砂卵石地層盾構側穿高架橋樁基的施工控制技術*

王建偉

(1.中鐵十四局集團隧道工程有限公司, 250013, 濟南； 2.中鐵十四局集團有限公司， 250014, 濟南 ∥正高級工程師)

地鐵建設不可避免地近接或穿越既有的樁基、管線和隧道[1-3]，盾構下穿高架橋時會引發土體松動，導致土體初始平衡應力重新分布，因此難免會對橋梁樁基產生影響，而最主要的影響體現在承載力層面上。文獻[4]認為盾構下穿施工對樁基承載力的影響主要是由于水平位移及豎向位移增大等問題導致的。文獻[5]提出了一種樁基承載能力損失的計算方法，分析了樁基承載力損失的影響因素，主要包括土層力學性質、盾構施工控制水平、樁基初始荷載水平、樁底與盾構隧道頂部距離等。

本文以成都地鐵5號線科園站—高升橋站區間盾構側穿二環路高架橋為工程背景，提出與該工程相適應的4種加固保護技術。通過數值模擬探討了不同保護措施對變形的控制效果，并結合現場情況驗證了加固保護技術在雙洞近距離側穿樁基工程中的適應性。

1 工程概況

該工程的盾構隧道在Y(Z)DK26+700.000～750.000處側穿二環高架橋328#樁基及兩側副橋樁基。高架橋主橋樁基的直徑為1.5 m，樁長25 m；副橋樁基的直徑為1.2 m，樁長18.5 m。隧道外輪廓與樁基間的最小凈距約為1.139 m。區間隧道與建筑物的相對關系如圖1所示。

a) 隧道與主橋的樁基關系

b) 隧道與副橋的樁基關系

該場地在施工前為市政道路，交通繁忙。地層主要為第四系全新統人工填土層和第四系全新統沖洪積層的粉質黏土、黏質粉土、細砂及卵石層。盾構施工參數和土層物理力學參數分別如表1～2所示。

表1 盾構施工參數

表2 土層物理力學參數

2 盾構側穿高架樁基加固模擬分析

2.1 建立計算模型

為了保證既有構筑物的安全及區間隧道的順利施工，擬采取以下保護措施：對距離隧道水平間距3 m以內的樁基進行鋼管隔離樁施工；對施工影響范圍內樁基進行袖閥管預注漿加固。基于圣維南原理，充分考慮邊界效應的影響，采用計算軟件建立的三維模型如圖2所示。模型主體包括既有二環高架橋面、橋墩、承臺和樁基礎，以及科園站—高升橋站盾構區間。具體的計算范圍在x方向為144.2 m，在y方向為80.0 m，在z方向為60.0 m。

圖2 數值模擬模型

模型計算中，地面建筑物及盾構襯砌采用線彈性模型，地層土體采用摩爾-庫倫本構模型。根據科園站—高升橋站區間在詳細勘察階段的巖土工程勘察設計參數建議值，模型除了采用表2的參數外，還選取了結構體系物理力學參數,如表3所示。

表3 結構體系物理力學參數

2.2 盾構側穿高架橋樁基的模擬結果分析

為控制既有橋梁樁基的安全性，該工程采用了鋼管隔離樁、袖閥管注漿加固和洞內注漿加固等施工技術。本文選取無任何加固措施、洞內注漿加固、鋼管隔離樁加固、袖閥管注漿加固、綜合加固(同時采用上述3種施工技術)這5種情況的實施效果進行對比。

2.2.1 地表沉降對比分析

依據實際監測點位，本文選取3條地表測線進行觀測。如圖3所示，選取第1條測線(CX2)的觀測起點為M、終點為N，MN間長度為145 m，并選取CX2兩側各20 m的平行線CX1、CX3作為第2、3條測線。圖4為5種施工工藝下的各測線對應的地表沉降情況。從圖4可以看出，鋼管隔離樁加固、袖閥管注漿加固以及綜合加固3種技術引起的地表沉降出現兩處駝峰。CX1左側樁基存在地層加固，減緩了地表變形，使得盾構隧道左線駝峰大于右線；類似地，CX2的盾構隧道左右線均有地層加固，沉降峰值相差小；CX3出現右線駝峰大于左線駝峰的現象。

圖3 地表沉降的3條測線

a) CX1

b) CX2

c) CX3

由圖4可以看出，4種加固方案均有效改善了所加固區域附近地表的沉降變形。其改善效果呈現一定規律：洞內注漿加固<鋼管隔離樁加固<袖閥管注漿加固<綜合加固。在3條測線的對比分析中發現，與袖閥管注漿加固相比，綜合加固引起的地表沉降更為明顯，這說明過多的加固措施將引起圍巖土體擾動，使其失去良好的整體性。

2.2.2 承臺變形對比分析

選取3個承臺的各個角點為測點(見圖5)，分析綜合加固方案的沉降規律。盾構近距離側穿二環路高架橋，承臺的沉降差異明顯，如表4所示。在無加固措施時，相對于2#承臺和3#承臺，1#承臺的沉降差異最為顯著，沉降差值最大達到5.553 mm，超出了一級安全標準的控制范圍(5 mm)；此外，針對承臺沉降差值的改善效果而言，洞內注漿加固措施最為顯著，其次為綜合加固技術。

圖5 承臺測點選取

表4 5種施工方式的承臺沉降差對比

綜合加固方案的沉降規律如圖6所示。由圖6可知,1#承臺靠近盾構隧道的測點所產生的沉降明顯大于其他測點，沉降的差異將引起橋面傾斜，嚴重影響高架橋運行安全；2#承臺亦是當隧道掘近時出現了沉降值陡增,由于該承臺兩側均有保護措施，產生沉降的差異較小；3#承臺由于受到擾動小，沉降差異亦小。

a) 1#承臺

b) 2#承臺

c) 3#承臺

為對比分析各個工況保護效果，本文引入承臺傾斜度這一參數。基于沉降觀測結果作適當計算即可獲取承臺傾斜度。如圖7所示，已知結構上相鄰的兩點A、B(點間距b可量測)，θ為承臺產生的傾斜角，通過水準測量得到A、B的沉降值ΔSA、ΔSB，則承臺傾斜度的計算公式為：

tanθ=ΔS/b=|ΔSA-ΔSB|/b

(1)

圖7 承臺局部傾斜計算示意圖

如表5所示，與無加固措施相比，4種加固措施對承臺傾斜度的改善效果排序為：袖閥管注漿加固<鋼管隔離樁加固<綜合加固<洞內注漿加固。

表5 5種施工方式的承臺傾斜度對比

2.2.3 樁基變形對比分析

圖8為選取的樁基觀測點，用以進一步研究不同施工工況下各樁基的變形規律。以1#承臺樁的側向變形為例，如圖9所示，無加固措施下各樁基的水平側向位移達到了預警值(12 mm)，實施加固技術后各樁基的側向位移得以顯著降低。其中，綜合加固技術在控制樁基的側向位移幅度上具有良好效果。改善效果呈現一定規律：鋼管隔離樁加固<洞內注漿加固<袖閥管注漿加固<綜合加固。另外，由于本工程先實施右線隧道施工，后實施左線隧道施工，所以雖然在左線施工時變形出現逆轉，但各樁基的累計側向位移均偏向右線隧道。這說明樁基受到先行開挖盾構隧道的影響更為明顯。

圖8 樁基觀測點

3 現場監測分析

3.1 地表沉降實測分析

該工程盾構側穿二環路高架橋施工時采用了綜合加固技術。如圖10所示，監測得到的地表沉降變形存在雙駝峰現象，其實際沉降值均小于一級指標(5～10 mm)，滿足安全要求。

3.2 承臺沉降變形實測分析

在盾構的掘進過程中，對承臺沉降變形采用全站儀監測拱頂沉降。選取3個橋墩監測點位(見圖5中CT1-3、CT2-3、CT3-3)分別代表副橋1#承臺、主橋2#承臺和副橋3#承臺，其監測結果隨時間變化曲線如圖11所示。依據承臺沉降位移控制值，均滿足要求(見表6)。從圖11和表6可以看出，實測與模擬一致，驗證了計算的準確性。

圖9 5種施工方式下1#承臺樁的水平位移對比

圖10 地表豎向沉降實測值與模擬值對比

圖11 實測承臺沉降位移曲線

表6 承臺沉降分析 單位：mm

4 結論

1) 盾構側穿高架橋樁基時，地表沉降槽位于樁基承臺處，最危險區域為雙洞之間的樁基礎位置。局部施工保護技術均能有效阻隔隧道-圍巖-樁基-地表的變形傳遞;局部的加固技術將引起地表相應區域沉降差異，即出現左右線高低雙駝峰現象，有效提高了施工安全。

2) 本文所述的4種加固技術均能有效改善所加固區域附近的地表沉降變形，其改善效果呈現一定規律：洞內注漿加固<鋼管隔離樁加固<袖閥管注漿加固<綜合加固。另外，過多的加固措施將引起圍巖土體擾動，導致土體失去良好的整體性，進而降低樁基的承載力。

3) 當隧道掘近至樁基礎時，相應橋墩出現沉降值陡增的情況，同時沉降傾斜度達到峰值，此時的施工風險最大。針對承臺沉降差值，洞內注漿加固的改善效果最為顯著，其次為綜合加固技術。4種加固技術對于承臺傾斜度的改善效果為：袖閥管注漿加固<鋼管隔離樁加固<綜合加固<洞內注漿加固。