砂卵石地層下復合錨桿樁對保護橋樁的作用分析

王東清

(北京城建集團有限責任公司，北京 100088)

0 引言

近年來，復合錨桿樁施工技術在地鐵下穿各種橋梁基礎等建筑物的加固中得到應用，它對橋樁等建筑物起到了一定的保護作用。但復合錨桿樁造價較高，受環境影響因素大［1］，在砂卵石等持力較好的地層中的實際作用有待進一步分析和確定。姚宣德［2］分析了隧道開挖過程引起的地層移動與變形對橋梁樁基礎的影響。楊慧林等［3］對復合錨桿樁施工工藝特性和機制進行了分析，總結出在臨近既有橋梁、建筑等基礎進行新建地下工程施工時，采用復合錨桿樁加固地層，能有效保護既有建構筑物基礎，減小并控制沉降。楊陜南［4］根據地鐵10號線公主墳暗挖站卵石含量較多的地層情況，針對橋樁距離車站凈距離只有4 m時，采用復合錨桿樁加固橋樁。賈永剛等［5］通過計算分析暗挖隧道對既有橋樁的影響，并結合隧道施工的實際監測資料，認為在暗挖隧道下穿橋樁時采用復合錨桿樁加固的措施是安全可靠的。文獻［6－7］詳細介紹了復合錨桿樁的施工工藝以及技術要求，對施工過程中可能出現的問題及相應對策進行了闡述。陳廣亮［8］則從另一個角度出發，采用洞內施作復合錨桿樁對橋樁周邊土體進行加固，以提高橋樁摩阻力。王力勇等［9］在隧道結構施工時采用增加臨時仰拱及水平袖閥管注漿等工程措施加固隧道周邊地層，控制沉降，保證隧道掘進安全。吳文忠等［10］利用有限元，對隧道施工產生的地表沉降變形及引起建筑結構內力變化進行分析，為隧道施工沉降控制指標的確定提供了依據。

以往工程多采用復合錨桿樁對橋梁或建筑物進行加固，注重復合錨桿樁的實施效果。沒有對持力較好的砂卵石地層下是否必須采取加固措施進行針對性的研究。本文在同種地層、同施工工藝、同施工環境和同施工標準條件下，分別對采用復合錨桿樁和不采用復合錨桿樁2種施工情況進行實際工程類比，通過連續的監測和數據分析，使人們對復合錨桿樁在砂卵石地層中對橋樁等建筑物的保護作用有了新的認識。

1 工程概況

北京地鐵14號線暗挖區間近距離下穿某大型立交橋，其中近距離穿越橋樁7次(地鐵隧道距離穿越橋樁凈距離在5 m以內)，且樁端在隧道中心線以上的隧道肩部——受力最不利位置。地鐵暗挖隧道為馬蹄形標準斷面(6 570 mm×6 480 mm)，格柵間距500 mm，初襯厚度250 mm。自上而下主要地層為粉土填土①、粉砂至細砂②3、圓礫至卵石②5、中砂、粗砂⑤1、卵石⑤和層卵石⑦。隧道結構覆土厚度為10.1～15.3 m，隧道穿越地層主要為卵石⑤層、中砂和粗砂⑤1層。地下水位于結構線以下。設計采用復合錨桿樁對橋樁進行加固保護，使其與隧道間形成隔離來控制橋梁沉降。

2 沉降控制要求及加固措施設計

2.1 橋梁沉降控制要求

1)橋梁豎向均勻沉降15 mm。

2)縱向不均勻沉降位移控制值為5 mm。

3)墩柱橫橋向相鄰基礎不均勻沉降位移控制值為3 mm。

4)橋區相關道路路面沉降控制值為10 mm。

2.2 加固措施設計

為保證施工過程的安全，設計主要采用復合錨桿樁對橋樁進行隔離加固，對橋樁周圍土體加固和改良，以不降低原有側摩阻力為目的來控制沉降，具體位置關系如圖1和圖2所示。

3 理論分析

本工程暗挖隧道邊緣最近處距離橋樁不到1 m，如果不采取相應措施，該部分橋樁的整體摩擦力將會全部失去，并且周邊土體變形也會導致未動土層摩擦力的降低。經驗算，麗澤橋橋樁單樁承載力以側摩阻為主，約占總承載力的65%，端阻力約占總承載力的35%，根據樁身進入長度不同，卵石⑤層和卵石⑦層提供的側摩阻力較大。計算過程中假定側阻力損失率為20%，經加固后，加固體彈性模量和泊松比發生變化，加固體強度升高。按5 MPa計算得出側阻力和端阻力各占總承載力的50%，所以加固區的重點為樁端和處于卵石⑤層和卵石⑦層的樁周。

通過連續體的快速 Lagrangian分析法，利用Mohr－Coulomb彈塑性本構模型，從整體上研究樁—土—隧道三者間的作用特征，著重分析不同施工工況下單樁、群樁的位移及內力變化規律，得出隧道貫通時土體變形曲線如圖3所示。隧道施工對地表及隧道周圍土體造成了較大范圍的影響，主要表現為上覆土層出現較大程度地沉降，隧道底部土體向上隆起，最大的土體變形出現在隧道頂部。由圖3(a)可知，樁體的存在對其周圍土體變形影響較大，施工過程中樁體的下沉引起周圍土體的附加沉降，豎向變形明顯增大。從圖3(b)可以看出，沿隧道施工前進方向，地表土體的最大沉降主要發生在施工前期地表段，而后期地表的變形較小。隧道周圍土體存在波浪狀的變形，這表明在不同施工工況中土體應力都得到了一定程度的釋放。

圖3 貫通時土體變形曲線(單位:m)Fig.3 Calculated ground deformation after tunnel breakthrough(m)

4 復合錨桿樁施工技術

4.1 復合錨桿樁方案設計

復合錨桿樁直徑150 mm，采用φ50鋼管(煤氣管)和3根φ18定位鋼筋作為復合錨桿樁鋼筋籠子的骨架，每段長100 mm，間距1 m，3根φ20鋼筋作為復合錨桿縱向主受力筋。另附3根φ20塑料管作為注漿管，每根注漿管出漿口范圍距底端4 m，注漿管φ20 mm，出漿孔φ4 mm，4孔豎向錯開150 mm，復合錨桿樁構造圖如圖4所示。采用2次注漿，第1次注漿壓力0.4～0.5 MPa，孔口溢漿時結束本次注漿，水泥漿水灰質量比0.5∶1;第2次注漿采用中高壓注漿，注漿壓力1.0 ～1.5 MPa，水泥漿水灰質量比 0.75∶1，在第1次注漿完成后10～15 h進行;第3次注漿壓力1.5～2.0 MPa，在第2次注漿完成后5～10 h進行，水泥漿水灰質量比0.75∶1。注漿采用普通硅酸鹽P·O42.5水泥。

4.2 復合錨桿樁施工機械選型

根據加固地層大部分為砂卵石的實際情況，采用日本RPD130C全液壓錨桿鉆機成孔，采用能滿足設計注漿壓力的雙液注漿機。施工機具如圖5所示，具體機械設備投入見表1。

表1 工程機械設備投入安排Table 1 List of machinery needed to install composite bolt piles

4.3 復合錨桿樁施工

4.3.1 施工工藝

復合錨桿樁施工主要有機具選型、鉆孔、安裝鋼筋籠及注漿管、注漿幾個步驟，如圖6所示。

4.3.2 施工準備

首先對加固區周邊區域進行物探，探明地下管線類型、規格和埋深，并采用人工挖探方法，對挖探出的地下管線進行標識，之后將探槽回填密實。

4.3.3 成孔

當止漿盤達到強度以后進行復合錨桿樁鉆孔施工，鉆孔采用日本RPD130C全液壓錨桿鉆機，移動鉆機就位，調整鉆桿垂直度，進行鉆進施工至設計標高，并根據實際情況進行跳孔施工。

4.3.4 下放鋼筋籠及安裝注漿管

采用整體加工、分段下放的原則進行鋼筋籠作業和安裝。分段的鋼筋籠在安裝入孔的同時，采用直螺紋接駁器按安裝次序連接牢固。安裝時需對準孔位，緩慢下放，避免鋼筋籠碰撞孔壁。注漿管共計3根，均為直徑20 mm的鋼制自來水管，采用絲扣連接，分段長度與鋼筋籠相同。注漿管上的出漿孔直徑為4 mm，間距150 mm，最下端的出漿口距離注漿管端部4 m。第1根注漿管端不封閉，另外2根管端封閉，并且第2根注漿管比第1根和第3根短4 m。安裝注漿管時，將第2根和第3根注漿管的出漿孔用塑料膠帶粘貼以隔離漿液，防止第1根管注漿施工時，漿液封堵其他注漿管出漿孔。

4.3.5 注漿

鋼筋籠及注漿管安裝完畢后，按設計要求參數進行漿液配制和注漿。

5 實施效果及沉降分析

現場對1－4軸和1－5軸2個與隧道凈距離為1.4 m左右的橋樁進行復合錨桿樁加固，從現場開挖情況來看，復合錨桿樁樁體堅固，周邊土體相對密實，加固效果圖如圖7所示。由此得出，復合錨桿樁施工工藝本身起到了加固地層的作用，但對控制橋梁的沉降作用需做進一步分析。

圖7 復合錨桿樁加固效果Fig.7 Consolidation effect of composite bolt piles

5.1 對采用了復合錨桿預加固措施的橋梁沉降分析

經過對橋梁的監測及分析，在復合錨桿樁施工初期，數據呈下降趨勢，累計沉降最大達1 mm;在復合錨桿樁完成后，整體地層加固注漿結束，沉降最終為0.51 mm;隨著隧道的開挖施工，數據逐漸再次下降，隧道在開挖施工期間，總沉降累計3.0 mm;初襯回填注漿完畢后，沉降數據呈微弱回升趨勢，回升約0.5 mm，最終總沉降為2.5 mm。隨著時間的推移，在回填注漿完畢1個月后，沉降穩定，最終總沉降3 mm左右。以樁與隧道的凈距為1.45 m的1－4軸和凈距為1.41 m的1－5軸2處為例，各施工期間沉降曲線如圖8所示。

圖8 2012年采用復合錨桿樁加固措施樁體沉降曲線Fig.8 Curves of settlement of bridge piles consolidated by composite bolt piles in 2012

5.2 對未采用復合錨桿加固措施的橋梁沉降分析

在施工過程中，因復合錨桿樁受場地限制，距離隧道0.49 m的2－18軸和距離隧道4.26 m的2－17軸2個橋樁取消了復合錨桿樁加固措施，采用直接暗挖施工通過的方法。經過對橋梁的監測及分析，在隧道開挖至距離橋樁20 m時，即對橋梁產生沉降影響;在隧道施工至橋樁時，橋梁沉降約3.5 mm;初襯回填注漿完畢后，沉降數據呈微弱回升趨勢，回升約0.5 mm，總沉降為3.0 mm。隨著時間的推移，在回填注漿完畢1個月后，沉降穩定，最終總沉降3.5 mm。以樁與隧道的凈距離為0.49 m的2－18軸和凈距離為4.26 m的2－17軸為例，各施工期間沉降曲線如圖9所示。

5.3 沉降控制效果對比分析

根據各施工階段的數據得出，采用復合錨桿樁施工會導致橋梁自身的微小沉降，約為1 mm;沒有采用復合錨桿樁施工的，沒有該沉降。最終隧道通過，回填注漿完畢，沉降穩定后，采用復合錨桿樁加固的橋梁總沉降3 mm，沒有采取復合錨桿樁加固措施的最終沉降3.5 mm。

6 結論與建議

在砂卵石地層下，復合錨桿樁施工本身導致橋梁沉降約為1 mm，實際有效控制沉降僅為0.5 mm，且在復合錨桿樁施工期間需嚴格控制施工質量及進度，尤其需注意“跳倉施工”以及嚴格控制注漿量和壓力，以減少復合錨桿樁施工本身導致橋梁的沉降。鑒于復合錨桿樁造價較高，受環境、工藝影響因素大等原因，在砂卵石等較好地層下，不建議大量使用復合錨桿樁保護橋樁，而是進行背后回填注漿來減少橋樁的沉降，尤其是橋樁距與隧道水平凈距離大于2 m的情況。過去一味強調復合錨桿樁對保護橋基的作用，沒有對持力較好的砂卵石地層是否需要采用復合錨桿樁進行有針對性的研究，更缺少此地層條件下“采用”與“不采用”復合錨桿樁2種情況對橋樁沉降影響的分析和對比。鑒于此類工程對比實例較少，期待在施工過程中積累更多的監測數據和類比資料做進一步的研究。

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