPa 8.5 25.1 35.1 30.1 30000 23500 31025 400 206000黏聚力/kPa 19.1 35.2 40.0 0— —内摩擦角/°18.2 19.4 25.2 38.1——

2.3 隧道掘进模拟

隧道掘进模拟步骤如下：第一，生成隧道地应力场；第二，将掘进速度和位移清零，激活桥梁桩基、墩台等结构物以及注浆加固区域和隔离桩；第三，清除部分盾体单元，并激活盾壳，向开挖面持续施加压力；第四，向盾构设备尾部施加注浆压力；第五，激活注浆层、管片衬砌，并向管片与千斤顶一侧位置施加反力；第六，将上一步赋力冻结，并重复第三至第五步，待隧道完全贯通后，停止模拟。在模拟过程中，为减弱边界效应对隧道施工的影响，在模型计算过程中，需要将盾体置于底层，即先利用盾构机持续掘进20m，每次掘进距离为4m，剩余的最后20m 距离，通过1 次掘进作业完成。掘进施工如图3 所示。

图3 掘进作业图

该隧道工程盾构设备开挖直径为15.76m，尾部直径为15.65m，两者之间直径相差11cm。在施工过程中，拟采用克泥效工法对盾体存在的孔隙进行填充处理，以此降低施工沉降现象的发生率。模型计算时，通过改变隧道盾壳周围岩土体的物理力学参数，模拟该过程，设置该施工作业中围岩的弹性模量为20MPa，黏聚力为10kPa，泊松比为0.25。考虑到隧道掘进过程中不同注浆层之间浆液硬化速度不同，需要根据掘进位置为不同注浆层浆液硬化速度设置相应参数，以此来保证隧道水泥硬化曲线符合实际情况。隧道施工每天的掘进距离为6～8 环，因此假定盾尾距离大于16m 时，注浆层预设模量可以满足施工设计要求。在施工模拟时，所施加的千斤顶推力、顶进压力均匹配实际施工掘进参数（在大堤段所施加的压力和推力均高于后半段）。

3 大直径盾构隧道近接桥梁全自动监测技术

3.1 自动化实时沉降监测

该隧道工程在施工过程中，主要利用自动监测技术对刚构桥桥墩沉降变化进行监测。自动化沉降监测系统主要由数据传输模块、数据传感器模块、数据处理软件等组成。在90、91、92桥墩左侧和右侧位置分别安装1 台静力水准仪，并在隧道下穿施工影响范围外的位置安装基准点静力水准仪。

静力水准仪之间可以实现相互连通，如此，所有水准仪传感器液面将处于同一高度，当桥梁或隧道结构物出现位移时，安装于相应位置的静力水准仪传感器液面将会出现变化。因此，在隧道掘进施工过程中，施工人员观察静力水准仪传感器液面的变化情况，即可了解结构物的位移变化量。在桥梁结构物变形监测过程中，为减少温度或湿度对静力水准仪传感器液面的影响，需要采用外包隔热层或涂抹防冻液等方法，对静力水准仪进行保护。该隧道工程静力水准仪参数如表3 所示。

表3 静力水准仪参数

参数100mm±0.1%FS（±0.1mm）0.025%FS-20～+80℃（使用防冻液）指标标准量程传感器精度传感器灵敏度温度范围

自动化沉降监测技术可以进行远程控制，同时具备数据自主采集、在线处理、自动回传、自动分析和预警等功能。此外，在自动化沉降监测系统中应用高精度传感器，可以进一步提高结构变形监测的连续性和精准性，也可以实现动态化监控。

3.2 人工沉降监测

在隧道施工过程中，除了需要利用静力水准仪对桥梁结构的沉降变化情况进行监测，还需要施工人员对监测数据进行复核。该工程的人工沉降监测点设置在桥梁桥墩前、后、左、右四个方位，桥墩左右两侧的监测点布设在静力水准仪下方，监测点距离地面30cm，共设置20 个。除了要在桥墩的四个方位布置人工沉降监测点，还要在施工影响范围外的稳定位置设置沉降监测基准点，以此来保证桥梁结构沉降监测数据的准确性和真实性。该隧道工程的人工监测标准采用二等水准测量要求，并利用在检定有效期限内的电子水准仪和铟瓦条码尺，采集桥梁结构数据。开展人工监测作业时，监测人员需要严格遵照监测作业标准和规范开展工作，监测频率为每天1 次；当隧道掘进至桥梁100m 范围内时，需要提高人工监测频率，施工人员需要在每天早上和下午各监测一次数据，并在监测作业结束后，对监测数据进行复核，确保监测数据的准确性和真实性。

3.3 预警值设置

根据市政与公路工程下穿桥梁施工技术规程要求，在不限制隧道掘进施工速度的情况下，下穿工程对运营桥梁墩顶位移的影响不得超过2mm。该隧道工程预警机制为三级，根据实际施工情况，设置预警值参数，如表4 所示。

表4 预警值参数

等级一级预警二级预警三级预警沉降预警值/mm 1.4 1.7 2

3.4 监测结果

该工程桥梁结构沉降监测作业以自动化监测手段为主，并定期通过人工监测方式对沉降数据进行核验。该数据监测方式不仅能够严格把控数据变化规律和准确性，也能为隧道施工提供技术指导。在数据监测过程中，为避免环境因素或偶然误差对监测数据造成影响，每日实时存储静力水准仪的监测数据，以便监测人员调取和检查。在隧道施工初期阶段，每个监测点的静力水准仪传感器数据变化幅度较小，说明盾构机掘进作业并未对桥梁基础结构产生较大的影响。从数据收集情况来看，人工监测和自动化监测数据均较为稳定，数据波动变化在1mm 内；当隧道掘进工作至桥梁100m 范围内后，由于隧道埋深较浅，且盾构施工产生的震动距桥梁较近，因此静力水准仪监测数据的变化幅度较大，但桥梁桥墩的沉降变化数据并未超过2mm，满足桥梁最大沉降要求；当隧道掘进工作穿过桥梁后，监测数据逐渐趋于稳定。从监测数据来看：采用隔离桩和高压喷射桩对桥梁和隧道加固处理，可以有效控制隧道下穿作业对桥梁桥墩的沉降影响；采用隧道管片注浆措施，能够保证隧道下穿后桥梁沉降的快速稳定；自动化监测与人工监测数据之间的差距较小，表明自动化监测技术具有较高的有效性和可行性，能够准确分析出桥梁的沉降变形规律。

4 结语

对大直径盾构隧道近接桥梁监测方案进行研究，并利用有限元分析软件对盾构隧道穿越桥梁的影响进行分析和模拟，通过设置高压喷射桩和隔离桩对桥梁进行加固处理，同时建立桥梁桥墩沉降自动化检测系统。监测结果表明，在盾构隧道下穿施工过程中，对桥梁进行加固处理，能够有效控制隧道施工对桥梁桥墩的沉降影响，也有利于隧道施工结束后桥梁桥墩变形沉降的快速稳定。