小半徑曲線疊落盾構隧道下穿京滬高鐵隔離樁設置參數研究

吳 鎮,張秀山,王 磊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,濟南 250022)

引言

隨著我國高速鐵路和城市軌道交通建設的飛速發展，不同交通形式的空間交叉問題將會越來越多，城市軌道交通隧道下穿既有高速鐵路是其中一類典型工程[1-3]。高速鐵路具備高速、高平順性等特點，為確保高速列車運行安全、舒適，提出可靠有效保護措施，以最大限度地減小下穿施工對高鐵線路運營的影響，并為實際施工和線路運營提供借鑒和參考，具有十分重要的理論和實踐意義。

隔離樁是盾構隧道穿越建(構)筑物基礎防護的常用方法[4-5]，國內學者針對隔離樁對高速鐵路保護效果開展了現場試驗[6-7]、數值計算[8-14]研究和分析，研究成果對盾構隧道下穿既有建(構)筑物具有重要指導意義。但已有研究多針對某一特定地層條件下的具體工程，得出的研究成果應用范圍相對單一，不具有普遍適用性，且下穿工程中盾構隧道多處于直線地段。從研究深度來看，主要采用工程類比法確定最終設計方案，帶有濃厚的經驗和不確定性，科學性不高。因此，結合本工程實際，小半徑曲線疊落隧道下穿京滬高鐵隔離樁合理設計參數尚需進一步研究和探討。

以濟南軌道交通R1線小半徑曲線疊落盾構隧道下穿京滬高鐵為工程背景，通過FLAC3D數值模擬、模型試驗和現場實測等手段，研究分析了隔離樁設計參數對橋樁變形的影響規律，從而提出滿足京滬高鐵變形控制要求及經濟合理的設計參數。

1 工程簡介

1.1 工程概況

濟南軌道交通R1線王府莊站～大楊莊站區間盾構隧道下穿京滬高鐵(40+64+40) m預應力連續梁橋，京滬高鐵此段為左右正線、京濟下行聯絡線、京濟上行聯絡線，橋下采用低承臺群樁基礎。R1線盾構隧道左、右線呈疊落狀態，由104號與105號橋墩間斜穿京滬高鐵高架橋。下穿京滬高鐵段區間左、右線盾構隧道覆土厚度分別為28.35，19.22 m，隧道外徑6.4 m、內徑5.8 m，管片襯砌厚0.3 m。下穿段左線隧道主要處于粉質黏土層和1卵石層，右線隧道主要處于⑩粉質黏土和⑩2細砂層。區間左線隧道與104號橋墩樁基最小凈距為10.45 m；右線隧道與105號橋墩樁基最小凈距為10.84 m。見圖1。

勘察揭露下穿京滬高鐵段地下水主要為潛水和承壓水。潛水含水層主要為⑩粉質黏土層和粉質黏土層，水位埋深12.9 m。承壓水含水層主要為⑩2細砂和1卵石，承壓水水頭線位于地面下約15.4 m，水頭高度達4.4 m。

1.2 變形控制標準

根據我國高速鐵路現行規范[15]，高速鐵路無砟軌道工后沉降應符合扣件調整能力以及線路豎曲線圓順性的要求，不宜超過15 mm。隧道下穿橋梁變形穩定后，考慮到橋梁在隧道下穿之后的服役期內尚有部分預留變形量，結合專家評審意見及橋梁的工作狀態，最終確定由隧道下穿引起的橋梁水平及沉降控制值標準統一按照1.0 mm進行考慮。

1.3 隔離樁設計方案

盾構隧道開挖會擾動周圍土體，進而造成京滬高鐵橋的變形。為減小開挖過程對橋樁的附加變形，保證隧道結構與高鐵橋的整體穩定，根據R1線與R2線的交叉位置關系，并結合前人研究成果[11]，提出隔離樁折線形布設方案。隔離樁樁徑為0.8 m，間距為1.2 m。隧道開挖前預先在隧道兩側區域施作隔離樁，起到預先隔離橋樁的作用，然后進行盾構掘進。隔離樁(即鉆孔灌注樁)的布設方案如圖1所示。

1.4 監測點編號

為便于數值計算、模型試驗及現場監測各監測點變形值的表達，對橋墩、橋樁、隔離樁及承臺角點進行統一編號，詳見圖2。

圖2 承臺及樁監測點編號示意

2 數值模擬計算

2.1 模型建立及參數選取

2.1.1 建模原則

(1)采用FLAC3D有限差分軟件進行三維數值模擬，主要模擬分析不同設置參數的隔離樁在隧道盾構施工過程中對橋樁及承臺影響的改善效果，模型沿隧道縱向取100 m進行建模；

(2)計算模型中巖土體的參數采用勘察報告中提供的實測參數；

(3)橋樁及隔離樁使用樁(pile)單元模擬，模型其他部分均采用實體建模；

(4)不考慮地下水的影響。

2.1.2 模型尺寸及網格劃分

根據隧道所處的實際位置建立模型，考慮邊界效應的影響，模型X向取160 m，Y向取100 m，豎向Z向取60 m。網格劃分以適應隧道形狀和樁體位置的需要為原則，盡量使網格接近平行六面體。模型共有112 576個網格和119 938個節點。建立的模型如圖3所示。計算模型中各地層物理力學參數見表1。

2.2 數值模擬方案

為了研究盾構施工過程中不同隔離樁樁長、樁間距等設置參數對于減小施工引起橋樁影響的效果，擬定數值分析的計算方案見表2。

表1 地層物理力學參數

圖3 計算模型

表2 數值分析計算方案

2.3 計算結果及分析

2.3.1 地表沉降變形分析

圖4顯示地表沉降最大值均出現在橋樁連線中心線附近，提出5種隔離樁樁長方案，探討不同長度的隔離樁對地表沉降的控制效果。隨著樁長增加，能有效減小地表沉降，但隨著樁長的增加，地表沉降減小趨勢逐漸變緩；樁長39 m方案與樁長43 m方案沉降槽曲線基本重合，說明隔離樁樁底位于隧道下方4 m位置處，隔離效果較好，隔離樁樁長繼續增加，隔離效果增加不明顯。樁長39 m、不同樁間距情況下地表沉降圖顯示，樁間距越小隔離效果越好，但當樁間距減小至1.2 m時，隔離效果改善已不明顯，這主要是由于樁間土拱效應影響。

圖4 地表沉降變形曲線

2.3.2 承臺沉降變形分析

由圖5可以看出，承臺最大沉降點位于105-1#的43號角點，隨著隔離樁樁長的增加，各個角點的沉降值有所降低；隔離樁樁間距增大，角點沉降相應增大。當樁間距由1.6 m減小至1.2 m時，承臺豎向沉降減小了7.1%；當樁間距由1.6 m減小至1 m時，承臺豎向沉降減小了8.4%。樁長由28.6 m增加至39 m時，承臺豎向沉降減小了26.5%;樁長由28.6 m增加至43 m時，承臺豎向沉降減小了30.6%。由于存在樁間土拱效應，隔離樁樁間距對隔離效果影響較小。隔離樁樁長對承臺沉降保護效果明顯，樁長39 m與樁長43 m兩種情況下，承臺沉降相差不大，說明當樁長增加至39 m時，保護效果隨樁長的增加逐漸減弱。

圖5 承臺沉降變形曲線

2.3.3 承臺水平位移分析

由圖6可以看出，承臺最大橫橋向水平位移處于105-1#的43號角點，隨著隔離樁樁長的增加，各個角點的橫橋向水平位移值有所降低；隔離樁樁間距增大，角點橫橋向水平位移相應增大。隔離樁身發生指向隧道的位移，樁長越長位移量越小。當樁間距由1.6 m減小至1.2 m時，承臺橫橋向水平位移減小了8.6%；當樁間距由1.6 m減小至1 m時，承臺橫橋向水平位移減小了10.0%。樁長由28.6 m增加至39 m時，承臺橫橋向水平位移減小了17.9%；樁長由28.6 m增加至43 m時，承臺橫橋向水平位移減小了23.1%。

圖6 承臺橫橋向水平位移曲線

由圖7可以看出，承臺最大順橋向水平位移處于104#的12號角點，隨著隔離樁樁長的增加，各個角點的順橋向水平位移值降低；隔離樁樁間距增大，角點順橋向水平位移值增大。隔離樁效果隨著樁間距、樁長增加提高均勻。

結合不同樁長、不同樁間距條件下地表沉降變形、承臺豎向沉降、承臺橫橋向水平位移及順橋向水平位移規律可知：隨著樁長增加、樁間距減小，地表及承臺變形值均減小，當樁間距減小至1.2 m、樁長增至39 m時，隔離效果提高不明顯。因此，隔離樁樁間距、樁長分別設置為1.2，39 m較為合理。

圖7 承臺順橋向水平位移曲線

3 模型試驗

針對隔離樁樁間距1.2 m、樁長39 m設計工況進行模型試驗，驗證隔離樁隔離效果，并預測橋梁承臺變形。

3.1 模型參數的確定

隧道開挖涉及總寬度為23.9 m，可確定隧道開挖影響范圍為96 m左右，取100 m。基于相似理論并根據試驗系統的尺寸條件，最終確定此次模型試驗的幾何相似比Cl=50。容重相似比Cγ=1∶1；強度、黏聚力和彈性模量相似比Cσ=Cc=CE=50∶1；泊松比、應變和內摩擦角相似比Cε=Cu=Cφ=1∶1；位移相似比Cδ=50∶1。

本次相似模擬實驗容重相似比Cγ=1∶1，根據現場測得的主要研究區域土層的密度和容重相似比計算得到相似材料密度要求在1.91～2.12 g/cm3。結合取材和試驗難度，本次相似材料選為粉質黏土、河沙、卵石。按照相似比，由地層參數表1，得出相似模擬地層設計參數(表3)。

表3 相似模擬地層設計參數

在制作土層模型時根據模擬含水率計算加入適量水，以模擬黃土層、粉質黏土層、粉質黏土層和黏土層，再摻入適量河砂和卵石來模擬細砂層和卵石層；雜填土層使用實驗室土料直接模擬；中風化石灰巖層處于最底部且不為持力層，因此使用砂子、水泥、石膏澆筑滿足尺寸要求即可。

橋樁及隔離樁為試驗研究重點，因此要在滿足幾何相似比的同時，滿足彈性模量相似比CE=50，以達到相似的變形效果，根據橋樁及隔離樁材料算得試驗材料彈性模量應在600～700 MPa。結合取材和試驗難度，本次相似材料選為：河砂、水泥和石膏。根據相似材料配比試驗，用于模擬橋樁及隔離樁的砂子、水泥和石膏質量配比為1∶0.8∶0.2。

盾構施工中管片是支護的重要結構，其彈性模量為200 GPa，結合本次相似模擬實驗的彈性模量相似比CE=50，得出所需模擬管片的材料彈性模量為4 GPa，結合實驗經驗采用最為接近的PVC管模擬管片。

3.2 模型試驗裝置及試驗實現

本試驗利用課題組研制的城市地下空間工程試驗系統(圖8)模擬盾構開挖隧道，該試驗系統可以實現真三維加載。采用壓實填筑法制作三維模型，其基本流程如下：

(1)按材料配比試驗所得配比稱量配置材料，并用攪拌機均勻攪拌材料；

(2)在試驗臺架內由下往上分層攤鋪材料，并逐層遍布地壓實材料至所需密度，注意要保證攤鋪均勻；

(3)按要求高程打設橋樁及隔離樁，樁周區域分層壓實，直至模型頂部；

(4)在模型頂部布置位移計，以監測地表沉降和橋墩沉降。

模型制作完成后的照片如圖9所示。

模型制作完畢后靜置3 d，使土體在重力作用下完成自然沉降，將預先布好的應變片以及位移計連接到數據采集儀，在開挖前采集記錄初始狀態的數據，隨后按照先R1左線后R1右線的順序進行開挖，在左線及右線穿越完成時分別采集記錄數據，最后進行數據匯總分析。

圖8 模型試驗裝置

圖9 模型制作照片

3.3 試驗結果及分析

根據圖10可得，左右線隧道穿越完成時地表最大沉降均在橋樁連線中心附近，由幾何相似比Cl=50可得：最大沉降為4.65 mm，左線穿越完成時中心左側地表沉降較大，而右線穿越完成時中心右側地表沉降較大，符合影響規律。測量數據顯示，承臺最大沉降點出現在105-1#橋墩位置處，最大沉降值為0.5 mm，104#承臺沉降值為0.45 mm，滿足變形控制標準。

由圖10(b)、圖10(c)可以看出，隔離樁變形普遍大于橋樁變形，這也反映了隔離樁在減小施工對既有結構影響方面有一定效果，證明了工程中打設隔離樁的方法是行之有效的。

圖10 地表沉降及樁身水平位移曲線

4 監測數據分析

本工程采用AMS全自動監測系統對京滬高鐵變形進行了實時監測。該系統主要包含NET05自動全站儀和AMS自動變形監測軟件。系統可在無操作人員干預條件下實現自動觀測、記錄、處理、存儲、變形量報表編制和變形趨勢顯示等功能。

4.1 京滬高鐵橋墩沉降的影響

盾構穿越階段京滬高鐵上行聯絡線施工期間各橋墩沉降時程曲線如圖11所示。

圖11 上行聯絡線橋墩累計沉降時程曲線

從圖11可以看出：盾構穿越施工階段，103#、106#橋墩離施工區域較遠，累計沉降基本未超過-0.1 mm；104#、105#橋墩沉降波動較大，最終沉降量最大的為105-1#橋墩，累計最大沉降量為0.3 mm。

4.2 京滬高鐵橋墩橫向水平位移的影響

盾構穿越施工階段京滬高鐵上行聯絡線施工期間各橋墩橫向水平位移時程曲線如圖12所示。

圖12 上行聯絡線橋墩橫向水平位移時程曲線

從圖12可以看出：盾構穿越施工階段，103#、106#橋墩離施工區域較遠，施工期間橋墩橫橋向水平位移最大未超過0.1 m；104#、105#橋墩橫橋向水平位移在左、右線穿越階段波動較明顯，但總體水平位移量較小，累計最大水平位移量出現在105-1#橋墩，位移量未超過0.3 mm。

4.3 京滬高鐵橋墩順向水平位移的影響

盾構穿越施工階段京滬高鐵正線施工期間各橋墩順向水平位移時程曲線如圖13所示。

圖13 上行聯絡線橋墩順向水平位移時程曲線

從圖13可以看出：盾構穿越施工階段，103#、106#橋墩離施工區域較遠，施工期間橋墩順橋向水平位移最大未超過0.1 mm；104#、105#橋墩順橋向水平位移在左、右線穿越階段波動較明顯，累計順橋向水平位移量最大的為105-1#橋墩，位移量為0.4 mm。

5 結論

(1)隨著隔離樁樁長增加、隔離樁樁間距減小，隔離樁保護效果越好，相應地表沉降、承臺沉降及承臺水平位移均減小。受隔離樁樁間土拱效應影響，隔離效果受樁長影響的敏感程度高于樁間距。

(2)結合隔離效果隨隔離樁樁間距變化規律，將樁間距取為1.2 m較合理；隔離樁樁長對增加隔離保護效果較為明顯，根據地表及承臺隨樁長的變形規律，并考慮到經濟性，隔離樁樁長設置為39 m較合理。

(3)通過數值計算分析，提出隔離樁合理設計參數為樁間距1.2 m、樁長39 m，模型試驗、現場監測數據揭示橋梁各項變形指標均未超過控制值1.0 mm，驗證了隔離樁設計參數的合理性。