盾構區(qū)間下穿并截除人行天橋部分橋樁的對策

儲柯鈞，趙 亮，徐 騫

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

盾構區(qū)間下穿并截除人行天橋部分橋樁的對策

儲柯鈞，趙 亮，徐 騫

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

以沈陽地鐵2號線工業(yè)展覽館站—文體路站區(qū)間(以下簡稱工—文區(qū)間)下穿文化路立交橋人行天橋并截除部分橋樁為例，為確保盾構掘進過程中該天橋橋體的安全，通過對橋樁截樁后管片后期承載力、結構變形等特點建立三維數(shù)值模型，并進行計算分析后，進一步優(yōu)化設計方案，同時采取了以下措施：施工前先對人行天橋兩端橋墩處采用臨時鋼托架進行支撐加固；掘進過程中合理優(yōu)化盾構掘進參數(shù)，同時采取同步注漿與二次補強注漿措施，不但避開了立交橋主橋橋樁，同時還避免了采用樁基托換這一高風險、高代價方案?？⒐げ⑼ㄜ囘\營后，經(jīng)過近1年的跟蹤監(jiān)測，橋梁結構穩(wěn)定，最終變形收斂至穩(wěn)定值，充分驗證了該措施的可行性。

沈陽地鐵；盾構；加固；截樁；天橋；變形控制；臨時托架

0 引言

自19世紀盾構法誕生以來，盾構工法憑借其安全、高效、對環(huán)境影響小、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點，廣泛應用于隧道及地下工程領域[1-3]。城市地鐵工程的建設，既促進了城市化建設進程，又受到城市化基礎建設的制約，主要體現(xiàn)在地鐵車站站位選擇以及區(qū)間線路走向上。地鐵線網(wǎng)均位于人口密集的城市市區(qū)，這些中心城區(qū)往往高樓林立、市政路橋縱橫交錯、地下管網(wǎng)錯綜復雜。因此，新建的地下隧道往往會對既有建(構)筑物產(chǎn)生一定程度的影響[4]。這些影響主要體現(xiàn)在以下2方面：一是對既有結構承載力的影響，包括傾覆、滑移，甚至可能造成連續(xù)倒塌；二是變形，包括沉降、傾斜、產(chǎn)生過大的裂縫或是撓度等[5]。而如何采取措施規(guī)避或控制這些風險工程，是地鐵工程設計和施工需要研究的重點。

穿越工程在城市軌道交通建設過程中時有發(fā)生，但均以臨近下穿居多[6-7]，以避免直接擾動或接觸既有建(構)筑物的基礎,而對于盾構在掘進過程中直接截除建(構)筑物樁基的行為較少。本文將通過沈陽地鐵2號線工—文區(qū)間具體工程案例，著重介紹區(qū)間下穿并截除人行天橋部分橋樁過程中的設計方案和施工保護措施，通過對橋樁截樁后管片后期承載力、變形進行系統(tǒng)計算分析，改變橋樁樁基的受力特征，并經(jīng)三維模型數(shù)值模擬分析進行變形預測，優(yōu)化設計方案和設計參數(shù)，并與施工工藝緊密結合，避免在立交橋樁基密集區(qū)進行樁基托換，最終使得施工得以順利進行。運營后跟蹤監(jiān)測1年，變形逐步趨于穩(wěn)定值，充分驗證了該措施的可靠性。

1 工程概況

1.1 區(qū)間及人行天橋概況

沈陽地鐵2號線工—文區(qū)間位于沈陽最繁華主干道——金廊街道青年大街下方，呈南北走向，區(qū)間長度1 302.180 m，單洞單線圓形斷面，外徑6 m，C50鋼筋混凝土結構，采用盾構法施工，線路縱向呈“V”字形坡，最大縱坡30‰。

文化路立交橋共分4層，人行天橋位于第3層，跨越底層文化路下拉槽。天橋全長40.6 m，三跨一聯(lián)，主跨長25 m，2個邊跨長均為7.8 m，結構形式為預應力板柱結構。該橋共設4組橋墩，基礎形式為墩下單樁基礎，樁徑1.2 m，樁基深17.2 m，C25鋼筋混凝土，樁底為2 m長素混凝土樁，樁體類型為端承摩擦樁。天橋實景如圖1所示。

圖1 文化路立交橋人行天橋實景圖Fig.1 Picture of pedestrian bridge of Wenhua Road

本區(qū)間北起工業(yè)展覽館站，右線出站后南行105～1 145.6 m 4次穿越人行天橋橋樁，下穿部位區(qū)間覆土厚度約為15.5 m，區(qū)間結構外皮與天橋A樁豎向凈距為4.67 m，與B樁交叉1.19 m，與C樁交叉0.611 m，與D樁豎向凈距為5.8 m。區(qū)間與橋樁位置關系如圖2—5所示。

圖2 區(qū)間下穿天橋段總平面圖Fig.2 Plan of running tunnel crossing underneath pedestrian bridge

圖3 區(qū)間右線與橋樁縱剖面位置關系圖(單位：mm)Fig.3 Profile showing relationship between running tunnel and piles of existing pedestrian bridge (mm)

圖4 區(qū)間右線與B樁橫剖面位置關系圖(單位：mm)Fig.4 Cross-section of pile B and running tunnel (mm)

圖5 區(qū)間右線與C樁橫剖面位置關系圖(單位：mm)Fig.5 Cross-section of pile C and running tunnel (mm)

1.2 工程地質(zhì)

區(qū)間穿越橋樁區(qū)段地層自上而下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、礫砂，隧道洞身所穿越的地層均為礫砂，場地內(nèi)隧道圍巖分級為Ⅴ級。

場地范圍內(nèi)地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水，主要賦存在中粗砂、礫砂層中，施工期間地下水位位于地面以下8～10 m。橋樁區(qū)地層及各土層物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 地層及各土層物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of different strata

2 設計方案及應對措施

2.1 區(qū)間方案優(yōu)化

相對于礦山法，盾構法具有安全、高效、限沉、經(jīng)濟等諸多優(yōu)點，因此本區(qū)間采用盾構法施工。區(qū)間左線從立交橋橋樁間隙中側穿而過，區(qū)間右線則無法躲避橋樁，按避其重就其輕的原則，避開主橋橋樁。北端工業(yè)展覽館站為3層車站，該車站施工期間受困于周邊排水管線不足，考慮到車站降排水困難這一客觀原因，車站埋深無法進一步加深，導致站后區(qū)間右線無法避免截斷橋樁。經(jīng)過對橋樁基礎資料的詳細調(diào)查，發(fā)現(xiàn)樁底以上2 m范圍內(nèi)為素混凝土樁，右線縱坡調(diào)整至30‰ 這一極限值后，能避免盾構觸碰鋼筋混凝土樁體，為盾構法施工的安全性提供了保障。

2.2 對樁體周邊土體預加固，彌補截樁后樁端阻力損失

原橋梁設計時，天橋橋樁類型為端承摩擦樁，考慮到盾構掘進截樁后樁端承載力損失，為避免樁體荷載直接作用于盾構和管片上，設計時考慮對樁體一定范圍內(nèi)的土體進行預加固，通過增強樁側摩阻力的方法來彌補樁端阻力損失，即將樁體類型改變?yōu)槟Σ列蜆?。加固方法采用地面注漿加固[8]，加固平面尺寸為樁體外輪廓外3 m，加固深度為地面以下9 m，漿液采用1∶1水泥漿，導管采用φ45 mm小導管，長8 m，管距按0.75 m×0.75 m梅花形布置。樁體加固圖如圖6所示，加固后各層土體極限側摩阻力標準值應不小于表2中的要求。

圖6 樁體加固圖 Fig.6 Reinforcement of pile

根據(jù)橋梁設計單位提供的樁體荷載，天橋單樁豎向荷載標準值為2 200 kN；以B樁為例，進行加固后單樁豎向承載力驗算，加固后樁周土層物理力學參數(shù)詳見表2。

表2加固后樁周土層物理力學參數(shù)
Table 2 Physical and mechanical parameters of strata after pile reinforcement

地層地層厚度lsi/m樁側阻標準值qsik/kPa樁端阻力標準值qpik/kPa雜填土(加固后)370粉質(zhì)黏土(加固后)190中粗砂(加固后)4120中粗砂(未加固)180礫砂(未加固)51102800

對于樁徑大于800 mm的大直徑樁，修正系數(shù)φsi=0.88，單樁的豎向極限承載力標準值

Quk=Qsk+Qpk=u∑φsiqsikli+φpqpkAp。

(1)

式中：u為樁身周長；li為樁周第i層土的厚度；Ap為樁端面積；qsik為樁側第i層土的極限側阻力標準值；qpk為極限端阻力標準值；φsi,φp分別為大直徑樁側阻力、端阻力尺寸效應系數(shù)。

認定天橋橋樁單樁豎向荷載全部由樁側摩阻力承擔,則樁側摩阻力標準值Qsk=3.14×1.2×0.88×(70×3+90×1+120×4+80×1+110×5)=4 675 kN。

側摩阻力特征值Qs=Qsk/2=4 675/2=2 338 kN>2 200 kN(單樁豎向荷載標準值)，基本滿足樁基承載力計算要求。

2.3 變形預測

根據(jù)盾構掘進施工工程，對區(qū)間右線下穿天橋橋樁進行了數(shù)值模擬分析。采用Midas-GTS軟件建立地層-結構模型，采用摩爾-庫侖本構關系，按照實際尺寸建模，計算范圍沿地鐵區(qū)間方向取70 m，垂直于地鐵區(qū)間方向向上至地面，向下取盾構隧道中心線以下20 m。橋樁單元采用樁接觸單元，該類型單元網(wǎng)格劃分時無需節(jié)點耦合，能更確切地模擬樁與周邊土體的相對滑移；計算過程考慮樁周地層預加固效果，其余參數(shù)均按地勘報告提供參數(shù)選取(見表3)。計算模型如圖7所示。

表3 圍巖及支護計算參數(shù)Table 3 Parameters of surrounding rock and support

圖7計算模型
Fig.7 Calculation model

施工模擬過程主要分以下3步進行：

1)盾構穿越A樁，掘進至B樁處，尚未截樁，此時樁底最大變形值為1.94 mm，如圖8所示。

2)盾構穿越截斷B樁后，并掘進至C樁處，此時樁底最大變形值為3.01 mm，如圖9所示。

3)盾構穿越截斷C樁后，并穿越D樁，此時樁底最終累計變形值為4.47 mm，如圖10所示。

經(jīng)計算分析，隨著盾構機向前推移，在盾構機掘進至距離A樁5 m左右，天橋橋樁出現(xiàn)沉降，整個穿越期間變形逐步加大，待盾構機掘進通過遠離橋樁后，樁體沉降逐收斂至穩(wěn)定值。整個過程橋樁和地表最大變形曲線如圖11所示。

圖8掘進至B樁處

Fig.8 Maximum deformation of pile tip when shield reaches Pile B (before Pile B is cut )

圖9掘進至C樁處
Fig.9 Maximum deformation of pile tip when shield reaches Pile C

圖10截斷C樁并穿越D樁后

Fig.10 Maximum deformation of pile tip after shield cut Pile C and passed Pile D

圖11 橋樁及地表沉降曲線圖Fig.11 Curves of pile deformation and ground surface settlement obtained by numerical simulation

3 施工方案及應對措施

3.1 橋下架設臨時鋼托架

鑒于施工過程中盾構掘進對樁周土體產(chǎn)生擾動而可能導致降低其側摩阻力值，為確保盾構穿越過程中人行天橋橋體的安全，施工前對人行天橋兩端橋墩處采取了臨時鋼托架支撐加固措施。天橋支撐分為型鋼鋼架和腳手架2種。其中，A和D號橋樁上部結構跨度較小，承受荷載較輕，采取腳手架支托方案；而B和C號橋樁承受橋的絕大部分重力，故采取型鋼托架方案。支托前，先對橋墩附近土體進行臺階型的硬化，再在臺階上架設托架。型鋼托架上部布設千斤頂，一旦發(fā)生過大變形，可利用千斤頂?shù)恼w協(xié)調(diào)頂升，使橋梁恢復至原始狀態(tài)。

3.2 盾構掘進過程中的自身參數(shù)控制

為減小盾構施工對天橋的影響，在施工中應盡可能地減小盾構掘進對周圍土體的擾動，減小地表沉降，關鍵技術是要保持盾構開挖面的穩(wěn)定和管片脫出盾尾后對盾尾空隙的及時充填。盾構開挖面的穩(wěn)定可以通過優(yōu)化掘進參數(shù)來控制，其主要參數(shù)有推進速度、盾構推力、出土數(shù)量、正面土壓力機及姿態(tài)控制等[9-10]；管片與土體之間的空隙充填則采取同步注漿與二次補強注漿。在盾構掘進過程中進行同步注漿，使管片脫出盾尾后的環(huán)形空隙中及時充填足量的漿液，防止周圍土體擠入，引起土體位移；二次注漿是彌補同步注漿的不足，是減小沉降的有效措施；同時注意盾構姿態(tài)的控制，在盾構通過人行天橋過程中確保姿態(tài)不出現(xiàn)較大的糾偏，保持連續(xù)均衡的施工狀態(tài)。

4 施工監(jiān)測及竣工后的跟蹤監(jiān)測

盾構穿越期間，監(jiān)測人員、安質(zhì)人員在此保持24 h值班，同時加密監(jiān)測頻率(4 h/次)。監(jiān)測數(shù)據(jù)及時反饋給盾構司機，使盾構司機可以結合地面情況和地下施工情況進行綜合分析，充分利用監(jiān)測數(shù)據(jù)指導盾構掘進。在盾構穿越人行天橋過程中，橋體及橋下地面監(jiān)測的日沉降值均未超過2 mm，裂縫變形均小于0.2 mm。穿越過程中通過對人行天橋段各監(jiān)測點的監(jiān)測情況統(tǒng)計，最大沉降點發(fā)生在北側橋體，累計沉降為4.75 mm，監(jiān)測結果均滿足產(chǎn)權單位要求。區(qū)間竣工后，跟蹤監(jiān)測1年，發(fā)現(xiàn)橋體沉降增量甚微，不足0.5 mm，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，與預測變形結果較為吻合。整個監(jiān)測過程橋樁和地表最大變形曲線如圖12所示。

圖12 橋樁及地表變形實測值Fig.12 Curves of measured pile deformation and ground surface settlement

5 結論與建議

實際掘進過程中對盾構及管片壁后同步注漿的控制，以及維系土層損失平衡，是沉降控制的關鍵所在。采用地表注漿，對天橋橋樁進行預加固，通過提高樁體極限側摩阻力來彌補樁端阻力的損失，使樁體豎向力重新達到受力平衡，也是本工程理論上成敗的關鍵所在。然而，對于較深的土層，地表注漿的效果難以控制和檢測，是本工程實施過程中的一大難點，今后工作中尚需進一步研究。

在城市軌道交通領域，穿越工程時常發(fā)生，如何選擇最優(yōu)施工方法確保既有結構的安全，且又能兼顧工程經(jīng)濟性是研究的重點。本工程通過前期詳盡的基礎資料調(diào)查、方案比選和結構驗算，為該工程的順利施工打下了堅實的基礎。在整個穿越人行天橋施工過程中，通過切實落實各項技術方案，并結合實際施工情況，最終順利地穿越了重大風險點，而且為以后類似工程施工積累了寶貴的經(jīng)驗。

[1]張鳳祥，傅德明，楊國祥，等.盾構隧道施工手冊[M].北京：人民交通出版社，2005：306-336.(ZHANG Fengxiang，F(xiàn)U Deming，YANG Guoxiang，et al.Construction manual：Shield tunnel[M].Beijing: China Communications Press,2005：306-336.(in Chinese))

[2]王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術[M].北京：人民交通出版社，2010.(WANG Mengshu.Tunnelling and underground engineering technology in China[M].Beijing: China Communications Press,2010.(in Chinese))

[3]張慶賀，朱合華，莊榮，等.地鐵與輕軌[M].北京：人民交通出版社，2006：40-55.(ZHANG Qinghe，ZHU Hehua，ZHUANG Rong，et al.Metro and light rail[M].Beijing: China Communications Press,2006：40-55.(in Chinese))

[4]施仲衡.盾構在中國地鐵建設中的應用[J].建筑機械，2002(5)：20.(SHI Zhongheng.Application of shield machine in underground railway construction of China[J].Construction Machinery，2002(5)：20.(in Chinese))

[5]張恒，陳壽根，鄧稀肥.盾構掘進參數(shù)對地表沉降的影響分析[J].現(xiàn)代隧道技術，2010，47(5)：48-53.(ZHANG Heng，CHEN Shougen，DENG Xifei.Analysis of the influence of shield driving paramenters on ground settlements[J].Modern Tunnelling Technology，2010，47(5): 48-53.(in Chinese))

[6]井景鳳，王綜勇.砂卵石地層中某盾構區(qū)間過橋區(qū)段的方案優(yōu)化[J].隧道建設，2011，31(2)：208-214，227.(JING Jingfeng，WANG Zongyong.Optimization on design of shield-bored tunnel crossing underneath pile foundations in sandy gravel strata[J].Tunnel Construction,2011，31(2)：208-214,227.(in Chinese))

[7]錢新，黃雪梅.盾構下穿建(構)筑物控制沉降注漿技術研究與應用[J].現(xiàn)代隧道技術，2010，47(4)：85-89.(QIAN Xin，HUANG Xuemei.Study and application of grouting technology to control ground settlements caused by shield under-passing buildings and structures[J].Modern Tunnelling Technology，2010，47(4): 85-89.(in Chinese))

[8]JGJ 94—2008 建筑樁基技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.(JGJ 94—2008 Technical code for building pile foundations[S].Beijing：China Building Industry Press，2008.(in Chinese))

[9]馬運康.雙線盾構穿越建筑群風險分析與控制[J].隧道建設，2011,31(3)：391-395.(MA Yunkang.Analysis on and control of risks in shield boring underneath buildings[J].Tunnel Construction，2011,31(3)：391-395.(in Chinese))

[10]馬連從.富水砂卵石地層盾構施工渣土改良研究[J].隧道建設，2010,30(4)：411-415.(MA Liancong.Study on ground conditioning for EPB shield in water-rich cobble ground[J].Tunnel Construction，2010,30(4)：411-415.(in Chinese))

CountermeasuresforShieldCuttingandPassingUnderneathPilesofExistingPedestrianBridge

CHU Kejun,ZHAO Liang,XU Qian

(ChinaRailwayTunnelSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjing300133,China)

A shield-bored running tunnel of Line 2 of Shenyang Metro passes underneath the piles of an existing pedestrian bridge,and some of the piles have to be cut.In the paper,3D numerical simulation is established and analysis is made on the load-bearing capacity and structural deformation of the segment structure after the piles are cut; and accordingly the design is optimized and countermeasures,such as temporary support for the piles of the existing pedestrian bridge installed before the shield reaches,optimizing the shield boring parameters during boring,and simultaneous grouting and secondary reinforcing grouting,are taken.The monitoring shows that the pedestrian bridge keeps stable and the countermeasures taken are effective.

Shenyang Metro; shield; reinforcement; cutting pile; pedestrian bridge; deformation control; temporary support

2014-08-13;

2014-10-04

儲柯鈞(1982—)，男，江蘇丹陽人，2005年畢業(yè)于西南交通大學，土木工程專業(yè)，本科，一級注冊結構工程師，現(xiàn)從事隧道及地下工程設計工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.009

U 455.39

B

1672-741X(2014)11-1071-06