地鐵施工對鄰近橋梁樁基影響研究

宗振宇

（天津市地下鐵道集團有限公司，天津 300380）

隨著我國城市規模擴大，為改善交通狀況，以地鐵為代表的軌道交通得到了空前發展。在城市中修建地鐵，會不可避免地鄰近或穿越既有橋梁，地下施工造成開挖面土方臨空卸載，周邊地層原有應力狀態失去平衡，橋梁基礎周邊約束地層產生變形，對橋梁基礎承載造成不利影響[1～10]。本文分析地鐵鄰近施工對橋梁基礎影響范圍，明確橋梁允許變形控制指標，指導施工。

1 工程概況

北京地鐵27號線二期工程學院橋站—西土城站區間以學院橋站大里程端為起點，沿學院路向南敷設，在西土城站與地鐵10號線換乘。西土城站為島式站臺，總長212.3 m，標準段寬25 m、高22.25 m，覆土厚度11.86~12.56 m，底板最大埋深34.81 m，三層三跨直墻拱形結構，車站基坑采用暗挖PBA工法（4導洞）施工，兩側區間均采用盾構法施工，隧道拱頂覆土21.0~27.9 m，底板埋深27.0~33.9 m。車站地下一層側墻及中板施工完成后盾構先行過站。

西土城車站主體側穿的學知橋TZ0~TZ1軸為預應力混凝土簡支T梁。TZ0樁徑1 m、長24 m，樁底標高22.8 m；TZ1樁徑1.5 m、長25 m，樁底標高18.3 m；車站結構外墻與TZ0、TZ1水平距離分別為3.93、8.25 m，車站結構底板與樁底豎向距離分別為8.67、3.9 m（橋樁底在上）。西側換乘通道自TZ0~TZ1軸下方正交穿越，結構外墻與TZ0、TZ1水平距離分別為4.22、7.92 m，結構底板與樁底豎向距離分別為5.22、9.72 m（橋樁底在下），1#橫通道近鄰學知橋，通道初支外側距橋樁1.24 m，5#豎井側穿TZ5軸，與TZ5水平距離4.14 m，結構底板與樁底豎向距離13.64 m（橋樁底在下）。學知橋TZ2~TZ5為預應力鋼-混凝土組合梁，TZ5樁徑1.5 m、長29 m，樁底標高16.9 m。

區間地質狀況依次為人工填土，第四紀沖洪積層（粉質黏土③層、粉土③1層、粉細砂③2、層粉質黏土④層、卵石⑤層、細中砂⑤1層、卵石⑦層）。

區間主要賦存有上層滯水（一）：含水層巖性主要為雜填土①層、粉土填土①1層、粉土③1層，穩定水位為41.58 m，埋深為7.80 m；潛水（二）：含水層巖性主要為粉細砂③2層、粉土③1層、粉土④1層，穩定水位為35.24～35.61 m，埋深為13.80～14.20 m；層間潛水（三）：含水層巖性主要為卵石⑤層、卵石⑦層、細中砂⑦1層、細中砂⑧2層、卵石⑨層，穩定水位為20.08～20.51 m，埋深為28.90～29.40 m。

2 地鐵對橋梁的影響分析

2.1 影響范圍

根據受擾動后土體內摩擦角滑裂面內的破壞棱體，按設計要求在正常施工狀態下，區間隧道盾構施工對橋梁結構影響范圍為學知橋東橋全橋結構；車站主體結構、1#橫通道及西側換乘通道施工對橋梁結構影響范圍為TZ0、TZ1軸下部結構及TZ0~TZ2軸上部結構，5#豎井施工對橋梁結構影響范圍為TZ5軸下部結構及TZ2~TZ5、TZ5~TZ8軸上部結構。見圖1和圖2。

圖1 車站主體與TZ0軸樁基礎相對位置關系

圖2 1#橫通道施工對TZ0軸基礎影響范圍

2.2 橋梁基礎容許變形

采用Midas Civil有限元軟件，應用空間桿系單元，將學知橋東橋鋼-混組合梁、雙柱預應力混凝土蓋梁劃分為若干個節點、單元，計算各種不均勻沉降工況時的內力，進行承載能力極限狀及正常使用極限狀態的驗算。見圖3和表1。

圖3 計算模型

表1 主要計算工況

根據計算結果，地鐵鄰近施工橋梁應滿足的控制技術指標：

1）TZ0~TZ2軸及TZ5~TZ8軸簡支T梁縱橋向相鄰軸差異沉降控制值為10 mm；TZ2~TZ5軸鋼-混組合梁縱橋向相鄰軸差異沉降控制值為5 mm；

2）TZ2、TZ5軸蓋梁橫橋向兩墩柱差異沉降控制值2 mm；

3）TZ0軸橋臺橫橋向兩端不均勻沉降控制值為6 mm；TZ8軸橋臺橫橋向東端與相鄰西橋結構縫處差異沉降控制值6 mm；

4）橋梁單測點最大沉降控制值15 mm；

5）橋臺及墩柱新增傾斜≯1/1 500。

2.3 地鐵引起的橋梁樁基沉降

2.3.1 鄰近橋梁地鐵施工措施

1#暗挖橫通道在拱頂初支外2.0 m、初支內0.5 m，加固鄰近建筑物側土體，橫通道與樁基之間、樁底2 m，樁基前后5 m范圍內土體進行深孔注漿加固，橫通道采用臺階法施工，在上臺階核心土范圍外的掌子面設置止漿墻，厚300 mm，采用C25噴射混凝土，設置雙層鋼筋網，根據地層條件進行實驗確定注漿壓力，保證深孔注漿效果。

西側換乘通道CRD法施工，采用深孔注漿超前加固結構周邊2 m范圍土體，縱向加固范圍為換乘通道全長。開挖過程中掌子面遇到砂層及時進行注漿加固，及時進行初支背后注漿，嚴格控制注漿壓力，必要時進行多次注漿，施工過程中加強管線及橋樁監測和巡視，根據監測結果調整施工參數。

區間盾構隧道，從洞內徑向注漿加固隧道鄰近橋樁一側土體，同時對鄰近橋樁一側采用?150 mm內外雙排復合錨桿樁進行注漿加固。

2.3.2 地鐵鄰近橋梁樁基施工數值分析

在實際工程應用中，很多情況下地下工程無法進行原位試驗，數值模擬方法能近似得到一些工程變化規律。采用有限元軟件Midas GTS NX按實際施工工序模擬。僅對TZ0~TZ3軸進行代表性分析，橋面相對地層剛度較大，為提高計算速度和計算精度，將橋面重力換算到相應橋墩頂面，梁單元模擬橋梁樁基，不考慮地下水影響及施工和運營荷載，僅考慮材料自重。見圖4。

圖4 區間隧道、車站主體及西側換乘通道施工對TZ0~TZ3軸橋梁樁基影響模型

TZ0軸群樁樁長24 m，1#、2#、3#樁基距離地鐵施工逐漸變遠。見圖5。

圖5 TZ0軸橋樁分布

樁身沉降樁頂最大，沿樁身到樁底逐漸減小，樁頂與樁底豎向位移相差不大。樁深10 m以上樁身豎向位移基本上均勻分布，10 m以下樁身沉降差減小明顯。1#樁附近地表沉降-23.78 mm，樁身沉降-14.61 mm，2#樁附近地表沉降-21.38 mm，樁身沉降-13.13 mm，3#樁附近地表沉降-19.12 mm，樁身沉降-17.15 mm，考慮地層沉降和樁身沉降本身存在一定連續性，樁基與周圍地層之間產生差異沉降，會造成樁側摩阻力損失甚至出現負摩阻，樁基沉降，承載力降低。見圖6。

圖6 TZ0軸樁體沉降

樁身應力表現為壓應力，施工前，每根樁的樁身應力基本上沿樁身均勻分布，群樁之間應力分布相差不大，符合施工前群樁承載均衡狀態。隨著鄰近地鐵車站施工，引發地層豎直和水平位移，隧道水平軸上方豎直位移方向向下，受開挖卸載影響，水平軸下方土體豎直位移方向向上，致使樁基有隆起趨勢。受擾動后土體內摩擦角滑裂面位置逐漸向樁底變化，樁基周邊地層發生沉降變形，不考慮地下水向施工區域滲流的影響，隨著與地下施工距離增大，地層沉降變形減小，鄰近樁基礎與周邊地層之間產生負摩擦力或者地層松弛喪失摩阻力。1#、2#、3#樁身應力變化趨勢一致，由頂部向樁底變大發展，在樁深20 m（樁長24 m）范圍達到最大，其中1#樁增大了663.27 kPa，2#樁增大了462.4 kPa，3#樁增大了516.47 kPa，而后靠近隧道底部地層范圍樁基應力相比20 m處增大趨勢減小，距離地鐵施工越近，樁身應力變化幅度越大，群樁承載狀態產生差異變化，應在此變化范圍加強深孔注漿控制。見圖7。

圖7 TZ0軸樁基施工前后樁身正應力變化

樁頂受承臺約束影響，產生相同水平位移。樁身水平位移在樁頂最大，由于群樁上部受承臺共同約束作用，沿著樁身向樁底逐漸減小，在樁身-20 m以下趨于穩定。樁身-20 m處水平位移：1#樁0.99 mm、2#樁0.60 mm、3#樁0.08 mm，距離隧道越近，受影響越大。見圖8。

圖8 TZ0軸樁體水平位移

地層水平變形傳遞到鄰近樁基，樁基與地層開始相互作用直至到達新的力學平衡狀態，表現為樁基彎曲、傾斜，樁體彎矩變化。樁深20 m附近，1#樁施工前彎矩為1.24 kN·m，施工后為73.56 kN·m；樁深15 m附近，3#樁施工前彎矩為9.25 kN·m，施工后為63.12 kN·m，表現為承臺下方樁體產生較大彎矩內力，群樁因地層位移、樁體與地層相互作用，樁體產生水平變形、豎直變形，承載狀態形成差異化，承載能力下降。見圖9。

圖9 TZ0軸樁體彎矩

1#施工豎井及橫通道、車站主體、盾構區間隧道、西側換乘通道施工階段橋墩頂點豎向沉降見圖10。

圖10 TZ0~TZ3軸橋樁施工前后橋墩頂點沉降

結合橋梁樁基可容許變形能力對比分析可知：

1）隨著區間隧道、車站主體和西側換乘通道的依次施工，TZ0~TZ3軸的豎向沉降值逐漸增大，TZ0軸達到14.42 mm；TZ3軸達到7.60 mm；

2）TZ0與TZ1軸之間的最大差異沉降達到4.24 mm，小于控制標準值10 mm；TZ0軸橫向橋臺的最大差異沉降為2.26 mm，小于控制標準值6 mm；

3）施工過程中橋墩的最大水平位移為3.19 mm，墩柱的傾斜度為0.64，小于控制標準值1/1 500。

車站橫通道及導洞完成，現場監測TZ0沉降2.15 mm，TZ1沉降2.08 mm；車站第一層施工，TZ0累計沉降8.42 mm，TZ1累計沉降6.76 mm；完成鄰近橋樁樁底注漿加固，車站與鄰近橋樁之間土體已注漿加固完成，相比數值計算結果偏小，證實了深孔注漿等措施的可行性。

3 結論

1）考慮現實中橋墩、橋臺可能已存在沉降，重點對全橋墩柱及橋臺沉降及相關差異沉降、全橋墩柱及橋臺新增傾斜、主體結構及附屬構造（支座、錨栓、限位設施、伸縮縫裝置）的外觀進行監測，與橋梁基礎變位控制指標進行對比。

2）地下工程施工，考慮地層沉降和樁身沉降本身存在連續性，樁基與周圍地層之間產生差異沉降，會造成樁側摩阻力損失甚至出現負摩阻，樁基沉降樁頂最大，沿樁身到樁底逐漸減小，接近地下施工范圍樁基本身產生較大差異沉降，樁身正應力也在此范圍增幅較大。

3）樁頂受承臺約束影響，產生相同水平位移。樁基水平位移在樁頂最大，沿著樁基向樁底逐漸減小，受周邊地層水平位移影響，承臺下方接近地下施工范圍樁基之間產生較大彎矩內力，樁基之間產生較大差異彎矩，不利樁體偏心承載狀態。

4）對樁基受施工擾動范圍地層采取加固、隔離措施，確保措施效果，可減小樁基與地層間差異變形。改良底層達到強度后開挖，注漿效果取決于漿體質量、注漿壓力以及巖土體的裂隙發育程度。施工條件的各異性以及巖土體內部裂隙發育的未知性，導致加固效果的不確定性，因此注漿體參數是橋梁變形重要影響因素，嚴格按照設計注漿范圍及注漿順序進行注漿施工，出現局部位移過大，立即調整注漿，以使地表沉降控制在規定范圍之內。□■