基于雙層永久襯砌結構的樁基托換施工力學行為研究

胡瑞青,戴志仁,王立新,崔玉龍,李儲軍

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室,西安 710043)

引言

隨著城市軌道交通線網的逐步加密[1-3]，遠期地鐵線路建設時，受既有線限制與周邊環境影響，在線路走向與敷設方式、空間關系與結構形式以及施工方法與工程措施等方面提出了極其苛刻的要求[4]。在既有線占據城市主要地下廊道后，地面建(構)筑物樁基侵入隧道現象將愈加頻繁。針對地鐵隧道下穿橋梁樁基的托換技術及施工力學行為，國內外眾多專家學者進行了深入而廣泛的探討，并取得了豐碩的研究成果。徐前衛等[5]依托某地鐵區間下穿橋群樁基礎工程，研究了擴大板式基礎托換以及盾構機直接切樁的施工方案。鄧濤等[6]以盾構隧道穿越橋梁的樁基主動托換工程為背景，分析了在不同頂升荷載作用下復雜超靜定結構的內力與位移響應，研究成果可為后續類似樁基托換工程提供寶貴的決策依據和技術指導。周濟民[7]針對既有橋梁結構的形式、周邊環境及現場作業空間等，提出了樁基托換及盾構直接切樁的施工方案。

通過調研，國內外日益增多的樁基托換工程多數采用樁式托換[8-15]，而受現場條件和周邊環境等影響，常規樁梁式托換體系可能無實施條件或施工難度較大，因此，基于隧道襯砌結構的洞內群樁基礎托換技術應運而生。宋南濤等[16-20]對隧道襯砌結構托換群樁基礎施工工藝進行了研究與應用，而對群樁基礎洞內托換施工過程中變形特性及受力機理等的空間施工力學行為鮮有報道，本文運用有限元程序，分析研究基于雙層永久襯砌結構的橋梁樁基托換施工力學行為，以期為后續類似工程提供嶄新的設計理念和施工工藝。

1 工程概況

西安地鐵1號線二期張家村站—后衛寨站礦山法區間下穿太平河段，右線礦山法隧道洞門管棚施工時，管棚鉆進至10.6 m長度時遇到障礙物，因此對太平河基礎資料重新調查，太平河河床結構為漿砌石+混凝土，河床兩側存在跨河橋的樁基，其中，太平河主道樁基礎墩2座，每座墩布置4根摩擦樁，輔道樁基礎墩2座且每座墩布置3根摩擦樁，樁徑均為1.0 m，樁長20 m，橋跨結構為70 cm厚預制板梁(簡支梁結構)，經現場實測，本段區間左線兩根橋樁侵入隧道二襯約0.6 m，右線兩根橋樁侵入隧道二襯分別為2.3 m和0.2 m，太平河橋樁基與礦山法區間隧道平面位置關系如圖1所示。

圖1 太平河橋樁基與礦山法隧道平面位置關系示意

受場地條件與周邊環境限制，常規樁梁式托換體系無實施條件，且為降低施工成本，減少施工周期，采用雙層永久襯砌結構的樁基托換體系，避免了常規樁梁式托換體系實施期間，噪聲大、占地大，以及管線的改遷工作。礦山法區間下穿太平河橋樁托換段剖面如圖2所示。

圖2 礦山法區間下穿太平河橋樁托換段剖面

2 樁基托換施工工藝

2.1 結構設計支護參數

太平河橋樁侵入地鐵隧道結構處采用在地鐵隧道二襯外側設置一層800 mm厚直墻圓拱鋼筋混凝土襯砌，對橋樁進行托換。托換襯砌的外襯為初期支護，由網噴支護與鋼拱架等支護型式組成，托換襯砌與地鐵隧道二襯之間鋪設防水層。

托換襯砌段斷面采用“CRD”法施工。采用鋼筋網、噴射混凝土、格柵鋼架及超前支護聯合作為初期支護，施工時輔以臨時支護，斷面變化處以堵頭墻銜接，過渡段采用素混凝土回填，托換襯砌段隧道開挖前采用上半斷面超前小導管注漿預加固地層，加固段長度為8 m，對于隧道上方橋臺下預埋袖閥管，根據監測情況進行補償注漿。樁基托換段隧道支護參數如表1所示。

表1 托換襯砌段斷面支護設計參數

2.2 樁基托換施工工藝

基于雙層永久襯砌結構的樁基托換體系主要施工步驟如下，樁基托換段施工工序如圖3所示。

圖3 樁基托換段施工工序示意

(1)礦山法施工

樁基托換段暗挖斷面采用CRD法施工，施工時應遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的基本工藝。施工組織計劃和施工工序，必須嚴格遵守“先排管，后注漿，再開挖，注漿一段，開挖一段，支護一段，封閉一段”的原則進行。每步開挖后，及時施做初期支護和臨時支護，嚴格控制每循環的進尺長度0.5 m，每步臺階長度不宜過長，以3～5 m為宜，以便盡早封閉斷面。

(2)植筋

在橋梁樁基上與托換襯砌結構接觸位置處等角度植入鋼筋(橋樁一周10根)，植筋要求如下：植入鋼筋為φ22 mm，單根長度為1 000 mm，植入深度為350 mm>15d(d為鋼筋直徑)；植筋鉆孔直徑為28 mm；鉆孔應注意避免截斷原結構內部鋼筋；鉆孔后孔內殘渣及粉塵應清理干凈；水平方向植筋時，植筋施工應交錯進行。

(3)澆筑托換襯砌和洞內斷樁

太平河橋樁托換段初支施工完成，待標準段上半斷面開挖進尺3 m后，封閉掌子面，施做橋樁托換襯砌，待托換襯砌達到設計強度后，方可繼續向前開挖，且待橋樁托換襯砌施做完成達到設計強度后，再鑿出侵入地鐵襯砌結構樁基及臨時支撐。

3 模型建立

3.1 計算模型

運用巖土與隧道有限元分析軟件MIDAS GTS，建立三維有限元模型，對基于雙層永久襯砌結構的橋梁樁基托換體系的施工力學行為進行分析。根據圣維南原理，有限元模型基本尺寸為40 m×70 m×35 m(x×y×z)，模型邊界滿足與隧道凈距大于3倍洞徑的要求。地層從上至下依次為雜填土、黃土狀土、細砂、中砂及粗砂，隧道拱頂覆土厚度10.7 m。地層、托換襯砌、二襯及橋梁上部結構均采用3D實體單元模擬，初期支護采用2D板單元模擬，橋樁基采用1D梁單元模擬，同時考慮灌注樁與周圍地層之間的摩擦接觸性質，樁土間采用樁界面單元。計算模型四周采用橫向約束邊界條件，底部采用固定邊界條件，頂面采用自由變形邊界。太平河橋-暗挖隧道-地層整體有限元模型如圖4所示，太平河橋與暗挖隧道的空間相對位置關系如圖5所示。

圖4 太平河橋-暗挖隧道-地層有限元模型(單位：m)

圖5 太平河橋與暗挖隧道空間位置關系

3.2 計算參數

托換襯砌、二襯、初期支護及橋梁結構等結構材料采用線彈性本構模型，土體采用修正摩爾-庫倫本構模型，超前小導管注漿預加固采用等效地層加固方式[16]，土體、支護結構及橋梁結構的物理力學參數如表2所示。

表2 土體及結構物理力學參數

3.3 暗挖隧道施工模擬及計算工況

淺埋暗挖隧道施工工序復雜，包括掌子面開挖、噴錨支護、澆筑二次襯砌及拆除臨時支撐等，考慮到隧道施工的時空效應，開挖支護過程采用單元“激活”“鈍化”控制法模擬，且隧道開挖的時空效應采用應力釋放系數進行模擬，即首先鈍化開挖的土體單元并對開挖輪廓線上的地層進行應力釋放，隨后激活支護結構，完成剩余應力的釋放。

結合工程具體情況，計算中假定：隧道開挖荷載釋放30%，然后施做初期支護，當開挖荷載釋放50%時，澆筑托換襯砌，而二襯作為安全儲備不在計算中體現出來[20-21]。

根據礦山法隧道施工開挖面的不同位置，沿隧道暗挖施工方向選取了若干主要施工階段作為計算工況，如圖6和表3所示。

圖6 暗挖隧道施工掌子面位置

編號計算工況R(L)T-Step1右/左線擴挖段AR(L)T-Step2右/左線托換段A-樁身外露R(L)T-Step3右/左線托換段A-托拱及切樁R(L)T-Step4右/左線擴挖段BR(L)T-Step5右/左線托換段B-樁身外露R(L)T-Step6右/左線托換段B-托拱及切樁R(L)T-Step7右/左線隧道貫通

4 結果分析

4.1 隧道施工橋跨結構變形分析

考慮到隧道施工的空間效應[21]，分析橋跨結構變形時，選取近隧道側橋跨結構縱向及橫向一系列特征點，橋上部結構監測斷面布置示意如圖7所示。

圖7 橋跨結構監測斷面布置示意

主道和輔道典型施工工況下隧道正上方橋跨結構縱向沉降曲線如圖8所示。橋跨結構特征點主要施工階段沉降值如表4、表5所示。由計算結果可知，礦山法隧道施工對主道和輔道橋跨結構的影響規律基本相同，且橋樁基礎均位于隧道開挖引起的沉降槽之內，橋跨結構沉降變形疊加效應顯著，左線隧道開挖引起輔道上部結構沉降約占累計總沉降量10%，右線隧道開挖引起主道橋跨結構沉降約占累計總沉降量20%；隧道樁基托換段土方開挖過程中，樁基出露施工階段引起的橋跨結構沉降值占總沉降量的23%～30%，為隧道襯砌結構洞內托換群樁基礎施工的關鍵工序，因此樁基托換施工過程中應予以重點關注。由于右線隧道托換段A處樁體開挖暴露長度較短，樁基側摩阻力即樁基承載力損失較小，故該托換段拱頂正上方橋跨結構在樁基外露過程中沉降變形占比相對較小，因此對于部分侵入隧道內的樁基，應盡量利用既有的樁基承載體系，少破除樁基，以減小橋梁結構沉降變形。

圖8 不同施工步監測斷面沉降曲線

表4 不同施工步輔道橋跨結構特征點沉降值

表5 不同施工步主道橋跨結構特征點沉降值

圖9 左右線隧道貫通監測斷面沉降曲線

隧道貫通后主道和輔道橋跨結構橫向沉降曲線如圖9所示，橋跨結構特征點沉降極值如表6所示。由計算結果可知，橋跨結構及墩臺最大沉降變形均緊鄰隧道一側，主道和輔道橋跨結構最大不均勻沉降分別為1.98 mm和1.74 mm，由不均勻沉降引起的主道和輔道橋面最大橫向傾斜度分別為0.11‰和0.14‰。

表6 隧道貫通后橋跨結構特征點沉降極值

礦山法隧道貫通后橋梁結構沉降變形云圖如圖10所示。由圖10可知，橋梁結構沉降變形最大值位于緊鄰隧道一側的拱頂正上方，由于輔橋托換段B處較托換段A處樁基側摩阻損失較大，故輔橋沉降最值區域偏向托換段B側。

圖10 暗挖隧道貫通太平河橋沉降云圖

綜上所述，基于雙層襯砌的樁基托換體系施工過程中，樁基外露施工階段引起的橋梁結構沉降變形較大，因此，除盡量利用原有承載體系，少破除樁基外，應及時施做托換襯砌實現樁基荷載的有效傳遞，豎向承載體系的快速轉換是控制沉降變形的有效措施。

隧道超前支護可改善加固圍巖，充分調動部分圍巖的自承載能力，且可以提高樁基側摩阻力，降低樁基托換段施工引起的橋梁結構沉降變形。因此結合現場條件和周邊環境，托換襯砌段隧道開挖前采用上半斷面超前小導管洞內注漿預加固地層，洞內注漿超前加固圍巖后暗挖隧道施工對橋樁基礎及橋跨結構的沉降變形影響規律基本相同，僅在量值上大幅降低。隧道周圍地層加固前后橋跨結構特征點沉降變形極值(隧道貫通)如表7所示。由表7可知，經洞內注漿加固周圍地層后，橋跨結構特征點沉降值(隧道貫通)減少約20%，超前支護加固效果顯著。

表7 隧道周圍地層加固前后橋跨結構特征點沉降變形

4.2 托換襯砌主應力分析

典型施工階段樁基托換節點區域襯砌結構主應力如表8和圖11所示，隧道洞通后樁基托換節點區域襯砌結構最大主應力云圖如圖12所示。由計算結果可知，樁基托換節點區域均產生明顯的應力集中現象，且托換節點處襯砌結構主應力隨隧道施工進度呈遞增趨勢。隧道貫通后托拱結構在樁基節點區域最大主壓應力為4.28 MPa，遠小于混凝土的軸心抗壓強度設計值，托拱結構在樁基節點區域出現局部拉應力，最大主拉應力為2.45 MPa，大于混凝土的軸心抗拉強度設計值，故樁基托換節點處托拱結構應適當加厚并增加配筋量，以滿足結構強度要求。輔橋樁基托換段A處樁基開挖暴露長度較短(即樁基側摩阻力損失較小)，襯砌結構最大主拉壓應力相較其他樁基托換節點區域較小，對托拱結構受力有利。

表8 樁基托換節點區域襯砌結構主應力 MPa

圖11 不同施工階段樁基托換節點區域襯砌結構主應力

圖12 隧道貫通樁基托換節點處襯砌結構主應力云圖

洞內預注漿加固地層前后樁基托換節點區域襯砌結構主應力如表9所示。由表9可知，地層加固后樁基托換節點區域襯砌結構主應力得到較大幅度降低，降低幅度為17%～25%。

表9 洞內注漿加固前后樁基托換節點區域襯砌結構主應力

5 結論與建議

以西安地鐵1號線礦山法區間下穿太平河橋工程為背景，運用有限元程序分析研究了基于雙層永久襯砌結構的橋梁樁基托換空間施工力學行為，主要結論如下。

(1)受場地條件限制與周邊環境影響，常規樁梁式托換體系往往無實施條件，而基于雙層永久襯砌結構的橋梁樁基托換體系具有環境影響小、托換體系安全可靠，最大程度避免了常規托換體系施工環境影響大(振動、噪聲及粉塵等)、施工成本高及受力體系復雜等弊端，該施工技術可為后續類似工程提供寶貴的決策依據和技術指導。

(2)礦山法隧道施工過程中，樁基暴露側摩阻力損失，該施工階段對橋跨結構沉降變形影響較大，占橋跨結構累計總沉降量23%～30%，為隧道襯砌結構洞內托換群樁基礎施工的關鍵工序，因此，樁基托換施工過程中應予以重點關注。

(3)基于雙層永久襯砌結構的橋梁樁基托換體系在完成豎向承載體系的有效轉換后樁基托換節點區域托拱結構產生明顯的應力集中現象，因此，樁基托換節點處托拱結構應適當加厚并增加配筋量,以滿足結構強度要求。

(4)基于雙層永久襯砌結構的洞內托換群樁基礎施工過程中樁基開挖暴露長度愈短，施工引起的橋跨結構沉降變形及樁基托換節點區域主應力值愈小，因此樁體應盡可能利用原有的承載體系，減少樁體的截除。

(5)礦山法隧道下穿橋樁段隧道開挖前進行洞內預注漿加固，提高了圍巖和樁基的自承載能力，大幅度降低了橋跨結構沉降變形(約降低20%)及托拱結構的受力(降低17%～25%)，同時暗挖隧道施工前宜在橋臺下方預埋袖閥管，暗挖隧道施工過程中根據監測情況，若橋臺沉降達到報警值應及時進行地面跟蹤注漿，以確保橋梁結構安全。