盾構下穿滬杭高鐵高架橋設置圍護樁的效果分析

吳義明

(浙江象山宏潤建設集團股份有限公司,310004,杭州∥高級工程師 )

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盾構下穿滬杭高鐵高架橋設置圍護樁的效果分析

吳義明

(浙江象山宏潤建設集團股份有限公司,310004,杭州∥高級工程師 )

杭州地鐵1號線喬司北站—臨平高鐵站區間左、右線盾構先后近距離側穿滬杭高鐵高架橋墩,為減少盾構掘進施工對高鐵橋墩的影響,預先在隧道與被穿越高鐵橋墩間打設圍護樁。通過數值模擬和監測數據分析，證明預設的圍護樁可有效減少高鐵橋墩的沉降和水平位移。在實際工程中具有廣泛的應用。

地鐵隧道;高架橋墩;圍護樁;地基變形

Author′s address Zhejiang Xiangshan Hongrun Construction Group Co.,Ltd.,310004, Hangzhou,China

杭州地鐵1號線的盾構在杭州軟土地層中,順利穿越了大量建筑物,其中,杭州地鐵1號線喬司北站—臨平高鐵站區間(以下簡為“喬—臨區間”)盾構穿越高鐵高架橋施工是一大工程難點。該高鐵高架橋橋墩沉降及水平位移允許值僅為3 mm。經數值分析與研究,在該區間盾構下穿高鐵前,預先對盾構下穿高鐵段進行圍護樁加固,并在圍護樁頂部設置圈梁、系梁支撐,以減小盾構施工對臨近高鐵橋墩樁基的影響。

1 工程概況

杭州地鐵1號線18號盾構區間喬司北站—臨平高鐵站的左線、右線盾構先后于余杭高鐵樁號K37+410.91～K37+455.91、K37+423.16～K37+468.16旁側穿越余杭高鐵高架橋橋墩。該區間左右線下穿段的盾構隧道中心埋深為 11.7 m,線間距為 15 m,隧道外徑為 6.2 m、內徑為 5.5 m,管片襯砌厚0.35 m。下穿段盾構主要穿越土層為③2粉砂及③5砂性粉土。隧道左線距離余杭高鐵西側承臺樁基最小凈距為 6.16 m,隧道右線距離余杭高鐵東側承臺樁基最小凈距為 5.19 m,為減少盾構掘進施工對高鐵橋墩的影響,預先在盾構穿越段兩側(即隧道與高鐵橋墩間)各打設1排φ800 mm鉆孔樁及1排φ600 mm旋噴加固樁。旋噴加固樁與隧道間凈距為 1 m,在圍護樁樁頂設置圈梁,兩排圈梁間設置混凝土系梁支撐。盾構穿越高鐵段隧道與滬杭高鐵橋墩平面位置關系如圖1所示,縱剖面如圖2所示。

場地地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水、孔隙承壓水以及基巖裂隙水。淺層地下水屬孔隙潛水,主要賦存于表層填土及③1～③7層粉土、粉砂中,由大氣降水和地表水徑流補給,地下水位受季節影響較大。承壓含水層主要分布于深部圓礫層中,水量較豐富,隔水層為上部的淤泥質土和黏土層。承壓含水層頂板高程為-26.00～-24.82 m,隔水層頂板高程為-14.02～-15.12 m。承壓水頭上升高的水位埋深一般在地面下 6.0～10.85 m, 其高程為 -3.23～1.63 m,且水位呈年周期性變化。

盾構下穿段的余杭高鐵橋墩基礎為承臺樁基形式。樁基采用φ1.25 m鉆孔樁,樁底標高為-67.663 m和-67.163 m,承臺標高為 0.337 m和0.837 m,基礎、上部結構形式及承臺樁平面布置關系圖如圖3、圖4所示。

圖1 盾構下穿高鐵段隧道與高鐵橋墩相對關系平面圖

2 盾構側穿數值模擬

為減少盾構施工對高鐵橋墩的影響,分別對非阻隔(未設圍護樁)與阻隔(設圍護樁)條件下的施工情況進行建模分析。模型建立了左右線盾構隧道、端頭井及盾構穿越處西側和東側的橋墩承臺和樁基。模型示意圖如圖5、圖6所示。

計算模型通過“殺死”隧道內部土體并“激活”隧道管片來模擬盾構推進過程。計算結果表明,未設置圍護樁時橋墩變形較大。在隧道與臨近橋墩之間建立鉆孔樁及旋噴加固樁后,樁基的位移云圖如圖7所示。

圖3 余杭高鐵承臺及上部結構示意圖

圖4 余杭高鐵承臺樁位示意圖

圖5 計算模型平面圖

由圖7可知,盾構左右線側穿高鐵橋墩時,由于橋墩樁基形式為端承樁,故樁基沉降相對較小，樁基主要產生沿隧道方向的水平位移。以距離隧道最近的1號樁、2號樁作為分析對象,分別計算了未設置與設置圍護樁時1號樁、2號樁的沉降值、水平位移值,計算結果如表1所示。

表1 樁的沉降、水平位移表

圖6 計算模型局部示意圖

圖7 設置圍護樁后的樁基位移云圖

3 監測數據分析

3.1 正常推進情況

本工程左線側穿高鐵橋墩時,盾構各項參數設定均正常。設置左線盾構臨近橋墩沉降監測點E17和E18，左線盾構臨近橋墩水平監測點A13和A14。其中，E18和A13監測點直接布設于橋墩，且測點距離左線隧道最近，與隧道凈距為6.2 m。在盾構穿越的不同階段,橋墩的實際監測數據如表2所示。

表2 監測數據

由監測結果可知,在圍護樁結構作用下,盾構正常推進時,其側穿高鐵橋墩施工對樁基沉降、水平位移影響較小。

但如果盾構施工過程中施工參數設置不當，即使有圍護樁的隔離作用,也會影響高鐵正常運營。施工參數對盾構穿越施工的影響可總結為:

(1) 盾構穿越橋墩前,橋墩沉降、水平位移主要受盾構切口土壓設定的影響。土壓設定值偏高時將出現盾構切口前方橋墩隆起,橋墩向外發生水平位移的現象；土壓設定值偏低則會導致盾構切口前方橋墩沉降及橋墩向內發生水平位移。

(2)穿越過程中,橋墩受盾構擾動的影響較大。當盾構到達橋墩位置時,如大幅度進行糾偏以調整盾構姿態，將直接影響橋墩沉降及水平位移。

(3)穿越結束后,橋墩變形受同步注漿漿液凝結時間的影響。如同步注漿的漿液初凝時間長，則地面沉降相對較大,并使橋墩產生較大的水平位移。3.2 非正常推進情況

由于本盾構區間主要穿越的粉砂層含水量較大,故易出現螺旋機噴涌現象。這將造成較大的地面沉降。在盾構穿越前預先設置圍護隔斷樁將大大減少盾構掘進對高鐵樁基的影響。特別在非正常掘進過程中,隔斷圍護樁將對周邊土體起到有效的支護作用。

在喬—臨區間右線穿越高鐵的施工過程中,當盾構切口靠近加固區時，曾出現螺旋機噴涌現象(噴涌時間為2012年1月1日),導致無法有效保證盾構正面土壓平衡并控制盾構出土量,從而造成盾構周邊地面沉降累計達-16.62 mm。但由于隔斷圍護樁的作用及高鐵端承樁本身的受力特性,橋墩樁基變形較小,其樁基最大沉降僅-0.63 mm,最大水平位移僅-0.93 mm。

圖8、圖9為盾構穿越段監測點布置圖。

盾構螺旋機噴涌后，地面沉降及臨近承臺樁基的沉降情況如圖10所示，臨近承臺樁基的水平位移情況如圖11所示。

經分析,盾構正上方地面出現了較大幅度沉降,但在隔斷圍護樁外側的橋墩沉降、水平位移較小。

3.3 數據對比與討論

正常推進情況下橋墩水平位移監測點A13與A14在盾構切口穿越監測點時的位移監測值分別為0.85 mm與0.50 mm；非正常推進情況下,即

圖8 盾構穿越段監測點布置圖1

圖9 盾構穿越段監測點布置圖2

盾構機發生螺旋機噴涌后,盾構切口附近的橋墩水平位移監測點A11與A12的最大位移監測值分別達到0.95 mm與0.40 mm。可見，在圍護樁隔斷作用下,正常推進與非正常推進時橋墩水平位移都較小,而非正常推進情況下的橋墩水平位移相對較大。

圖10 地面與橋墩沉降監測數據曲線圖

圖11 橋墩水平位移監測數據曲線圖

正常推進情況下橋墩沉降監測點E17與E18在盾構切口穿越監測點時的沉降監測值為-0.33 mm、-0.54 mm;非正常推進情況下,即盾構機發生螺旋機噴涌后,盾構切口附近的橋墩沉降監測點E19、E20的沉降監測最大值達到-1.20 mm、-0.90 mm。可見在圍護樁隔斷作用下,正常推進與非正常推進時橋墩沉降都較小,非正常推進情況下的橋墩沉降相對較大。

4 結語

喬—臨區間盾構下穿高鐵高架橋工程的施工經驗可為類似工程提供參考。本文論述了盾構在粉砂性地層中側穿高鐵的重點技術措施，并對盾構下穿時的高鐵高架橋橋墩的沉降及水平位移等監測數據進行分析。分析結果表明，預設圍護樁可有效減少盾構掘進對高鐵橋墩的影響。

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Analysis of the Retaining Pile Construction in Shield Tunnel Crossing the Viaduct Piers on Shanghai-Hangzhou High-speed Railway

WU Yiming

During the construction of Hangzhou Subway Line 1, the shield tunnel from Qiaosibei Station to Linping High-speed Railway Station will cross under the viaduct piers of Shanghai-Hangzhou High-speed Railway within a close range. In order to reduce the influence of shield construction on viaduct piers of the high-speed railway, retaining piles are set between the tunnel and the viaduct piers in advance. This strengthening method has been verified by numerical modeling and monitoring data analysis, it shows that the preset retaining piles could effectively reduce the settlement and horizontal displacement of viaduct piers, and will be widely applied in practical engineering projects.

metro tunnel; viaduct piers; retaining pile; ground deformation

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.06.025

2014-07-12)