隔離樁加固施工對鄰近高鐵橋梁沉降變形的影響分析

盧克暉

中鐵十八局集團有限公司 天津 300222

在軌交交通修建過程中，不可避免會遇到多條線路相交的問題，新建鐵路線路施工對既有鐵路高架橋必然會產生一定的影響，為了確保既有鐵路運行的安全性，必須對既有鐵路高架橋橋墩和橋基進行加固[1-3]。

隔離加固手段是當前工程領域較為常用的一種施工手段，在大型基坑、橋梁基礎、鐵路隧道工程中的應用尤為普遍[4-7]。城市鐵路很多時候采用高架橋的形式穿越通過，因此新建軌道交通線路必然會對高鐵橋墩和基礎的穩定性及變形產生影響，采用隔離樁對既有鐵路橋梁及其基礎進行加固施工，成為當前工程領域較為常用的方式之一。

李杰[8]對盾構下穿高鐵橋群鉆孔灌注樁隔離加固技術進行了探討分析，認為當采用分批次對稱成孔灌注時能有效減小施工對高鐵橋群結構的影響；劉寶龍[9]通過數值分析法，研究了隔離樁施工對鄰近鐵路橋墩位移的影響，認為隔離樁澆筑施工會導致橋墩下沉，隔離樁加固后，水平位移較小；石舒[10]、林炳泉等[11]、唐黎斌等[12]則分別進行了隔離樁施工對橋梁樁基的影響，從不同角度闡述了隔離樁施工的可行性與必要性 。

本文在總結前人相關研究成果的基礎上，首先對隔離樁施工對既有鐵路高架橋橋墩和基礎變形的影響進行了數值模擬和實測結果的對比分析，然后對隔離樁施工順序對既有鐵路高架橋橋墩和基礎變形的影響進行了探討，得到了對橋梁基礎影響最小的施工工序。

1 工程概況

鄭州至濟南高速鐵路山東段某隧道下穿京滬高鐵高架橋，下穿段的地層從上到下依次為雜填土、黃土層、黏土層、粉質黏土層，穿越區地下水位埋深11.2～17.8 m，水位標高為24.2～30.2 m。為減小盾構施工對高架橋橋墩和基礎的影響，保證京滬高鐵的正常運營，決定采用隔離樁對橋樁基礎進行加固。

隔離樁與104#橋墩的距離大于30 m，與105#橋墩的最小距離為7.9 m，京滬高鐵高架橋連續梁的高度為6 m，隔離樁的樁長分別為30 m（10根）和36 m（42根），如圖1所示。

圖1 隔離樁與高架橋截面關系

2 數值模擬及現場監測

2.1 數值模擬概況

利用Midas GTS軟件建立三維實體模型（圖2）。由于穿越區土層大部分為黏性土，故計算分析時采用摩爾-庫侖本構模型模擬土體與樁基的相互作用，采用彈性本構模型模擬橋梁樁基、承臺、橋墩和隔離樁；使用三維實體單元進行填充封閉區域的模擬（如土層、承臺、橋墩以及隔離鉆孔樁），使用梁單元模擬橋梁樁基，使用節點耦合模擬設置接觸單元。

圖2 有限元三維實體模型

樁界面參數為：剪力0.000 18 kN/mm2、切向剛模0.000 2 kN/mm3、法向剛模0.02 kN/mm3、黏聚力100 kPa、摩擦角15°；樁端界面參數分別為：樁端承載力7 000 kN、樁端彈簧剛度250 kN/mm；土體容重2.1×10-8kN/mm3、初始孔隙比0.5、滲透系數0.01 mm/s。模型尺寸為：長80 m、寬50 m、深60 m。各土層物理力學參數及各結構參數見表1和表2。

表1 各土層物理力學參數

表2 各結構力學參數

2.2 現場監測概況

采用NET05全站儀、AMS自動變形監測軟件、通信傳輸系統等構建自動監測系統，對隔離樁施工過程橋墩及基礎的位移變形進行24 h監測。

觀測點布置方式為：每個橋墩4個豎向位移觀測點（墩頂和墩身各2個）、2個水平觀測點，橋墩間梁低兩端各布置一個渠底觀測點，后視點遠離施工區域，距觀測墩約90 m（圖3）。

圖3 現場觀測點布設

3 結果分析

3.1 沉降分析

對橋墩和樁基的沉降模擬值和實測值進行統計分析，得到兩者的沉降對比曲線（圖4）。

圖4 沉降結果分析

從圖4中可以對比看到：橋墩結構的沉降量從上往下依次遞增，即橋墩＜上承臺＜下承臺＜樁基，橋墩的最大沉降值為1.35 mm，樁基的最大沉降值為1.68mm；靠近隔離樁施工區域的橋墩和樁基沉降值大于后排的沉降值，即JS5＞JH5＞JX5，JS5的最大沉降值為1.35 mm，JX的最大沉降值為1.17 mm；同一水平線上的沉降變形相差較大，同一豎直方向的沉降變形基本相同，表明橋墩在垂直方向發生了豎條狀的細微變形；從模擬沉降結果與實測結果的對比可知，實測曲線和模擬曲線基本吻合，兩者相差最大值僅為0.2 mm，可見本次模擬參數的選擇還是比較合理的。

3.2 y方向位移分析

對橋墩及樁基y方向的水平位移值進行了實測和模擬統計（圖5）。

圖5 y方向水平位移結果分析

從x方向位移情況可以看出，橋墩y方向位移值從上到下依次減小，且偏向隔離樁方向，墩頂最大位移值為0.27 mm；樁基y方向的位移值從上往下呈先增大后減小變化特征，即呈“C”字形變化，位移最大值出現在隔離樁長度處。

這表明隔離樁施工對周圍土體的影響隨著鉆孔深度的增加而增加，在孔底處對位移變形影響最大；樁基的y方向位移背離隔離樁方向，最大位移值為0.3 mm；模擬值與實測值基本吻合，變化趨勢基本一致，最大相差值為0.23 mm；與沉降值表現一樣，越靠近隔離樁施工區域的橋墩和樁基的y方向位移值越大。

3.3 x方向位移分析

對橋墩及樁基x方向的水平位移值進行了實測和模擬統計（圖6）。

圖6 x方向水平位移結果分析

從x方向位移情況可以看出，橋墩墩頂處的x方向位移最大，樁基的外側位移值大于內側位移值；JS5的最大位移為正值（0.26 mm），而JH5和JX5的最大位移為負值，分別為－0.20 mm和－0.25 mm；模擬值與實測值吻合度較高，最大相差值僅為0.07 mm，再次說明本文模擬參數選擇的合理性、模擬結果的可靠性。

4 施工順序對橋墩的影響

為了進一步對隔離樁施工對橋墩的影響進行評估，對不同隔離樁施工順序（施一隔三、施一隔五、施一隔七以及施一隔五對稱跳樁施工）條件下的沉降及位移變形進行了模擬分析（模擬參數仍采用第3節參數），結果如圖7所示。

圖7 不同施工順序對橋墩沉降位移的影響

從圖中可以對比看到：在不同的隔離樁施工順序影響下，隨著隔離樁施工間隔的增大，累積沉降值逐漸減小，采用施一隔五對稱跳樁施工時，累積沉降值最小，平均累積沉降量僅為1.03 mm；在施一隔三施工順序下，對橋墩y方向的位移值影響較大，此時位移值約為其他施工順序的1.5～2.0倍；不同施工順序對x方向的位移值影響不大；不同施工方式下，均為JS5橋墩的沉降位移最大，與上文分析結果一致。

綜上認為：施一隔五對稱跳樁施工對橋墩的影響最小且對已施工隔離樁的影響也最小，故推薦使用施一隔五對稱跳樁施工順序進行隔離樁施工。

5 結語

1）橋墩的沉降值從上往下依次遞增，即橋墩＜上承臺＜下承臺＜樁基；越靠近隔離樁的橋墩和樁基，沉降值越大。

2）橋墩樁頂的水平位移值最大，樁基y方向位移值呈“C”字形變化，且內側位移值小于外側位移值。

3）施一隔五對稱跳樁施工對橋墩的影響最小且對已施工隔離樁的影響也最小，建議在實際工程中使用；相關研究成果可為盾構施工穿越既有鐵路橋梁樁基的加固施工提供借鑒。