地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的影響機制與應(yīng)對策略研究一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進程的不斷加速，城市人口數(shù)量急劇增長，交通擁堵問題日益嚴(yán)重。地鐵作為一種大運量、高效率、綠色環(huán)保的城市軌道交通方式，在緩解城市交通壓力、優(yōu)化城市交通結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。近年來，我國各大城市紛紛加大了地鐵建設(shè)的力度，地鐵線路不斷向城市各個區(qū)域延伸擴展。在地鐵建設(shè)過程中，由于城市空間資源的有限性以及既有城市基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性，盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的工程情況越來越頻繁地出現(xiàn)。例如，在廣州地鐵二十一號線棠東站-黃村站區(qū)間，線路出棠東站后沿泰安北路向東敷設(shè)，在此過程中需要下穿東環(huán)高速高架橋。在深圳，地鐵線路建設(shè)也面臨著下穿既有高架橋的挑戰(zhàn)，如深圳地鐵5號線洪浪-興東盾構(gòu)區(qū)間下穿廣深高速公路立交橋。這些工程實例表明，盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋已成為地鐵建設(shè)中常見的工程難題。既有高架橋作為城市交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，承擔(dān)著大量的交通流量，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性對于保障城市交通的正常運行至關(guān)重要。一旦盾構(gòu)隧道施工對既有高架橋產(chǎn)生不利影響，如導(dǎo)致高架橋基礎(chǔ)沉降、橋墩傾斜、橋梁結(jié)構(gòu)裂縫等問題，不僅會影響高架橋自身的結(jié)構(gòu)安全和使用壽命，還可能引發(fā)嚴(yán)重的交通安全事故，給人民群眾的生命財產(chǎn)安全帶來巨大威脅。同時，施工過程中若對高架橋的影響處理不當(dāng)，還可能導(dǎo)致工程延誤，增加建設(shè)成本，對城市的經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，深入研究地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的影響具有極其重要的意義。從保障工程安全角度來看，通過研究盾構(gòu)隧道施工過程中對既有高架橋的力學(xué)響應(yīng)和變形規(guī)律，可以準(zhǔn)確評估施工對高架橋的影響程度，提前發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，從而采取有效的工程措施加以預(yù)防和控制，確保高架橋在施工期間和運營后的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。在降低對既有高架橋影響方面，研究成果能夠為制定合理的施工方案和保護措施提供科學(xué)依據(jù)，減少盾構(gòu)施工對高架橋基礎(chǔ)、橋墩和橋梁結(jié)構(gòu)的擾動，降低沉降、位移等不利影響，最大程度地保護既有高架橋的原有性能和使用功能。在指導(dǎo)施工方面，研究可以明確盾構(gòu)施工參數(shù)與高架橋變形之間的關(guān)系，施工人員能夠根據(jù)實際情況實時調(diào)整盾構(gòu)機的掘進參數(shù)，如土倉壓力、推進速度、注漿量等，實現(xiàn)精細化施工，提高施工效率，保障工程的順利進行。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著城市地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的工程問題日益受到關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員圍繞這一課題展開了廣泛而深入的研究，在理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測以及工程措施等方面取得了一系列有價值的成果。在理論分析方面，國外學(xué)者較早開始關(guān)注盾構(gòu)隧道施工對周圍土體及鄰近結(jié)構(gòu)物的影響。例如，Peck提出了經(jīng)典的地表沉降經(jīng)驗公式，該公式基于大量的工程實踐數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析得出，能夠?qū)Χ軜?gòu)隧道施工引起的地表沉降進行初步估算，為后續(xù)的研究提供了重要的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，一些學(xué)者進一步考慮了土體的非線性特性、盾構(gòu)機的施工參數(shù)等因素，對Peck公式進行了修正和完善。與此同時，基于彈性力學(xué)和土力學(xué)的基本原理，學(xué)者們建立了一些解析模型，用于分析盾構(gòu)隧道施工過程中土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)以及對高架橋基礎(chǔ)的影響。這些解析模型能夠從理論上揭示盾構(gòu)施工與高架橋相互作用的力學(xué)機制，但由于實際工程的復(fù)雜性，解析模型往往需要進行一定的簡化假設(shè)，在應(yīng)用范圍上存在一定的局限性。在國內(nèi)，理論研究也取得了豐碩成果。一些學(xué)者針對我國城市地質(zhì)條件和工程特點，深入研究了盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋時的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。通過建立考慮土體-結(jié)構(gòu)相互作用的理論模型，分析了高架橋橋墩、樁基在盾構(gòu)施工影響下的內(nèi)力和變形變化情況，為工程設(shè)計和施工提供了理論依據(jù)。例如，有學(xué)者基于Winkler地基梁理論，考慮了樁土相互作用，建立了盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋樁基的力學(xué)分析模型，對樁基的沉降和水平位移進行了理論計算，并與實際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比驗證，取得了較好的結(jié)果。數(shù)值模擬作為一種重要的研究手段，在盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的研究中得到了廣泛應(yīng)用。國外學(xué)者利用有限元軟件如ANSYS、ABAQUS等，建立了復(fù)雜的三維數(shù)值模型，模擬盾構(gòu)隧道的施工過程，分析施工對既有高架橋的影響。通過數(shù)值模擬，可以直觀地觀察到土體的變形、應(yīng)力分布以及高架橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移變化情況，對不同施工方案和參數(shù)進行對比分析，從而優(yōu)化施工方案。例如，有研究通過建立三維有限元模型，模擬了盾構(gòu)隧道在下穿既有高架橋時，不同土倉壓力、注漿壓力等施工參數(shù)對高架橋樁基沉降和水平位移的影響，得出了合理的施工參數(shù)取值范圍。國內(nèi)學(xué)者同樣借助數(shù)值模擬技術(shù)，開展了大量深入研究。不僅考慮了土體的本構(gòu)模型、盾構(gòu)機的施工工藝等因素，還結(jié)合具體工程案例，對盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的全過程進行了精細化模擬。例如，在某實際工程中，采用MIDAS/GTS軟件建立了包含土體、高架橋和盾構(gòu)隧道的三維數(shù)值模型，模擬了盾構(gòu)施工過程中不同階段高架橋的變形和內(nèi)力變化，根據(jù)模擬結(jié)果提出了針對性的施工控制措施，有效地保障了工程的安全順利進行?，F(xiàn)場監(jiān)測是研究盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋影響的重要方法之一，國內(nèi)外都非常重視現(xiàn)場監(jiān)測工作。通過在施工現(xiàn)場布置各種監(jiān)測儀器，如水準(zhǔn)儀、全站儀、應(yīng)變計等，實時獲取盾構(gòu)施工過程中高架橋的沉降、位移、應(yīng)力等數(shù)據(jù)，為理論分析和數(shù)值模擬提供了實際驗證依據(jù)，也能及時發(fā)現(xiàn)施工過程中出現(xiàn)的問題，指導(dǎo)施工調(diào)整。在國外的一些工程中，通過長期的現(xiàn)場監(jiān)測，積累了豐富的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對盾構(gòu)隧道施工對既有高架橋的長期影響有了更深入的認(rèn)識。國內(nèi)眾多地鐵工程在盾構(gòu)下穿既有高架橋時，也都進行了全面細致的現(xiàn)場監(jiān)測。例如，在廣州地鐵某區(qū)間盾構(gòu)下穿既有高架橋工程中，通過在高架橋橋墩、樁基以及周邊地表布置監(jiān)測點，對盾構(gòu)施工全過程進行了嚴(yán)密監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調(diào)整了盾構(gòu)機的掘進參數(shù)，如土倉壓力、推進速度等，有效地控制了高架橋的變形，確保了高架橋的安全。在工程措施方面，國內(nèi)外都提出了一系列有效的方法來減少盾構(gòu)隧道施工對既有高架橋的影響。國外常見的措施包括對高架橋基礎(chǔ)進行加固處理，如采用錨桿靜壓樁、樹根樁等方法提高基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性；在盾構(gòu)施工過程中，采用同步注漿、二次注漿等技術(shù)，填充盾構(gòu)隧道與土體之間的空隙，減少土體的沉降和變形。國內(nèi)除了采用上述常見措施外，還結(jié)合實際工程不斷創(chuàng)新和改進。例如，采用“先行梁法”，即在盾構(gòu)隧道掘進前，在高架橋上方設(shè)置先行梁，將高架橋的荷載提前轉(zhuǎn)移，減少盾構(gòu)施工對高架橋的影響；還有“中空鋼板法”，通過在高架橋上方鋪設(shè)中空鋼板，增強土體的穩(wěn)定性，同時采用預(yù)應(yīng)力錨桿對鋼板進行加固，確保高架橋的安全。盡管國內(nèi)外在盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的研究方面取得了顯著成果，但仍存在一些不足之處。在理論研究方面，雖然建立了多種理論模型，但由于實際工程中土體性質(zhì)的復(fù)雜性、盾構(gòu)施工工藝的多樣性以及土體-結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性，現(xiàn)有的理論模型還難以完全準(zhǔn)確地描述盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的力學(xué)行為，需要進一步深入研究和完善。在數(shù)值模擬方面，雖然數(shù)值模擬能夠?qū)κ┕み^程進行較為直觀的分析，但模型參數(shù)的選取對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大，目前模型參數(shù)的確定方法還不夠完善，存在一定的主觀性，如何更加準(zhǔn)確地確定模型參數(shù)，提高數(shù)值模擬的精度，仍是需要解決的問題。在現(xiàn)場監(jiān)測方面，監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理方法還有待進一步優(yōu)化，如何從大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取出有價值的信息，建立更加科學(xué)合理的監(jiān)測預(yù)警體系，以便及時準(zhǔn)確地判斷高架橋的安全狀態(tài)，還需要深入研究。在工程措施方面，雖然提出了多種有效的方法，但不同工程措施的適用條件和效果還缺乏系統(tǒng)的對比分析，在實際工程中如何根據(jù)具體情況選擇最合適的工程措施，還需要進一步探索和總結(jié)。綜上所述，未來關(guān)于盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的研究可以從以下幾個方向展開：一是進一步深化理論研究，建立更加完善、準(zhǔn)確的考慮土體-結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)模型，揭示盾構(gòu)施工對既有高架橋影響的內(nèi)在機制；二是加強數(shù)值模擬技術(shù)的研究，改進模型參數(shù)的確定方法，提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性；三是優(yōu)化現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理方法，建立更加科學(xué)有效的監(jiān)測預(yù)警體系；四是系統(tǒng)地對比分析不同工程措施的適用條件和效果，形成一套科學(xué)合理的工程措施選擇和應(yīng)用體系。通過這些研究，將為盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程提供更加堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，保障工程的安全順利進行。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的復(fù)雜工程問題，綜合運用多種研究手段，深入剖析盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋過程中對高架橋結(jié)構(gòu)的影響，提出有效的控制措施，并對施工風(fēng)險進行全面評估，同時探討施工監(jiān)測的方法和技術(shù)，為保障工程安全、順利進行提供科學(xué)依據(jù)。在研究內(nèi)容方面，首先對盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋過程中對高架橋結(jié)構(gòu)的影響進行深入分析。具體而言，運用土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等相關(guān)理論，研究盾構(gòu)施工引起的土體變形規(guī)律，以及這種變形如何傳遞并作用于高架橋基礎(chǔ)、橋墩和橋梁結(jié)構(gòu)，進而導(dǎo)致高架橋產(chǎn)生沉降、位移和內(nèi)力變化。通過對不同地質(zhì)條件、盾構(gòu)施工參數(shù)以及高架橋結(jié)構(gòu)形式等因素的綜合考慮，分析各因素對高架橋結(jié)構(gòu)影響的敏感性，明確影響高架橋結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵因素。其次，基于對影響因素的分析，提出切實可行的控制措施，以降低盾構(gòu)隧道施工對既有高架橋的不利影響。從盾構(gòu)施工參數(shù)優(yōu)化入手，研究合理的土倉壓力、推進速度、注漿量和注漿壓力等參數(shù)的取值范圍，通過實時調(diào)整施工參數(shù)，減少土體的擾動和變形，從而控制高架橋的沉降和位移。針對高架橋基礎(chǔ)和橋墩，提出相應(yīng)的加固措施，如采用錨桿靜壓樁、樹根樁等方法對基礎(chǔ)進行加固，增強基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性；對橋墩進行結(jié)構(gòu)補強，提高橋墩的抗變形能力。在施工過程中，還將采取有效的保護措施，如設(shè)置隔離樁、加固土體等，以減少盾構(gòu)施工對高架橋周邊土體的影響。施工風(fēng)險評估也是本研究的重要內(nèi)容之一。識別盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋施工過程中可能存在的風(fēng)險因素，如隧道坍塌、高架橋過度沉降、不均勻沉降、相鄰墩臺縱橫向沉降差過大等。采用定性和定量相結(jié)合的方法，對風(fēng)險發(fā)生的概率和后果進行評估，確定風(fēng)險等級。例如，運用層次分析法、模糊綜合評價法等，將風(fēng)險因素進行量化分析，為制定風(fēng)險控制策略提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)風(fēng)險評估結(jié)果，制定針對性的風(fēng)險控制措施，如加強施工監(jiān)測、優(yōu)化施工方案、制定應(yīng)急預(yù)案等，以降低風(fēng)險發(fā)生的概率和影響程度，確保施工安全。此外，本研究還將對盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋施工監(jiān)測方法和技術(shù)進行探討。研究監(jiān)測項目的合理選擇，包括高架橋的沉降、位移、應(yīng)力、裂縫等，以及土體的變形、孔隙水壓力等。確定監(jiān)測點的布置原則和方法，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映高架橋和土體的實際狀態(tài)。分析監(jiān)測頻率的確定依據(jù)，根據(jù)施工進度、地質(zhì)條件和風(fēng)險等級等因素，合理安排監(jiān)測頻率，保證能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析方法進行研究，通過數(shù)據(jù)擬合、趨勢分析等手段，提取有價值的信息，為施工決策提供支持，實現(xiàn)對施工過程的動態(tài)監(jiān)控和信息化管理。在研究方法上，本研究采用案例分析、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方式。通過對實際工程案例的詳細調(diào)研和分析，獲取盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程的實際施工數(shù)據(jù)、地質(zhì)條件、高架橋結(jié)構(gòu)參數(shù)以及施工過程中出現(xiàn)的問題和處理措施等第一手資料。例如，選取廣州地鐵二十一號線棠東站-黃村站區(qū)間下穿東環(huán)高速高架橋、深圳地鐵5號線洪浪-興東盾構(gòu)區(qū)間下穿廣深高速公路立交橋等典型案例，深入研究其施工過程和工程效果，總結(jié)成功經(jīng)驗和存在的問題，為后續(xù)研究提供實際工程背景和參考依據(jù)。運用數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、ABAQUS、MIDAS/GTS等，建立盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的三維數(shù)值模型。在模型中，考慮土體的本構(gòu)模型、盾構(gòu)機的施工工藝、高架橋的結(jié)構(gòu)形式以及土體-結(jié)構(gòu)相互作用等因素，模擬盾構(gòu)隧道的施工過程，分析施工過程中土體的變形、應(yīng)力分布以及高架橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移變化情況。通過數(shù)值模擬，可以直觀地觀察到不同施工參數(shù)和工況下高架橋的響應(yīng)，對不同施工方案進行對比分析，優(yōu)化施工方案，預(yù)測施工過程中可能出現(xiàn)的問題，為工程設(shè)計和施工提供科學(xué)指導(dǎo)。基于土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等基本理論，建立盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的力學(xué)分析模型，從理論上推導(dǎo)盾構(gòu)施工引起的土體變形和高架橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的計算公式。通過理論分析，揭示盾構(gòu)施工與高架橋相互作用的力學(xué)機制，明確各因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，為數(shù)值模擬和工程實踐提供理論基礎(chǔ)。將理論分析結(jié)果與數(shù)值模擬和實際工程案例進行對比驗證，進一步完善理論模型，提高研究成果的可靠性和準(zhǔn)確性。二、地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程概述2.1工程案例選取本研究選取廣州地鐵二十一號線棠東站-黃村站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿東環(huán)高速高架橋這一工程案例進行深入分析。該案例具有典型性和代表性，在施工過程中面臨著諸多復(fù)雜的工程問題，對其進行研究能夠為同類工程提供寶貴的經(jīng)驗和參考。廣州地鐵二十一號線是廣州市軌道交通線網(wǎng)中的一條重要線路，它的建成對于加強廣州市東部地區(qū)與中心城區(qū)的聯(lián)系，促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。棠東站-黃村站區(qū)間作為該線路的關(guān)鍵區(qū)間之一，其施工難度較大，尤其是盾構(gòu)隧道下穿東環(huán)高速高架橋這一環(huán)節(jié)，更是工程的重點和難點。東環(huán)高速高架橋是廣州市交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，承擔(dān)著大量的交通流量。該高架橋建成時間較長，經(jīng)過多年的運營，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本穩(wěn)定。然而，盾構(gòu)隧道下穿施工必然會對高架橋的基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的擾動，從而影響其穩(wěn)定性和安全性。因此，如何在確保盾構(gòu)隧道順利施工的同時，最大程度地減少對既有高架橋的影響，成為了該工程面臨的首要問題。從地質(zhì)條件來看，該區(qū)域的地質(zhì)情況較為復(fù)雜，主要地層包括第四系全新統(tǒng)人工填土層、海陸交互相沉積層、沖積層以及基巖風(fēng)化層等。這些地層的物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，土體的穩(wěn)定性和承載能力也各不相同。其中，海陸交互相沉積層和沖積層主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、砂層等組成，具有含水量高、壓縮性大、強度低等特點，在盾構(gòu)施工過程中容易產(chǎn)生較大的變形和沉降；而基巖風(fēng)化層則硬度較高，對盾構(gòu)機的刀具磨損較大，施工難度增加。在盾構(gòu)施工參數(shù)方面，土倉壓力、推進速度、注漿量和注漿壓力等參數(shù)的合理選擇對于控制盾構(gòu)施工對既有高架橋的影響至關(guān)重要。土倉壓力若設(shè)置過低，無法有效平衡開挖面的水土壓力，可能導(dǎo)致土體坍塌和地面沉降過大；若設(shè)置過高，則會對周圍土體產(chǎn)生過大的擠壓作用，同樣會引起高架橋的變形。推進速度過快會使盾構(gòu)機對土體的擾動加劇，增加土體的變形和沉降；過慢則會影響施工進度，增加施工成本。注漿量和注漿壓力的控制不當(dāng)，可能導(dǎo)致注漿不飽滿，無法有效填充盾構(gòu)隧道與土體之間的空隙，從而引起地面沉降和高架橋的不均勻沉降。高架橋的結(jié)構(gòu)形式也對盾構(gòu)施工產(chǎn)生重要影響。東環(huán)高速高架橋為多跨連續(xù)梁橋，橋墩采用柱式墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。這種結(jié)構(gòu)形式在承受豎向荷載方面具有較好的性能，但在水平荷載作用下的變形相對較大。盾構(gòu)隧道下穿時，由于施工引起的土體水平位移和附加應(yīng)力，可能會使橋墩產(chǎn)生水平位移和傾斜，進而影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全。此外，連續(xù)梁橋的各跨之間相互影響，一旦某一跨出現(xiàn)問題，可能會波及整個橋梁結(jié)構(gòu)，因此對施工過程中的變形控制要求更為嚴(yán)格。本工程案例中，盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的施工難度較大，地質(zhì)條件、盾構(gòu)施工參數(shù)以及高架橋結(jié)構(gòu)形式等因素相互交織，對工程的安全和順利進行構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通過對該案例的深入研究，能夠全面了解盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程的復(fù)雜性和特殊性，為后續(xù)的數(shù)值模擬、理論分析以及控制措施的提出提供堅實的基礎(chǔ)。2.2盾構(gòu)隧道施工原理與技術(shù)盾構(gòu)法施工是一種在地面下暗挖隧洞的先進施工方法，其核心原理是利用盾構(gòu)機在地下進行掘進作業(yè)，同時在機內(nèi)安全地開展隧洞的開挖和襯砌工作。在施工前，需在隧洞某段的一端開挖豎井或基坑，將盾構(gòu)機吊運至其中并完成安裝。盾構(gòu)機從豎井或基坑的墻壁開孔處始發(fā)，沿著預(yù)先設(shè)計的洞線持續(xù)推進，直至抵達洞線中的另一豎井或隧洞的端點。盾構(gòu)機主要由盾殼、掘削刀盤、刀具、推進機構(gòu)、擋土機構(gòu)、攪拌機構(gòu)、排土機構(gòu)、管片拼裝機構(gòu)等部分組成。盾殼是盾構(gòu)機的外殼，對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時支撐的作用，能夠承受周圍土層的壓力，有時還能承受地下水壓，并將地下水阻擋在外面。掘削刀盤和刀具是盾構(gòu)機進行土體開挖的關(guān)鍵部件，刀盤在動力系統(tǒng)的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，帶動刀具切削前方的土體。推進機構(gòu)通常由多個推進油缸組成，其作用是為盾構(gòu)機的前進提供推力，盾構(gòu)掘進中所受到的地層阻力，通過盾構(gòu)掘進油缸傳至盾構(gòu)尾部已拼裝完畢的預(yù)制隧道襯砌結(jié)構(gòu)。擋土機構(gòu)用于在開挖過程中防止開挖面土體坍塌，確保施工安全。攪拌機構(gòu)對于土壓平衡盾構(gòu)機尤為重要，它能夠?qū)ν羵}內(nèi)的渣土進行攪拌，使渣土具有良好的塑性、流動性，避免“泥餅”的形成。排土機構(gòu)負(fù)責(zé)將開挖下來的土體排出盾構(gòu)機，土壓平衡盾構(gòu)機通過螺旋輸送機從承壓隔板的開孔處伸入土室進行排土，而泥水式盾構(gòu)機則是將開挖的土料在土室中與支護液混合形成泥漿，通過泥漿泵輸送到洞外。管片拼裝機構(gòu)用于將預(yù)制好的管片拼裝成隧道襯砌，形成永久性的隧道結(jié)構(gòu)。在施工過程中，盾構(gòu)機的工作過程主要包括以下幾個關(guān)鍵步驟：首先是穩(wěn)定開挖面，這是盾構(gòu)施工的重要環(huán)節(jié)，不同類型的盾構(gòu)機采用不同的方法來實現(xiàn)開挖面的穩(wěn)定。例如，土壓平衡盾構(gòu)機通過將土料（必要時添加泡沫等對土壤進行改良）作為穩(wěn)定開挖面的介質(zhì)，使刀盤后隔板與開挖面之間形成泥土室，通過調(diào)節(jié)刀盤旋轉(zhuǎn)開挖速度和螺旋輸出料器出土量來控制泥土室內(nèi)的土壓，使其與開挖面的水土壓力保持平衡，從而防止開挖面土體坍塌；泥水式盾構(gòu)機則是通過加壓泥水或泥漿（通常為膨潤土懸浮液）來穩(wěn)定開挖面，刀盤后面的密封隔板與開挖面之間形成泥水室，充滿泥漿，泥漿在開挖面上形成不透水的泥膜，通過泥膜的張力保持水壓力，以平衡作用于開挖面的土壓力和水壓力。其次是挖掘及排土，盾構(gòu)前端的刀盤旋轉(zhuǎn)切削開挖土體，切削下來的土體進入密封艙。對于土壓平衡盾構(gòu)機，土體進入土倉后，通過螺旋輸送機將土料運出；對于泥水式盾構(gòu)機，開挖土料與泥漿混合形成泥漿，由泥漿泵輸送到洞外分離廠，經(jīng)分離后泥漿可重復(fù)使用。在掘進過程中，盾構(gòu)機需要不斷調(diào)整推進方向，以確保按照設(shè)計軸線前進，這通過調(diào)整千斤頂編組、改變開挖面阻力等方式來實現(xiàn)，形成糾偏力偶，控制盾構(gòu)機軸線。最后是襯砌及壁后灌漿，隨著盾構(gòu)機的掘進，需要及時進行襯砌作業(yè)。在盾尾支護下，將預(yù)制好的管片依次拼裝成隧道襯砌，形成堅固的隧道結(jié)構(gòu)。同時，為了防止地面沉降，需要及時向盾尾后面的襯砌環(huán)外周的空隙中壓注漿體，填充空隙，使襯砌與周圍土體緊密結(jié)合。目前，常用的盾構(gòu)技術(shù)主要有土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)和泥水式盾構(gòu)技術(shù)。土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)適用于多種地層條件，如沖積粘土、洪積粘土砂質(zhì)土、砂、砂礫、卵石等地質(zhì)。它的優(yōu)點在于不需要復(fù)雜的泥水分離設(shè)備，占地面積相對較小，施工時的覆土層可相對較淺。在施工過程中，通過對土倉壓力的精確控制，能夠較好地保持開挖面的穩(wěn)定，減少對周圍土體的擾動。例如，在廣州地鐵二十一號線棠東站-黃村站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿東環(huán)高速高架橋工程中，就采用了土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)，通過合理調(diào)整土倉壓力、推進速度等施工參數(shù)，有效地控制了盾構(gòu)施工對既有高架橋的影響。泥水式盾構(gòu)技術(shù)則多用于含水率高的軟弱土質(zhì)中，是一種低沉降、較安全的施工機械，對穩(wěn)定的地層具有明顯的優(yōu)勢。其工作原理是利用循環(huán)懸浮液的體積對泥漿壓力進行調(diào)節(jié)和控制，采用膨潤土懸浮液作為支護材料，在開挖面上形成泥膜來平衡土壓力和水壓力。泥水式盾構(gòu)機的工作效率相對較高，但隨著土砂百分比的增加，會出現(xiàn)泥水分離難度增大的問題。在一些過江隧道、海底隧道等工程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，含水率高，泥水式盾構(gòu)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。例如，上海長江隧道采用了德國海瑞克公司的泥水平衡盾構(gòu)機，直徑達15.43m，成功穿越了長江，該工程充分發(fā)揮了泥水式盾構(gòu)技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的優(yōu)勢。2.3既有高架橋結(jié)構(gòu)與特點本研究中的既有高架橋為東環(huán)高速高架橋，其結(jié)構(gòu)形式為多跨連續(xù)梁橋，這種結(jié)構(gòu)形式在城市高架橋中較為常見，具有獨特的力學(xué)性能和工程特點。多跨連續(xù)梁橋是一種超靜定結(jié)構(gòu)，由多個梁段通過支座連接而成，形成連續(xù)的梁體。在豎向荷載作用下，梁體不僅承受彎矩，還會產(chǎn)生剪力和軸力。與簡支梁橋相比，連續(xù)梁橋的內(nèi)力分布更加均勻，能夠充分利用材料的力學(xué)性能，因此在相同的荷載條件下，連續(xù)梁橋的截面尺寸可以相對較小，從而節(jié)省材料用量，降低工程造價。同時，連續(xù)梁橋的整體性好，剛度較大，能夠有效地減少橋梁的變形和振動，提高行車的舒適性和安全性。在跨越較大跨度時，連續(xù)梁橋通常采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，通過施加預(yù)應(yīng)力，可以進一步提高梁體的承載能力和抗裂性能，延長橋梁的使用壽命。該高架橋的橋墩采用柱式墩，柱式墩是一種常見的橋墩形式，具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、外形美觀等優(yōu)點。柱式墩一般由墩柱和蓋梁組成，墩柱通常為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，承受上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向荷載和水平荷載，并將這些荷載傳遞給基礎(chǔ)。蓋梁則主要起連接墩柱和支承上部結(jié)構(gòu)的作用，同時也承受一定的彎矩和剪力。柱式墩的截面形狀可以根據(jù)工程需要設(shè)計為圓形、方形、矩形等，在本工程中，橋墩采用圓形截面柱式墩，這種截面形式在抵抗水平力和彎矩方面具有較好的性能，同時還能減少橋墩對水流和空氣的阻力。東環(huán)高速高架橋的基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，鉆孔灌注樁是一種常見的深基礎(chǔ)形式，適用于各種地質(zhì)條件，尤其是在軟土地層中具有較高的承載能力和穩(wěn)定性。鉆孔灌注樁的施工過程是先利用鉆孔設(shè)備在地基中鉆出一個圓形孔洞，然后將鋼筋籠放入孔內(nèi)，再灌注混凝土，形成樁基礎(chǔ)。在施工過程中，通過控制鉆孔的垂直度、孔徑、孔深以及混凝土的灌注質(zhì)量等參數(shù)，可以確保樁基礎(chǔ)的質(zhì)量和承載能力。鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的優(yōu)點在于其適應(yīng)性強，可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件和荷載要求調(diào)整樁的長度、直徑和間距等參數(shù)；同時，鉆孔灌注樁的施工對周圍環(huán)境的影響較小，施工速度相對較快，能夠滿足工程進度的要求。在受力特點方面，多跨連續(xù)梁橋在承受豎向荷載時，由于梁體的連續(xù)性，使得各跨之間的內(nèi)力相互影響。在中間支座處，梁體承受較大的負(fù)彎矩，而在跨中部位則承受較大的正彎矩。因此，在設(shè)計連續(xù)梁橋時，需要合理布置預(yù)應(yīng)力鋼筋，以平衡這些彎矩，提高梁體的承載能力。在水平荷載作用下，如風(fēng)力、地震力等，連續(xù)梁橋主要依靠橋墩和基礎(chǔ)來抵抗。橋墩作為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，其剛度和強度對橋梁的水平穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。鉆孔灌注樁基礎(chǔ)通過與周圍土體的相互作用，將水平荷載傳遞到深層土體中，從而保證橋梁在水平荷載作用下的穩(wěn)定性。東環(huán)高速高架橋的結(jié)構(gòu)形式、橋墩類型和基礎(chǔ)形式相互配合，共同承擔(dān)著橋梁的荷載，確保了橋梁的安全穩(wěn)定運行。但在盾構(gòu)隧道下穿施工過程中，這些結(jié)構(gòu)部分也將受到盾構(gòu)施工引起的土體變形和附加應(yīng)力的影響，可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形發(fā)生變化，進而影響橋梁的安全性。因此，深入研究盾構(gòu)隧道下穿對既有高架橋結(jié)構(gòu)的影響具有重要的現(xiàn)實意義。三、盾構(gòu)隧道下穿對高架橋的影響分析3.1地層變形分析3.1.1盾構(gòu)施工引起地層變形的原因盾構(gòu)施工是一個復(fù)雜的過程，在此過程中，會對周圍土體產(chǎn)生多種形式的擾動，進而導(dǎo)致地層變形。這些變形原因主要包括開挖面失穩(wěn)、盾體與土體摩擦、盾尾空隙等因素，它們相互交織，共同影響著地層的穩(wěn)定性和變形特性。開挖面失穩(wěn)是盾構(gòu)施工中導(dǎo)致地層變形的重要原因之一。在盾構(gòu)掘進過程中，開挖面需要承受來自周圍土體的水土壓力。當(dāng)盾構(gòu)機的掘進參數(shù)設(shè)置不合理，如土倉壓力設(shè)定值小于開挖面的水土壓力時，開挖面土體就會因缺乏足夠的支護而向隧道內(nèi)涌入，導(dǎo)致前方土體產(chǎn)生下沉變形。相反，若土倉壓力過大，超過了原始側(cè)壓力，開挖面前方土體則會受到擠壓而向上隆起。例如，在某地鐵盾構(gòu)施工項目中，由于對地層水土壓力的估算不準(zhǔn)確，土倉壓力設(shè)置偏低，在盾構(gòu)掘進過程中，開挖面出現(xiàn)局部坍塌，導(dǎo)致地面出現(xiàn)了明顯的沉降，周邊建筑物也受到了不同程度的影響。盾體與土體之間的摩擦也是引起地層變形的關(guān)鍵因素。盾構(gòu)機在土體中推進時，盾體表面與周圍土體緊密接觸，隨著盾構(gòu)機的移動，盾體與土體之間會產(chǎn)生摩擦力。這種摩擦力會對周圍土體產(chǎn)生剪切作用，使土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，進而導(dǎo)致土體產(chǎn)生位移和變形。特別是在軟土地層中，由于土體的強度較低，盾體與土體之間的摩擦力對地層變形的影響更為顯著。當(dāng)盾構(gòu)機在曲線段掘進或進行糾偏操作時，盾體與土體之間的摩擦力分布不均勻，會進一步加劇土體的變形。例如，在盾構(gòu)機曲線掘進過程中，外側(cè)土體受到的摩擦力較大，容易產(chǎn)生較大的位移，導(dǎo)致地面出現(xiàn)不均勻沉降。盾尾空隙的存在同樣會導(dǎo)致地層變形。當(dāng)盾構(gòu)機向前推進時，盾尾會脫離已完成襯砌的管片，在盾尾與管片之間形成一個環(huán)形空隙。如果不能及時對這個空隙進行填充，周圍土體就會在自重和附加應(yīng)力的作用下向空隙內(nèi)移動，從而引起地層損失和地面沉降。此外，在盾構(gòu)機曲線掘進或糾偏過程中，實際開挖斷面并非標(biāo)準(zhǔn)圓形，而是橢圓形，這也會導(dǎo)致盾尾空隙增大，進一步加劇地層變形。在實際工程中，若注漿不及時或注漿量不足，就會導(dǎo)致盾尾空隙無法得到有效填充，地面沉降量明顯增大。除上述主要原因外，盾構(gòu)施工過程中的其他因素也會對地層變形產(chǎn)生影響。例如，盾構(gòu)機的推進速度過快，會使土體來不及調(diào)整應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致土體變形加??；注漿壓力不當(dāng)，過高的注漿壓力會對周圍土體產(chǎn)生過大的擠壓，引起土體隆起，而過低的注漿壓力則無法保證注漿效果，導(dǎo)致地面沉降。盾構(gòu)施工過程中引起地層變形的原因是多方面的，這些因素相互影響，共同作用，使得地層變形的機理變得極為復(fù)雜。在盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的工程中，深入研究這些原因，對于準(zhǔn)確預(yù)測和有效控制地層變形，保障高架橋的安全具有重要意義。3.1.2地層變形對高架橋基礎(chǔ)的影響地層變形對高架橋基礎(chǔ)的影響是多方面的，主要體現(xiàn)在導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降、傾斜以及水平位移等，這些影響會顯著改變高架橋基礎(chǔ)的受力狀態(tài)，進而威脅到高架橋的整體結(jié)構(gòu)安全。地層沉降是盾構(gòu)施工引發(fā)的常見地層變形現(xiàn)象，它對高架橋基礎(chǔ)有著重要影響。當(dāng)?shù)貙影l(fā)生沉降時，高架橋基礎(chǔ)會隨著周圍土體一同下沉。若沉降量較小且分布均勻，高架橋基礎(chǔ)所受影響相對較小，通過結(jié)構(gòu)自身的調(diào)整，仍能維持一定的穩(wěn)定性。然而，一旦沉降量過大或出現(xiàn)不均勻沉降，情況就會變得嚴(yán)峻。不均勻沉降會使高架橋基礎(chǔ)各部分的沉降量存在差異，導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生附加應(yīng)力。這種附加應(yīng)力可能會超過基礎(chǔ)的承載能力，致使基礎(chǔ)出現(xiàn)裂縫、斷裂等損壞情況。例如，在某工程實例中，由于盾構(gòu)施工過程中地層沉降控制不當(dāng)，高架橋基礎(chǔ)出現(xiàn)了不均勻沉降，最大沉降差達到了[X]mm，超出了允許范圍。這使得基礎(chǔ)受到較大的附加彎矩作用，基礎(chǔ)底部出現(xiàn)了多條裂縫，嚴(yán)重影響了高架橋的結(jié)構(gòu)安全。此外，不均勻沉降還可能導(dǎo)致橋墩傾斜，進一步加劇高架橋結(jié)構(gòu)的受力不均，增加結(jié)構(gòu)的安全隱患。地層隆起同樣會對高架橋基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響。當(dāng)盾構(gòu)施工引起地層隆起時，基礎(chǔ)底部土體的反力會發(fā)生變化，導(dǎo)致基礎(chǔ)受到向上的頂托力。如果頂托力過大，會使基礎(chǔ)與土體之間的接觸狀態(tài)發(fā)生改變，影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。在一些情況下，地層隆起可能會導(dǎo)致基礎(chǔ)局部脫離土體，使基礎(chǔ)的受力變得不均勻，進而引發(fā)基礎(chǔ)的變形和損壞。在某地鐵盾構(gòu)下穿既有高架橋工程中，由于盾構(gòu)機土倉壓力設(shè)置過高，導(dǎo)致地層出現(xiàn)隆起，高架橋基礎(chǔ)受到向上的頂托力作用。經(jīng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)與土體之間出現(xiàn)了一定的縫隙，基礎(chǔ)的位移和內(nèi)力也發(fā)生了明顯變化，對高架橋的正常使用造成了威脅。地層的水平位移也是盾構(gòu)施工中不可忽視的問題，它會對高架橋基礎(chǔ)產(chǎn)生水平方向的作用力。這種水平作用力會使基礎(chǔ)產(chǎn)生水平位移和附加彎矩。基礎(chǔ)的水平位移可能會導(dǎo)致橋墩的傾斜，影響高架橋的垂直度和穩(wěn)定性。而附加彎矩的產(chǎn)生則會使基礎(chǔ)的受力更加復(fù)雜，增加基礎(chǔ)損壞的風(fēng)險。例如，在盾構(gòu)施工過程中，由于土體的水平位移，高架橋基礎(chǔ)受到水平推力的作用，導(dǎo)致基礎(chǔ)發(fā)生了一定程度的水平位移。隨著水平位移的增加，橋墩出現(xiàn)了傾斜，傾斜角度逐漸增大。這不僅影響了高架橋的外觀，更重要的是，使橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)發(fā)生了改變，降低了結(jié)構(gòu)的承載能力。綜上所述，地層變形對高架橋基礎(chǔ)的影響是復(fù)雜而嚴(yán)重的，沉降、隆起和水平位移等變形形式會相互作用，共同影響高架橋基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和高架橋的結(jié)構(gòu)安全。在盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的工程中，必須充分認(rèn)識到這些影響，采取有效的措施來控制地層變形，確保高架橋基礎(chǔ)的安全，從而保障高架橋的正常使用。3.2高架橋結(jié)構(gòu)受力變化分析3.2.1盾構(gòu)施工對高架橋樁基的影響盾構(gòu)施工對高架橋樁基的影響是多方面且復(fù)雜的，通過實際案例分析和數(shù)值模擬研究，能夠更深入地了解其影響機制和規(guī)律。以南京緯七路工程為例，該工程在盾構(gòu)施工過程中，對近鄰高架橋樁基的豎向位移、水平位移和軸力進行了詳細監(jiān)測和分析。在單側(cè)盾構(gòu)推進時，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，樁基的豎向位移和水平位移隨著盾構(gòu)機的靠近逐漸增大，當(dāng)盾構(gòu)機距離樁基較近時，位移增長速度加快。在盾構(gòu)機通過樁基后，位移逐漸趨于穩(wěn)定，但仍會有一定的殘余位移。樁基軸力也發(fā)生了明顯變化，在盾構(gòu)施工過程中，軸力出現(xiàn)了增量，這是由于盾構(gòu)施工引起的土體變形對樁基產(chǎn)生了附加荷載。同樣，在雙側(cè)盾構(gòu)平行推進情況下，對樁基的影響更為復(fù)雜。由于兩側(cè)盾構(gòu)機的相互作用，土體的變形和應(yīng)力分布更加不均勻，導(dǎo)致樁基的位移和軸力變化也更為復(fù)雜。在某些情況下，雙側(cè)盾構(gòu)推進可能會使樁基的位移和軸力出現(xiàn)疊加效應(yīng)，從而增大樁基的受力風(fēng)險。數(shù)值模擬是研究盾構(gòu)施工對高架橋樁基影響的重要手段之一。運用MidasGTSNX軟件建立三維數(shù)值模型，可以動態(tài)模擬盾構(gòu)施工過程，直觀地觀察樁基在盾構(gòu)施工影響下的力學(xué)響應(yīng)。在模型中，考慮土體的本構(gòu)模型、盾構(gòu)機的施工工藝以及樁土相互作用等因素，能夠更準(zhǔn)確地分析樁基的受力變化。通過數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)施工對樁基的影響范圍大致為盾構(gòu)開挖面距樁體一定距離以內(nèi)，橫向影響范圍大致在盾構(gòu)中心線距樁體一定距離以內(nèi)，具體影響范圍與盾構(gòu)直徑、地層條件等因素有關(guān)。在樁基的水平位移方面，沿樁身向上由于盾構(gòu)施工引起的樁身水平位移逐漸減小，在樁頂處有水平位移最小值，即水平位移沿樁身深度呈樁頂最小、盾構(gòu)施工對應(yīng)最近位置處最大、樁端次之的分布規(guī)律。這是因為樁頂受到橋墩的約束作用，水平位移相對較小；而樁身中部和下部受到盾構(gòu)施工引起的土體水平推力作用，產(chǎn)生較大的水平位移。在樁基的軸力變化方面，盾構(gòu)施工會使樁基軸力產(chǎn)生增量，增量的大小與盾構(gòu)施工參數(shù)、樁土相互作用等因素密切相關(guān)。從控制沉降和軸力的角度看，樁基是否嵌巖對其受力性能有重要影響。研究表明，嵌巖樁能夠更好地抵抗盾構(gòu)施工引起的沉降和軸力變化。這是因為嵌巖樁的樁端嵌入基巖，能夠提供更強的端承力，減少樁基的沉降量。同時，嵌巖樁與基巖之間的緊密結(jié)合，也能有效地傳遞和分散荷載，降低樁基軸力的變化幅度。在南京緯七路工程中，對比嵌巖樁和非嵌巖樁在盾構(gòu)施工過程中的受力情況，發(fā)現(xiàn)嵌巖樁的沉降量和軸力增量明顯小于非嵌巖樁。隧道與樁基凈距也是影響樁基受力的關(guān)鍵因素。隨著隧道與樁基凈距的增大，樁基沉降變化量、水平位移總量以及變化量、軸力增量都會顯著減小。這是因為凈距增大，盾構(gòu)施工引起的土體變形對樁基的影響逐漸減弱。在實際工程中，應(yīng)盡量增大隧道與樁基的凈距，以減小盾構(gòu)施工對樁基的不利影響。當(dāng)凈距無法滿足要求時，需要采取相應(yīng)的加固措施，如對樁基進行加固、對土體進行改良等。樁長和樁徑對樁基在盾構(gòu)施工影響下的力學(xué)性能也有一定影響。對于超長樁基，增加樁長對水平位移的減小效果并不明顯。這是因為超長樁基的樁身剛度較大，在水平荷載作用下，樁身的變形主要集中在樁頂和樁身中上部，增加樁長對這部分變形的影響較小。因此，不應(yīng)通過增加樁長來減小樁基水平位移。而增加樁徑能明顯減小樁基水平位移，這是因為樁徑增大，樁基的側(cè)摩阻力和端阻力相應(yīng)提高，從而增強了樁基抵抗水平荷載的能力。當(dāng)以水平位移和軸力作為控制指標(biāo)時，增加樁徑不失為一種有效的方法。在某工程中，通過數(shù)值模擬對比不同樁徑的樁基在盾構(gòu)施工過程中的水平位移和軸力變化，發(fā)現(xiàn)樁徑較大的樁基水平位移明顯較小，軸力增量也相對較小。盾構(gòu)施工對高架橋樁基的影響是一個復(fù)雜的過程，涉及到多個因素的相互作用。通過實際案例分析和數(shù)值模擬研究，可以深入了解這些因素對樁基受力的影響規(guī)律，為工程設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)，從而采取有效的措施來減小盾構(gòu)施工對高架橋樁基的不利影響，確保高架橋的結(jié)構(gòu)安全。3.2.2對高架橋上部結(jié)構(gòu)的影響地層變形和樁基受力變化會通過一系列復(fù)雜的力學(xué)傳遞機制，對高架橋上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致梁體變形、內(nèi)力變化以及裂縫產(chǎn)生等問題，嚴(yán)重威脅高架橋的結(jié)構(gòu)安全和正常使用。當(dāng)?shù)貙影l(fā)生變形時，樁基會隨之產(chǎn)生位移和變形。由于樁基與橋墩是緊密相連的，樁基的位移和變形會直接傳遞給橋墩，使橋墩承受額外的荷載和變形。在盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的過程中，若地層出現(xiàn)不均勻沉降，會導(dǎo)致樁基的沉降量不一致，從而使橋墩產(chǎn)生傾斜。這種傾斜會改變橋墩的受力狀態(tài)，使橋墩承受偏心荷載，進而在橋墩內(nèi)部產(chǎn)生附加彎矩和剪力。當(dāng)附加彎矩和剪力超過橋墩的承載能力時，橋墩就可能出現(xiàn)裂縫甚至破壞。在某工程中，由于盾構(gòu)施工引起地層不均勻沉降，導(dǎo)致高架橋橋墩出現(xiàn)了明顯的傾斜，最大傾斜角度達到了[X]度。經(jīng)檢測，橋墩內(nèi)部出現(xiàn)了多條裂縫，裂縫寬度和深度均超過了允許范圍，嚴(yán)重影響了橋墩的結(jié)構(gòu)安全。橋墩的變形和受力變化又會進一步傳遞到高架橋的梁體上。橋墩的傾斜會使梁體的支承條件發(fā)生改變，梁體不再處于理想的均勻支承狀態(tài)，而是承受不均勻的支承力。這種不均勻的支承力會導(dǎo)致梁體產(chǎn)生額外的彎矩和剪力，使梁體的內(nèi)力分布發(fā)生變化。在多跨連續(xù)梁橋中，由于各跨之間相互影響，一跨梁體的內(nèi)力變化可能會波及到相鄰的梁跨，導(dǎo)致整個橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布。當(dāng)梁體的內(nèi)力超過其設(shè)計承載能力時，梁體就會發(fā)生變形，出現(xiàn)下?lián)?、上拱等現(xiàn)象。在某地鐵盾構(gòu)下穿既有高架橋工程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，盾構(gòu)施工后，高架橋梁體的跨中彎矩明顯增大，梁體出現(xiàn)了下?lián)献冃?，最大下?lián)狭窟_到了[X]mm。梁體的變形不僅影響了橋梁的外觀，還會降低橋梁的結(jié)構(gòu)剛度和承載能力，影響行車的舒適性和安全性。除了變形和內(nèi)力變化，盾構(gòu)施工還可能導(dǎo)致高架橋梁體出現(xiàn)裂縫。由于梁體在盾構(gòu)施工過程中承受了額外的荷載和變形，當(dāng)這些荷載和變形超過梁體材料的抗拉強度時，梁體就會出現(xiàn)裂縫。裂縫的產(chǎn)生會削弱梁體的截面強度，降低梁體的耐久性，加速梁體的損壞。在一些工程中，盾構(gòu)施工后，在高架橋梁體的底面和側(cè)面發(fā)現(xiàn)了大量裂縫，裂縫寬度和長度不斷發(fā)展。這些裂縫不僅影響了梁體的結(jié)構(gòu)性能，還可能導(dǎo)致鋼筋銹蝕，進一步降低梁體的承載能力。為了減少盾構(gòu)施工對高架橋上部結(jié)構(gòu)的影響，在工程實踐中通常會采取一系列措施。在施工前，會對高架橋進行詳細的檢測和評估，了解橋梁的現(xiàn)狀和結(jié)構(gòu)性能。根據(jù)檢測結(jié)果，制定合理的施工方案和保護措施，如調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)、對高架橋進行加固等。在施工過程中，會加強對高架橋的監(jiān)測，實時掌握橋梁的變形和受力情況。一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時調(diào)整施工參數(shù)或采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，確保高架橋的安全。在某工程中，通過在盾構(gòu)施工前對高架橋進行加固，采用預(yù)應(yīng)力錨索對橋墩進行加固，增加橋墩的抗變形能力；在施工過程中，實時監(jiān)測高架橋的變形和內(nèi)力變化，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整盾構(gòu)機的掘進參數(shù)，有效地控制了盾構(gòu)施工對高架橋上部結(jié)構(gòu)的影響，確保了高架橋的安全。3.3影響因素分析3.3.1盾構(gòu)施工參數(shù)的影響盾構(gòu)施工參數(shù)對高架橋的影響是多方面且復(fù)雜的，其中盾構(gòu)正面土壓力、推進速度、出土量和注漿量等參數(shù)起著關(guān)鍵作用，它們的合理控制直接關(guān)系到高架橋的安全與穩(wěn)定。盾構(gòu)正面土壓力的設(shè)定對高架橋的影響顯著。在盾構(gòu)掘進過程中，土壓力若設(shè)置過低，開挖面土體將無法得到有效支撐，導(dǎo)致土體向盾構(gòu)隧道內(nèi)涌入，引發(fā)前方土體下沉變形。這種下沉變形會進一步傳遞至高架橋基礎(chǔ)，使高架橋產(chǎn)生沉降和不均勻沉降。例如，在某工程中，由于盾構(gòu)正面土壓力設(shè)定比理論值低了[X]kPa，在盾構(gòu)掘進過程中，高架橋基礎(chǔ)出現(xiàn)了明顯的沉降，最大沉降量達到了[X]mm，部分橋墩出現(xiàn)了不均勻沉降，相鄰橋墩的沉降差達到了[X]mm，嚴(yán)重影響了高架橋的結(jié)構(gòu)安全。相反，若土壓力設(shè)置過高，超過了原始側(cè)壓力，開挖面前方土體將受到擠壓而向上隆起。土體隆起會對高架橋基礎(chǔ)產(chǎn)生向上的頂托力，改變基礎(chǔ)的受力狀態(tài)，導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形。在另一個工程實例中，盾構(gòu)正面土壓力過高，使得高架橋基礎(chǔ)受到較大的向上頂托力，基礎(chǔ)出現(xiàn)了裂縫，裂縫寬度達到了[X]mm，對高架橋的穩(wěn)定性造成了威脅。因此，合理設(shè)定盾構(gòu)正面土壓力，使其與開挖面的水土壓力保持平衡，是減少盾構(gòu)施工對高架橋影響的關(guān)鍵。推進速度是影響盾構(gòu)施工對高架橋影響的重要參數(shù)之一。當(dāng)推進速度過快時，盾構(gòu)機對土體的擾動加劇，土體來不及調(diào)整應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致土體變形增大。這種增大的土體變形會傳遞到高架橋，使高架橋的沉降和位移增加。在某地鐵盾構(gòu)施工項目中，盾構(gòu)機推進速度過快，達到了正常速度的[X]倍，導(dǎo)致高架橋的沉降量在短時間內(nèi)急劇增加，超出了允許范圍，對高架橋的結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。此外，推進速度過快還可能導(dǎo)致盾構(gòu)機姿態(tài)難以控制，增加盾構(gòu)機與周圍土體的摩擦力，進一步加劇土體變形。而推進速度過慢，則會延長施工時間，增加施工成本，同時也可能導(dǎo)致盾構(gòu)機前方土體長時間處于不穩(wěn)定狀態(tài)，增加土體坍塌的風(fēng)險。在某工程中，由于盾構(gòu)機推進速度過慢，施工時間延長了[X]天，不僅增加了施工成本，還導(dǎo)致盾構(gòu)機前方土體出現(xiàn)了局部坍塌，對高架橋的安全產(chǎn)生了不利影響。因此，在盾構(gòu)施工過程中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、盾構(gòu)機性能和高架橋的實際情況，合理選擇推進速度，以減少對高架橋的影響。出土量的控制同樣至關(guān)重要。如果出土量過大，會導(dǎo)致盾構(gòu)隧道周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，土體向隧道內(nèi)移動，引起地層損失和地面沉降。地層沉降會使高架橋基礎(chǔ)下沉，進而導(dǎo)致高架橋產(chǎn)生沉降和不均勻沉降。在某工程中，出土量超出設(shè)計值的[X]%，高架橋基礎(chǔ)出現(xiàn)了明顯的沉降，不均勻沉降也較為嚴(yán)重，對高架橋的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生了較大影響。相反，如果出土量過小，盾構(gòu)機前方土體將受到擠壓，導(dǎo)致土壓力增大，引起土體隆起和盾構(gòu)機推進困難。在某工程中，出土量過小，使得盾構(gòu)機前方土壓力增大，盾構(gòu)機推進受阻，不得不采取額外的措施來調(diào)整土壓力，這不僅影響了施工進度，還對高架橋的安全產(chǎn)生了潛在威脅。因此，準(zhǔn)確控制出土量，使其與盾構(gòu)機的掘進速度和地質(zhì)條件相匹配，是保證高架橋安全的重要措施。注漿量是影響盾構(gòu)施工對高架橋影響的關(guān)鍵因素之一。在盾構(gòu)施工過程中，盾尾會脫離已完成襯砌的管片，形成環(huán)形空隙。如果注漿量不足，無法及時填充這個空隙，周圍土體就會在自重和附加應(yīng)力的作用下向空隙內(nèi)移動，導(dǎo)致地層損失和地面沉降。地層沉降會對高架橋基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響，使高架橋產(chǎn)生沉降和不均勻沉降。在某工程中，由于注漿量不足，高架橋基礎(chǔ)出現(xiàn)了較大的沉降，不均勻沉降也較為明顯，對高架橋的結(jié)構(gòu)安全造成了嚴(yán)重威脅。而如果注漿量過大，可能會對周圍土體產(chǎn)生過大的擠壓，引起土體隆起和高架橋基礎(chǔ)的附加應(yīng)力增加。在某工程中，注漿量過大，導(dǎo)致土體隆起，高架橋基礎(chǔ)受到較大的附加應(yīng)力，基礎(chǔ)出現(xiàn)了裂縫，對高架橋的穩(wěn)定性產(chǎn)生了負(fù)面影響。因此，合理確定注漿量，確保能夠有效填充盾尾空隙，同時又不會對周圍土體產(chǎn)生過大的擠壓，是減少盾構(gòu)施工對高架橋影響的重要措施。盾構(gòu)施工參數(shù)對高架橋的影響是復(fù)雜的，各參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響。在盾構(gòu)施工過程中，應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件、高架橋結(jié)構(gòu)特點等因素，合理控制盾構(gòu)正面土壓力、推進速度、出土量和注漿量等施工參數(shù)，以減少對高架橋的不利影響，確保高架橋的安全穩(wěn)定。3.3.2地層條件的影響地層條件在盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程中扮演著至關(guān)重要的角色，不同的土體性質(zhì)和地下水狀況會顯著影響盾構(gòu)施工過程以及高架橋的安全與穩(wěn)定。土體性質(zhì)是影響盾構(gòu)施工和高架橋安全的關(guān)鍵因素之一。在軟土地層中，由于土體具有含水量高、壓縮性大、強度低等特點，盾構(gòu)施工時容易引起較大的地層變形。軟土的高含水量使得土體處于飽和狀態(tài)，在盾構(gòu)施工的擾動下，土體中的孔隙水壓力難以迅速消散，導(dǎo)致土體的有效應(yīng)力降低，從而使土體更容易發(fā)生變形。其大壓縮性意味著在盾構(gòu)施工產(chǎn)生的附加應(yīng)力作用下，土體容易被壓縮，進一步加劇地層沉降。例如，在上海某地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程中，該區(qū)域主要為軟土地層，盾構(gòu)施工過程中，高架橋基礎(chǔ)出現(xiàn)了較大的沉降，最大沉降量達到了[X]mm。經(jīng)分析，這主要是由于軟土地層的特性導(dǎo)致盾構(gòu)施工引起的地層變形較大，進而傳遞到高架橋基礎(chǔ)，使高架橋產(chǎn)生了明顯的沉降。在砂土地層中，盾構(gòu)施工時易出現(xiàn)土體流失和涌水現(xiàn)象，這會對高架橋基礎(chǔ)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。砂土顆粒之間的黏聚力較小，在盾構(gòu)施工的擾動下，砂土顆粒容易發(fā)生移動和流失。當(dāng)盾構(gòu)隧道開挖時，如果支護措施不當(dāng)，砂土可能會涌入隧道，導(dǎo)致周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，引起地層沉降。同時，砂土地層的透水性較強，地下水容易在盾構(gòu)施工過程中涌入隧道，形成涌水現(xiàn)象。涌水不僅會影響盾構(gòu)施工的正常進行，還會進一步加劇土體的流失，使高架橋基礎(chǔ)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。在某工程中，盾構(gòu)穿越砂土地層時，由于土體流失和涌水現(xiàn)象嚴(yán)重，高架橋基礎(chǔ)出現(xiàn)了明顯的位移和傾斜，嚴(yán)重威脅到高架橋的結(jié)構(gòu)安全。硬巖地層雖然強度較高，但盾構(gòu)施工難度較大，刀具磨損嚴(yán)重，且施工過程中產(chǎn)生的振動和噪聲對高架橋也會產(chǎn)生一定影響。在硬巖地層中，盾構(gòu)機需要克服較大的巖石阻力進行掘進，這會導(dǎo)致刀具磨損加劇，施工效率降低。同時，盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生的振動和噪聲會通過地層傳遞到高架橋，對高架橋的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的擾動。在某工程中，盾構(gòu)穿越硬巖地層時，刀具磨損嚴(yán)重，更換刀具的頻率增加，導(dǎo)致施工進度緩慢。而且，施工過程中產(chǎn)生的振動使高架橋的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了微小的裂縫，雖然裂縫寬度較小，但也對高架橋的耐久性產(chǎn)生了一定的影響。地下水狀況同樣對盾構(gòu)施工和高架橋有著重要影響。地下水位較高時，盾構(gòu)施工過程中易出現(xiàn)涌水、涌砂等問題，增加了施工難度和風(fēng)險。高地下水位使得土體處于飽水狀態(tài)，盾構(gòu)施工時，地下水會在壓力作用下涌入隧道，形成涌水現(xiàn)象。涌水可能會攜帶砂土一起進入隧道，導(dǎo)致土體流失，進而引起地層沉降和高架橋基礎(chǔ)的不穩(wěn)定。在某工程中，由于地下水位較高，盾構(gòu)施工時發(fā)生了嚴(yán)重的涌水涌砂現(xiàn)象，導(dǎo)致隧道周圍土體大量流失，高架橋基礎(chǔ)出現(xiàn)了較大的沉降和位移，嚴(yán)重影響了高架橋的安全。此外，地下水的存在還會改變土體的物理力學(xué)性質(zhì)，使土體的強度降低，壓縮性增大。地下水會軟化土體，降低土體顆粒之間的摩擦力和黏聚力，從而使土體的強度降低。同時，地下水的存在會增加土體的含水量，使土體的壓縮性增大，在盾構(gòu)施工的附加應(yīng)力作用下，土體更容易發(fā)生變形。在某工程中，由于地下水對土體的軟化作用，盾構(gòu)施工引起的地層變形明顯增大，高架橋基礎(chǔ)的沉降和位移也相應(yīng)增加。相反，地下水位過低時，可能會導(dǎo)致土體失水固結(jié)，引起地面沉降，對高架橋也會產(chǎn)生不利影響。當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r，土體中的孔隙水被排出，土體顆粒之間的有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致土體發(fā)生固結(jié)變形。土體的固結(jié)變形會引起地面沉降，進而影響高架橋的基礎(chǔ)。在某工程中，由于地下水位下降，土體失水固結(jié)，地面出現(xiàn)了明顯的沉降，高架橋基礎(chǔ)也受到了影響，出現(xiàn)了不均勻沉降，對高架橋的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生了威脅。地層條件對盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程的影響是多方面的，土體性質(zhì)和地下水狀況會通過不同的方式影響盾構(gòu)施工和高架橋的安全。在工程實踐中，必須充分考慮地層條件的影響，采取相應(yīng)的措施來應(yīng)對不同地層條件下的施工難題，確保盾構(gòu)施工的順利進行和高架橋的結(jié)構(gòu)安全。3.3.3高架橋結(jié)構(gòu)特征的影響高架橋的結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)類型和樁長等結(jié)構(gòu)特征對盾構(gòu)施工影響的敏感性不同，深入研究這些因素對于保障盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程的安全具有重要意義。高架橋的結(jié)構(gòu)形式在盾構(gòu)施工過程中起著關(guān)鍵作用。連續(xù)梁橋由于其超靜定結(jié)構(gòu)的特性，在承受荷載時，各跨之間的內(nèi)力相互影響。當(dāng)盾構(gòu)隧道下穿連續(xù)梁橋時，盾構(gòu)施工引起的地層變形會導(dǎo)致橋墩的位移和變形，這種位移和變形會通過橋墩傳遞到梁體，使梁體的內(nèi)力分布發(fā)生變化。在多跨連續(xù)梁橋中，一跨梁體的內(nèi)力變化可能會波及到相鄰的梁跨，導(dǎo)致整個橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布。在某工程中，盾構(gòu)隧道下穿一座三跨連續(xù)梁橋，施工過程中，由于地層沉降，中間橋墩發(fā)生了傾斜，使得該橋墩上的梁體承受了較大的附加彎矩，相鄰梁跨的內(nèi)力也發(fā)生了明顯變化。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，中間梁跨的跨中彎矩增大了[X]%，相鄰梁跨的支點彎矩也有不同程度的增加。這種內(nèi)力重分布可能會導(dǎo)致梁體出現(xiàn)裂縫、下?lián)系葐栴}，嚴(yán)重影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全。簡支梁橋的結(jié)構(gòu)相對簡單，各跨之間相互獨立，在盾構(gòu)施工影響下，主要是本跨梁體和橋墩受到影響。然而，這并不意味著簡支梁橋在盾構(gòu)施工過程中就不會出現(xiàn)問題。由于簡支梁橋的橋墩主要承受豎向荷載，在盾構(gòu)施工引起的地層水平位移作用下，橋墩可能會產(chǎn)生水平位移和傾斜，進而影響梁體的支承條件。在某工程中，盾構(gòu)隧道下穿簡支梁橋時，由于地層水平位移，橋墩出現(xiàn)了水平位移，導(dǎo)致梁體的一端支承出現(xiàn)松動，梁體產(chǎn)生了較大的變形。高架橋的基礎(chǔ)類型對盾構(gòu)施工的敏感性也有所不同。鉆孔灌注樁基礎(chǔ)由于其樁身與周圍土體緊密結(jié)合，能夠較好地承受豎向荷載和水平荷載。在盾構(gòu)施工過程中，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)對地層變形具有一定的抵抗能力。當(dāng)盾構(gòu)施工引起地層沉降時，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)可以通過樁側(cè)摩阻力和樁端阻力將荷載傳遞到深層土體中，從而減少基礎(chǔ)的沉降量。在某工程中，盾構(gòu)隧道下穿高架橋時，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的橋墩沉降量相對較小，最大沉降量僅為[X]mm。然而，當(dāng)盾構(gòu)施工引起的地層變形過大時，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)也可能會受到影響。地層的水平位移可能會使樁身承受較大的水平力，導(dǎo)致樁身出現(xiàn)裂縫甚至斷裂。在某工程中，由于盾構(gòu)施工引起的地層水平位移較大，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的樁身出現(xiàn)了多條裂縫，裂縫寬度最大達到了[X]mm。預(yù)制樁基礎(chǔ)的施工工藝和受力特點與鉆孔灌注樁基礎(chǔ)有所不同。預(yù)制樁通常是在工廠預(yù)制后，通過錘擊或靜壓等方式打入地基中。這種基礎(chǔ)形式的樁身強度較高，但與周圍土體的結(jié)合相對較弱。在盾構(gòu)施工過程中，預(yù)制樁基礎(chǔ)對地層變形的抵抗能力相對較弱。當(dāng)盾構(gòu)施工引起地層沉降時，預(yù)制樁基礎(chǔ)可能會出現(xiàn)較大的沉降量。在某工程中，盾構(gòu)隧道下穿采用預(yù)制樁基礎(chǔ)的高架橋時，橋墩的沉降量明顯大于采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的橋墩，最大沉降量達到了[X]mm。樁長也是影響高架橋在盾構(gòu)施工影響下力學(xué)性能的重要因素。較長的樁能夠?qū)⒑奢d傳遞到更深層的土體中，從而提高基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性。在盾構(gòu)施工過程中，長樁基礎(chǔ)對地層變形的敏感性相對較低。當(dāng)盾構(gòu)施工引起地層沉降時，長樁基礎(chǔ)可以通過樁身的摩擦力和端阻力將荷載分散到深層土體中，減少基礎(chǔ)的沉降量。在某工程中，盾構(gòu)隧道下穿采用長樁基礎(chǔ)的高架橋時，橋墩的沉降量較小，對高架橋的結(jié)構(gòu)安全影響較小。相反，較短的樁在盾構(gòu)施工影響下更容易受到影響。短樁基礎(chǔ)的承載能力相對較低，當(dāng)盾構(gòu)施工引起地層變形時，短樁基礎(chǔ)可能無法有效地將荷載傳遞到深層土體中，導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降量增大。在某工程中，盾構(gòu)隧道下穿采用短樁基礎(chǔ)的高架橋時，橋墩的沉降量較大，部分橋墩出現(xiàn)了不均勻沉降，對高架橋的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生了較大威脅。高架橋的結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)類型和樁長等結(jié)構(gòu)特征對盾構(gòu)施工影響的敏感性存在差異。在盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程中，應(yīng)充分考慮這些因素，根據(jù)高架橋的具體結(jié)構(gòu)特征，制定合理的施工方案和保護措施，以減少盾構(gòu)施工對高架橋的不利影響，確保高架橋的結(jié)構(gòu)安全。四、盾構(gòu)隧道下穿高架橋的技術(shù)措施4.1盾構(gòu)施工參數(shù)優(yōu)化4.1.1土壓力控制土壓力控制是盾構(gòu)施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其核心在于設(shè)定合理的土壓力值，以平衡開挖面土體壓力，減少地層擾動，進而降低對既有高架橋的影響。土壓力的設(shè)定需綜合考慮多種因素，包括地質(zhì)條件、覆土厚度、地下水位等。從理論計算角度來看，土壓力存在上限值P_{max}和下限值P_{min}。上限值P_{max}等于地下水壓力、靜止土壓力與預(yù)備壓力（約取10-20kN/m2）之和；下限值P_{min}為地下水壓力與主動土壓力或松動土壓力以及預(yù)備壓力（約取10-20kN/m2）之和。在實際工程中，由于盾構(gòu)機工況復(fù)雜，地質(zhì)條件多變，合理的土壓力值并非固定不變，而是處于一個動態(tài)調(diào)整的范圍。例如，在某地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程中，該區(qū)域主要地層為砂質(zhì)粉土，覆土厚度約為15m，地下水位較淺。根據(jù)理論計算，初始設(shè)定土倉壓力為200-250kPa。然而，在盾構(gòu)掘進過程中，通過對地層變形和土倉壓力的實時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)盾構(gòu)機穿越一段富含水的砂層時，實際土壓力需要適當(dāng)提高，以防止開挖面土體失穩(wěn)和涌水現(xiàn)象的發(fā)生。于是，將土倉壓力臨時調(diào)整至280-300kPa，成功確保了盾構(gòu)施工的安全和開挖面的穩(wěn)定。除了理論計算，工程經(jīng)驗也是設(shè)定土壓力的重要依據(jù)。對于類似地質(zhì)條件和工程環(huán)境的盾構(gòu)施工項目，可以參考以往的成功案例來初步確定土壓力范圍。在某城市地鐵建設(shè)中，多條線路的盾構(gòu)隧道在穿越相似地層和臨近既有建筑物時，通過不斷總結(jié)和分析施工數(shù)據(jù)，得出在該地區(qū)類似條件下土倉壓力一般控制在180-220kPa較為合適。在新的盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程中，可先參考這一經(jīng)驗范圍設(shè)定土壓力，再結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行微調(diào)。實時監(jiān)測與反饋調(diào)整是確保土壓力合理的重要手段。在盾構(gòu)施工過程中，利用高精度的土壓力傳感器實時監(jiān)測土倉壓力和開挖面前方土體壓力。通過自動化控制系統(tǒng)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時反饋至盾構(gòu)機操作室。當(dāng)監(jiān)測到土倉壓力偏離設(shè)定范圍時，系統(tǒng)會自動發(fā)出警報，提示操作人員及時調(diào)整。調(diào)整方法主要包括改變螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速和盾構(gòu)千斤頂?shù)耐七M速度。當(dāng)土倉壓力過高時，可適當(dāng)提高螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速，增加排土量，降低土倉壓力；當(dāng)土倉壓力過低時，則可降低螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速，減少排土量，同時適當(dāng)加快盾構(gòu)千斤頂?shù)耐七M速度，使更多土體進入土倉，提高土倉壓力。在某工程中，通過實時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)土倉壓力突然下降，操作人員立即降低螺旋輸送機轉(zhuǎn)速，并加快推進速度，使土倉壓力迅速恢復(fù)到正常范圍，有效避免了因土壓力不足導(dǎo)致的開挖面坍塌風(fēng)險。4.1.2推進速度與出土量控制推進速度與出土量的合理控制對于保持盾構(gòu)施工的穩(wěn)定性以及減少對既有高架橋的影響至關(guān)重要。在盾構(gòu)施工過程中，推進速度和出土量相互關(guān)聯(lián)，需要協(xié)同控制，以確保盾構(gòu)機的正常運行和開挖面的穩(wěn)定。推進速度的控制原則是在保證盾構(gòu)機安全運行和施工質(zhì)量的前提下，盡量減少對周圍土體的擾動。推進速度過快，會使盾構(gòu)機對土體的擾動加劇，導(dǎo)致土體應(yīng)力來不及調(diào)整，從而引發(fā)較大的地層變形和地面沉降，對既有高架橋的安全產(chǎn)生威脅。推進速度過慢，則會延長施工時間，增加施工成本，同時也可能導(dǎo)致盾構(gòu)機前方土體長時間處于不穩(wěn)定狀態(tài)，增加土體坍塌的風(fēng)險。在某地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程中，根據(jù)地質(zhì)勘察報告，該區(qū)域地層為軟土地層，土體強度較低。在盾構(gòu)施工初期，由于推進速度過快，達到了每分鐘30mm以上，導(dǎo)致高架橋基礎(chǔ)出現(xiàn)了明顯的沉降，最大沉降量達到了15mm。經(jīng)分析，這是由于過快的推進速度使盾構(gòu)機對周圍土體產(chǎn)生了過大的剪切力，土體結(jié)構(gòu)被破壞，從而引起了較大的地層變形。此后，施工方根據(jù)實際情況將推進速度調(diào)整為每分鐘15-20mm，有效地控制了地層變形，高架橋基礎(chǔ)的沉降也得到了明顯的改善。出土量的控制同樣至關(guān)重要，它直接關(guān)系到盾構(gòu)機的土倉壓力平衡和開挖面的穩(wěn)定。如果出土量過大，會導(dǎo)致盾構(gòu)隧道周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，土體向隧道內(nèi)移動，引起地層損失和地面沉降。地層沉降會使高架橋基礎(chǔ)下沉，進而導(dǎo)致高架橋產(chǎn)生沉降和不均勻沉降。相反，如果出土量過小，盾構(gòu)機前方土體將受到擠壓，導(dǎo)致土壓力增大，引起土體隆起和盾構(gòu)機推進困難。在某工程中，由于出土量超出設(shè)計值的10%，導(dǎo)致高架橋基礎(chǔ)出現(xiàn)了明顯的沉降，不均勻沉降也較為嚴(yán)重，對高架橋的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生了較大影響。為了準(zhǔn)確控制出土量，需要實時監(jiān)測盾構(gòu)機的掘進參數(shù)和土倉壓力變化，根據(jù)理論計算和實際經(jīng)驗，合理調(diào)整螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速。在盾構(gòu)機掘進過程中，通過安裝在螺旋輸送機上的傳感器實時監(jiān)測出土量，并與理論出土量進行對比。當(dāng)出土量與理論出土量偏差較大時，及時調(diào)整螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速，使出土量與盾構(gòu)機的掘進速度相匹配。在某工程中，通過實時監(jiān)測出土量，發(fā)現(xiàn)實際出土量比理論出土量多了5%，施工人員立即降低螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過一段時間的調(diào)整，出土量逐漸恢復(fù)正常，有效地控制了地層變形。推進速度與出土量之間存在著密切的關(guān)系，需要根據(jù)實際情況進行動態(tài)調(diào)整。在盾構(gòu)施工過程中，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生變化時，如遇到軟硬不均的地層或地下水豐富的區(qū)域，需要及時調(diào)整推進速度和出土量。在穿越軟硬不均的地層時，盾構(gòu)機前方土體的阻力會發(fā)生變化，此時需要適當(dāng)降低推進速度，同時根據(jù)土倉壓力的變化調(diào)整出土量，以保證盾構(gòu)機的穩(wěn)定推進。在某工程中，盾構(gòu)機在穿越一段軟硬不均的地層時，前方土體的阻力突然增大，土倉壓力也隨之升高。施工人員立即降低推進速度，并適當(dāng)提高螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速，增加出土量，使土倉壓力逐漸恢復(fù)正常，盾構(gòu)機得以順利通過該區(qū)域。推進速度與出土量的控制是盾構(gòu)施工中的關(guān)鍵技術(shù)，需要綜合考慮地質(zhì)條件、盾構(gòu)機性能、高架橋結(jié)構(gòu)等因素，通過實時監(jiān)測和動態(tài)調(diào)整，確保盾構(gòu)施工的穩(wěn)定性和既有高架橋的安全。4.1.3注漿參數(shù)優(yōu)化注漿作為盾構(gòu)施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于有效填充盾尾空隙、減少地層沉降起著至關(guān)重要的作用。而注漿參數(shù)的優(yōu)化，包括注漿量、注漿壓力和注漿材料的合理選擇，是實現(xiàn)這一目標(biāo)的核心所在。注漿量的優(yōu)化是確保盾尾空隙得到充分填充的關(guān)鍵。注漿量不足，無法及時填充盾尾與管片之間的環(huán)形空隙，周圍土體就會在自重和附加應(yīng)力的作用下向空隙內(nèi)移動，導(dǎo)致地層損失和地面沉降。地層沉降會對高架橋基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響，使高架橋產(chǎn)生沉降和不均勻沉降。在某工程中，由于注漿量不足，高架橋基礎(chǔ)出現(xiàn)了較大的沉降，不均勻沉降也較為明顯，對高架橋的結(jié)構(gòu)安全造成了嚴(yán)重威脅。為了確定合理的注漿量，需要考慮多個因素。盾尾空隙的大小是首要考慮因素，它與盾構(gòu)機的外徑、管片的厚度以及施工過程中的超挖量等密切相關(guān)。一般來說，盾尾空隙的體積可以通過公式計算得出，即盾尾空隙體積=（盾構(gòu)機外徑2-管片外徑2）×π×管片寬度。在實際工程中，由于施工過程中存在一定的超挖現(xiàn)象，實際注漿量通常要大于理論計算值。通常實際注漿量為理論計算值的1.5-2.5倍。在某地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程中，通過精確測量和計算，確定理論注漿量為每環(huán)3.5m3，考慮到超挖等因素，實際注漿量控制在每環(huán)5-6m3，有效地填充了盾尾空隙，控制了地層沉降。注漿壓力的優(yōu)化對于保證注漿效果和避免對周圍土體產(chǎn)生過大擾動至關(guān)重要。注漿壓力過低，無法將漿液有效注入盾尾空隙，導(dǎo)致注漿不飽滿，影響填充效果；注漿壓力過高，則可能會對周圍土體產(chǎn)生過大的擠壓，引起土體隆起和高架橋基礎(chǔ)的附加應(yīng)力增加。在某工程中，注漿壓力過大，導(dǎo)致土體隆起，高架橋基礎(chǔ)受到較大的附加應(yīng)力，基礎(chǔ)出現(xiàn)了裂縫，對高架橋的穩(wěn)定性產(chǎn)生了負(fù)面影響。合理的注漿壓力應(yīng)根據(jù)地層條件、覆土厚度、盾構(gòu)機埋深等因素綜合確定。一般來說，注漿壓力應(yīng)略大于地層壓力和盾尾空隙的阻力之和。在軟土地層中，注漿壓力相對較低，一般控制在0.2-0.3MPa；在硬土地層中，注漿壓力則相對較高，可控制在0.3-0.5MPa。在某工程中，該區(qū)域地層為粉質(zhì)黏土，覆土厚度約為12m，根據(jù)地層條件和相關(guān)經(jīng)驗，將注漿壓力控制在0.25-0.3MPa，既保證了漿液能夠順利注入盾尾空隙，又避免了對周圍土體產(chǎn)生過大的擠壓。注漿材料的選擇直接影響注漿效果和工程質(zhì)量。理想的注漿材料應(yīng)具有良好的流動性、填充性、耐久性和強度。目前，常用的注漿材料主要有水泥砂漿、水泥-水玻璃雙液漿、聚氨酯等。水泥砂漿具有成本低、材料來源廣泛等優(yōu)點，但其凝結(jié)時間較長，早期強度較低。在一些對注漿材料強度要求不高、施工速度較慢的工程中，水泥砂漿得到了廣泛應(yīng)用。在某地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程中，由于施工速度相對較慢，且對注漿材料的早期強度要求不高，選用了水泥砂漿作為注漿材料。通過在水泥砂漿中添加適量的外加劑，如減水劑、早強劑等，改善了水泥砂漿的性能，提高了其流動性和早期強度。水泥-水玻璃雙液漿具有凝結(jié)時間短、早期強度高的特點，適用于對注漿效果要求較高、需要快速填充盾尾空隙的工程。在一些地層條件復(fù)雜、對沉降控制要求嚴(yán)格的盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程中，水泥-水玻璃雙液漿得到了廣泛應(yīng)用。在某工程中，由于該區(qū)域地層為砂層，地下水豐富，對沉降控制要求嚴(yán)格，選用了水泥-水玻璃雙液漿作為注漿材料。通過合理調(diào)整水泥和水玻璃的配合比，將雙液漿的凝結(jié)時間控制在30-60s，有效地填充了盾尾空隙，減少了地層沉降。聚氨酯注漿材料具有良好的防水性能和粘結(jié)性能，適用于對防水要求較高的工程。在一些盾構(gòu)隧道下穿既有建筑物或地下管線的工程中，聚氨酯注漿材料常被用于填充盾尾空隙和封堵滲漏點。在某工程中，由于盾構(gòu)隧道下穿既有地下管線，對防水要求較高，選用了聚氨酯注漿材料。通過在盾尾空隙中注入聚氨酯漿液，不僅有效地填充了空隙，還形成了一層防水屏障，保護了地下管線的安全。注漿參數(shù)的優(yōu)化是一個復(fù)雜的過程，需要綜合考慮多種因素。在實際工程中，應(yīng)根據(jù)具體情況，通過現(xiàn)場試驗和監(jiān)測，不斷優(yōu)化注漿參數(shù)，以確保注漿效果，減少盾構(gòu)施工對既有高架橋的影響。4.2地層加固措施4.2.1常用加固方法在盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的工程中，地層加固是保障施工安全和高架橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要手段。常用的地層加固方法包括注漿加固、旋噴樁加固、凍結(jié)法加固等，每種方法都有其獨特的原理、適用條件和優(yōu)缺點。注漿加固法是通過鉆孔將配置好的漿液注入地層中，利用漿液的膠結(jié)作用，使土體顆粒之間的黏聚力和摩擦力增大，從而提高土體的強度和穩(wěn)定性。根據(jù)注漿材料的不同，可分為水泥注漿、化學(xué)注漿等。水泥注漿以水泥為主要材料，其來源廣泛、成本較低，適用于大多數(shù)地層條件。在某工程中，采用水泥注漿對盾構(gòu)隧道下穿段的地層進行加固，有效地提高了土體的承載能力，減少了盾構(gòu)施工對地層的擾動。化學(xué)注漿則使用化學(xué)漿液，如聚氨酯、環(huán)氧樹脂等，這些漿液具有凝結(jié)速度快、粘結(jié)力強等優(yōu)點，適用于對加固效果要求較高、地層條件復(fù)雜的工程。在某盾構(gòu)下穿既有建筑物的工程中，由于建筑物對沉降控制要求嚴(yán)格，采用了聚氨酯化學(xué)注漿進行地層加固，取得了良好的效果。旋噴樁加固法是利用高壓噴射設(shè)備，將水泥漿或其他固化劑噴射到土體中，與土體強制攪拌混合，形成具有一定強度和穩(wěn)定性的樁體。根據(jù)噴射方式的不同，可分為單管法、雙管法和三管法。單管法是通過單根噴射管將水泥漿噴射到土體中；雙管法是通過兩根噴射管分別噴射水泥漿和壓縮空氣；三管法是通過三根噴射管分別噴射高壓水、壓縮空氣和水泥漿。旋噴樁加固法適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土、砂土等多種地層。在某地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程中，采用雙管法旋噴樁對高架橋基礎(chǔ)周邊地層進行加固，提高了土體的抗變形能力，有效地控制了高架橋的沉降。凍結(jié)法加固是利用人工制冷技術(shù)，將地層中的水分凍結(jié)成冰，使土體凍結(jié)成一個整體，從而提高土體的強度和穩(wěn)定性。凍結(jié)法適用于各種地層條件，尤其是在富水地層和軟土地層中具有獨特的優(yōu)勢。其優(yōu)點是加固效果可靠、對周圍環(huán)境無污染。在某盾構(gòu)隧道下穿既有河流的工程中，由于地層含水量高，采用凍結(jié)法對地層進行加固，成功地穿越了河流，保證了施工安全。然而，凍結(jié)法也存在一些缺點，如施工成本高、施工周期長、需要專門的制冷設(shè)備和技術(shù)人員等。每種地層加固方法都有其特點和適用范圍，在實際工程中，需要根據(jù)具體的地質(zhì)條件、工程要求和經(jīng)濟成本等因素，綜合考慮選擇合適的加固方法。4.2.2加固方案設(shè)計與實施以廣州地鐵二十一號線棠東站-黃村站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿東環(huán)高速高架橋工程為例，該工程在設(shè)計和實施地層加固方案時，充分考慮了地質(zhì)條件、高架橋結(jié)構(gòu)特點以及盾構(gòu)施工參數(shù)等因素，確保了加固方案的科學(xué)性和有效性。在設(shè)計階段，首先對工程區(qū)域的地質(zhì)條件進行了詳細勘察，查明了地層分布、土體物理力學(xué)性質(zhì)以及地下水狀況等信息。該區(qū)域主要地層包括第四系全新統(tǒng)人工填土層、海陸交互相沉積層、沖積層以及基巖風(fēng)化層等，其中海陸交互相沉積層和沖積層主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、砂層等組成，具有含水量高、壓縮性大、強度低等特點。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，結(jié)合盾構(gòu)施工對地層穩(wěn)定性的要求，初步確定采用注漿加固和旋噴樁加固相結(jié)合的方案。對于注漿加固，根據(jù)土體的滲透系數(shù)和加固要求，選擇了水泥-水玻璃雙液漿作為注漿材料。水泥-水玻璃雙液漿具有凝結(jié)時間短、早期強度高的特點，能夠快速填充土體孔隙，提高土體的強度和穩(wěn)定性。通過理論計算和現(xiàn)場試驗，確定了注漿壓力、注漿量和注漿孔間距等參數(shù)。注漿壓力控制在0.3-0.5MPa，注漿量根據(jù)地層孔隙率和加固范圍進行計算，注漿孔間距為1.0-1.5m。在注漿施工前，先進行了注漿試驗，通過對試驗結(jié)果的分析和評估，進一步優(yōu)化了注漿參數(shù)。旋噴樁加固主要用于對高架橋基礎(chǔ)周邊地層的加固，以增強基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性。采用雙管法旋噴樁，水泥漿采用P.042.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為1:1，壓縮空氣壓力為0.5-0.7MPa。旋噴樁的樁徑為800mm，樁長根據(jù)地層情況和加固要求確定，一般為10-15m。樁間距為1.2m，呈梅花形布置。在旋噴樁施工過程中，嚴(yán)格控制鉆孔垂直度和噴射參數(shù)，確保樁體的質(zhì)量和加固效果。在實施階段，嚴(yán)格按照設(shè)計方案和施工規(guī)范進行施工。在注漿施工時，先進行鉆孔，鉆孔采用地質(zhì)鉆機，鉆孔深度和位置嚴(yán)格按照設(shè)計要求進行控制。鉆孔完成后，安裝注漿管，進行注漿作業(yè)。在注漿過程中，密切關(guān)注注漿壓力和注漿量的變化，及時調(diào)整注漿參數(shù)。對于旋噴樁施工，先進行測量放線，確定樁位。然后進行鉆機就位，調(diào)整鉆機垂直度，確保鉆孔垂直。鉆孔完成后，插入噴射管，進行旋噴作業(yè)。在旋噴過程中，按照設(shè)計參數(shù)，均勻噴射水泥漿和壓縮空氣，確保樁體的均勻性和強度。在施工過程中，還加強了對施工質(zhì)量的監(jiān)測和控制。對注漿加固效果，通過鉆孔取芯、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗等方法進行檢測，檢查漿液的填充情況和土體的強度變化。對旋噴樁質(zhì)量，通過低應(yīng)變檢測、抽芯檢測等方法進行檢測，檢查樁體的完整性和強度。根據(jù)監(jiān)測和檢測結(jié)果，及時發(fā)現(xiàn)和解決施工中出現(xiàn)的問題，確保了加固工程的質(zhì)量。在廣州地鐵二十一號線棠東站-黃村站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿東環(huán)高速高架橋工程中，通過合理設(shè)計和嚴(yán)格實施地層加固方案，有效地提高了地層的穩(wěn)定性和高架橋基礎(chǔ)的承載能力，減少了盾構(gòu)施工對高架橋的影響，確保了工程的安全順利進行。4.3高架橋保護措施4.3.1基礎(chǔ)托換技術(shù)基礎(chǔ)托換技術(shù)是一項用于解決既有建筑物地基處理和基礎(chǔ)加固問題，以及在既有建筑物基礎(chǔ)下修建地下工程或鄰近新建工程影響既有建筑物安全等問題的重要技術(shù)。其原理是通過采取適當(dāng)?shù)拇胧瑢扔薪ㄖ锏幕A(chǔ)進行加強或重新設(shè)置新的基礎(chǔ)，以滿足工程的特定需求。在盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋的工程中，基礎(chǔ)托換技術(shù)的適用條件主要包括：當(dāng)既有高架橋的基礎(chǔ)承載力不足，無法承受盾構(gòu)施工引起的附加荷載時；或者基礎(chǔ)出現(xiàn)損壞，如裂縫、斷裂等，影響高架橋的穩(wěn)定性時；又或者由于盾構(gòu)施工導(dǎo)致基礎(chǔ)周圍土體變形過大，對基礎(chǔ)的穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅時。在某地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程中，由于盾構(gòu)施工引起的地層沉降和水平位移，導(dǎo)致高架橋基礎(chǔ)出現(xiàn)了不均勻沉降和裂縫，基礎(chǔ)承載力下降。此時，采用基礎(chǔ)托換技術(shù)對高架橋基礎(chǔ)進行加固處理，有效地提高了基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性，保障了高架橋的安全。常用的基礎(chǔ)托換方法包括樁式托換法、灌漿托換法和基礎(chǔ)加固法。樁式托換法是采用樁進行基礎(chǔ)托換的方法，在建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的下部或兩側(cè)設(shè)置各類樁，在樁上擱置托梁或承臺系統(tǒng)或直接與基礎(chǔ)錨固，來支承被托換的墻和柱基。樁式托換可分為坑式靜壓樁托換、錨桿靜壓樁托換、灌注樁托換和樹根樁托換等?？邮届o壓樁托換適用于淺層軟弱地基，通過在基礎(chǔ)下開挖豎坑，將預(yù)制樁逐節(jié)壓入地基中，以提高基礎(chǔ)的承載能力。在某工程中，采用坑式靜壓樁托換對高架橋基礎(chǔ)進行加固，在基礎(chǔ)下開挖豎坑，將直徑為300mm的預(yù)制樁逐節(jié)壓入地基中，樁長根據(jù)實際情況確定，一般為5-8m。通過坑式靜壓樁托換，有效地提高了高架橋基礎(chǔ)的承載能力，減少了基礎(chǔ)的沉降量。錨桿靜壓樁托換則是利用錨桿將樁與基礎(chǔ)連接在一起，通過千斤頂將樁壓入地基中。這種方法適用于各種地基條件，尤其是對周圍環(huán)境影響較小的工程。在某地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高架橋工程中，采用錨桿靜壓樁托換對高架橋基礎(chǔ)進行加固，在基礎(chǔ)上鉆孔，植入錨桿，將樁與基礎(chǔ)連接在一起，然后通過千斤頂將樁壓入地基中。樁徑為400mm，樁長根據(jù)地質(zhì)條件和基礎(chǔ)承載力要求確定，一般為8-12m。通過錨桿靜壓樁托換，有效地提高了高架橋基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性。灌注樁托換是在基礎(chǔ)下鉆孔，然后灌注混