近距側(cè)穿高鐵橋樁盾構(gòu)施工影響規(guī)律及加固措施

徐 碩， 朱永全*, 徐 強(qiáng), 李 賽， 王晨曦

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院， 石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050043)

隨著中國城市軌道交通建設(shè)的興起，盾構(gòu)隧道施工極易出現(xiàn)近距離穿越既有結(jié)構(gòu)的情況，地鐵隧道盾構(gòu)施工導(dǎo)致地層損失引起隧道周圍地層移動(dòng)，其產(chǎn)生的自由土體位移場(chǎng)使得工作狀態(tài)的樁基產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形。而高鐵橋梁樁基作為城市軌道交通穿越工程中較為特殊的一類既有結(jié)構(gòu)，由于高速鐵路行車速度高，對(duì)軌道的變形控制要求極為苛刻，當(dāng)高鐵樁基受到影響時(shí)，還會(huì)引起高鐵橋上軌道結(jié)構(gòu)的變形，加劇軌道的不平順，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使高速鐵路無法正常運(yùn)營(yíng)甚至?xí)?dǎo)致樁基或橋上結(jié)構(gòu)的破壞。因此，盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿高鐵橋梁樁基礎(chǔ)時(shí)，確保該類工程的施工安全顯得尤為重要。

中外眾多學(xué)者針對(duì)隧道穿越橋梁樁基施工問題開展了大量研究。Chen等[1]運(yùn)用理論解析方法對(duì)隧道鄰近樁基施工過程進(jìn)行了理論研究，分別考慮了樁頂固定和樁頂自由兩種情況，計(jì)算了不同距離條件下隧道開挖造成土體和樁基位移。Lee[2]采用在模型試驗(yàn)和二維彈性有限元模型，分析表明隧道施工影響樁基的因素為：樁端位置、樁基頂部所承受的荷載、地層損失及地層參數(shù)、樁基礎(chǔ)半徑及長(zhǎng)度、隧道斷面大小等，并對(duì)樁端的不同影響區(qū)域進(jìn)行了劃分。王謙等[3]基于數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了側(cè)穿工程中排樁加固效果、施工技術(shù)參數(shù)選取的合理性、數(shù)值計(jì)算和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性。畢景佩等[4]以下穿小月河橋的北京地鐵27號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道工程為背景，研究了大斷面盾構(gòu)區(qū)間下穿小月河橋施工過程中橋面、蓋梁及橋樁位移變化規(guī)律特征，并揭示了盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿小月河橋施工過程中橋樁差異沉降變化規(guī)律。王栓等[5]通過數(shù)值模擬，針對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道側(cè)穿樁基進(jìn)行了力學(xué)性能分析，發(fā)現(xiàn)群樁對(duì)地層損失有很好控制效果。徐建寧[6]以平潭某區(qū)間段管廊深基坑為研究對(duì)象，結(jié)合三維數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了綜合管廊基坑施工對(duì)鄰近橋梁的影響規(guī)律。陳聰?shù)萚7]依托武漢地鐵3號(hào)線地鐵下穿鐵路橋梁的實(shí)際工程情況，采用加固措施、隔離樁防護(hù)等防護(hù)措施進(jìn)行樁基加固，證明了加固措施對(duì)地表沉降控制起到了很好的效果。吳鎮(zhèn)等[8]在濟(jì)南軌道交通R1號(hào)線下穿京滬高速鐵路橋梁工程中，采用數(shù)值仿真計(jì)算和室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)隔離樁樁長(zhǎng)越長(zhǎng)起到的防護(hù)作用越好。

基于以上研究，依托西安地鐵14號(hào)線盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿大西高速鐵路橋梁群樁基礎(chǔ)工程，采用三維有限元方法模擬施工過程，對(duì)盾構(gòu)隧道近距離穿越橋梁樁基礎(chǔ)影響進(jìn)行研究，并對(duì)防護(hù)措施進(jìn)行對(duì)比分析，確定該類工程防護(hù)措施的必要性及最合理方案。

1 工程概況

西安地鐵14號(hào)線工程線路全長(zhǎng)13.76 km，均為地下線，其中尚賢路站—學(xué)府路站區(qū)間下穿大西高速跨西銅公路特大橋，該橋?yàn)?2 m跨簡(jiǎn)支箱型梁，每個(gè)承臺(tái)下設(shè)8根鉆孔灌注樁，樁基直徑為1.25 m，樁長(zhǎng)為46 m。穿越橋梁樁基段盾構(gòu)隧道埋深為11 m，盾構(gòu)隧道外邊線距離樁邊最小距離為3.78 m，本區(qū)間盾構(gòu)隧道從2019年12月底始發(fā)，右線隧道先行并于2020年1月經(jīng)過大西高速，左線隧道于2020年3月經(jīng)過大西高速，盾構(gòu)隧道與橋梁樁基的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道穿越高鐵高架橋樁位置關(guān)系示意

2 盾構(gòu)隧道近距離穿越橋梁樁基礎(chǔ)影響分析

2.1 地層參數(shù)

數(shù)值計(jì)算中地層參數(shù)選取自地質(zhì)勘察報(bào)告，共分為7層，具體參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示，均選用實(shí)體單元和摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

表1 地層參數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

數(shù)值模擬主要考慮的結(jié)構(gòu)有盾構(gòu)管片、橋梁樁基礎(chǔ)、橋梁橋墩承臺(tái)，結(jié)構(gòu)具體參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2所示，其中盾構(gòu)管片外徑6.0 m，厚度0.3 m，環(huán)寬1.5 m；樁基礎(chǔ)直徑為1.25 m，樁身長(zhǎng)46 m；承臺(tái)尺寸12.2 m×6.8 m，所有結(jié)構(gòu)均采用彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。計(jì)算過程中對(duì)其余橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，因此將上方橋板的重量進(jìn)行換算，得到單個(gè)橋墩所受荷載為6 839 kN并施加于橋墩上。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 土倉壓力及注漿壓力

本文中土倉平衡壓力按靜止土壓力進(jìn)行計(jì)算，管片回填注漿壓力選取靜止土壓力的1.1～1.2倍，土倉平衡壓力取值為0.7 MPa,管片回填注漿壓力取0.9 MPa。

根據(jù)上述計(jì)算參數(shù)，綜合考慮數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性及復(fù)雜程度，確定模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=160 m×60 m×80 m，模型示意如圖2所示。

圖2 模型示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)盾構(gòu)隧道正常施工即無隔斷、加固措施情況下，近距離穿越橋梁樁基礎(chǔ)的施工影響進(jìn)行分析時(shí)，為便于分析現(xiàn)對(duì)目標(biāo)樁基及橋臺(tái)進(jìn)行編號(hào)，如圖3所示，S1與S2為橋臺(tái)沉降的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，P1～P8為目標(biāo)樁基礎(chǔ)，其中P1～P4為距盾構(gòu)隧道更近的前排樁，P5～P8為距盾構(gòu)隧道更遠(yuǎn)的后排樁。

圖3 樁基編號(hào)示意圖

3.1 樁身位移分析

盾構(gòu)隧道施工完成后，提取目標(biāo)群樁的樁身位移量，并繪制樁身水平、豎向位移曲線分別如圖4所示，以圖2(a)中所示x軸正向?yàn)樗轿灰普颍詚軸正向?yàn)樨Q向位移正向。

通過對(duì)圖4進(jìn)行分析可知，盾構(gòu)隧道開挖完成后，不管是群樁的水平位移還是豎向位移，變化趨勢(shì)大體相同。從群樁豎向位移角度分析，群樁樁身豎向位移均為負(fù)值，且群樁樁底沉降均大于樁頂沉降，表明樁身豎向位移大于土體豎向位移，樁身側(cè)摩阻力為正值。從群樁水平位移角度分析，水平位移變化主要集中在隧道所在深度及以上(地鐵埋深11 m，仰拱距離地表17 m)，隧道底部以下樁基水平位移基本無變化；前排樁整體水平位移變化明顯大于后排樁，其中P1-1樁的水平位移最大，達(dá)到4.2 mm。

圖4 無隔斷、加固措施下群樁位移

前后排群樁水平位移明顯不同的原因，一方面因前排樁距離盾構(gòu)隧道更近，受盾構(gòu)開挖影響更大；另一方面，是由于樁基的遮攔效應(yīng)所致，盾構(gòu)開挖過程中，樁基會(huì)對(duì)鄰近土體的位移產(chǎn)生阻礙作用，前排樁的存在削弱了盾構(gòu)開挖對(duì)后排樁水平位移影響，導(dǎo)致后排樁明顯小于前排樁的水平位移。

3.2 樁身內(nèi)力分析

盾構(gòu)隧道施工完成后，提取目標(biāo)群樁的樁身軸力及彎矩，并繪制樁身軸力及彎矩分布曲線分別如圖5所示。

圖5 無隔斷、加固措施下群樁樁身內(nèi)力分布

通過對(duì)圖5進(jìn)行分析，從群樁的軸力進(jìn)行分析可知，盾構(gòu)隧道施工完成后，目標(biāo)群樁樁身的軸力分布相似，前排樁和后排樁的軸力只有樁底一小部分位置表現(xiàn)為軸拉力，其余部分均表現(xiàn)為軸壓力，隨著樁基靠近隧道軸壓力逐漸增大，在隧道橫斷面軸線埋深處達(dá)到最大值，其中前1樁軸力最大為322 kN，之后逐漸減小。從群樁的彎矩進(jìn)行分析可知，前排樁彎矩與后排樁彎矩方向相反，整體呈對(duì)稱分布，前、后排樁最大彎矩均出現(xiàn)在隧道拱頂對(duì)應(yīng)埋深位置，但前排樁彎矩大于后排樁，其中前1樁彎矩最大為757 kN·m，前排樁彎矩受右線隧道盾構(gòu)影響較大，后排樁彎矩受左線隧道盾構(gòu)影響較大。

3.3 橋臺(tái)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果分析

盾構(gòu)隧道施工完成后，繪制橋臺(tái)測(cè)點(diǎn)S1和測(cè)點(diǎn)S2沉降隨掘進(jìn)距離變化曲線如圖6所示。

通過對(duì)圖6進(jìn)行分析可知，無隔斷、加固措施的情況下，橋臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最大值為4.91 mm，根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》[9]中規(guī)定，高速鐵路無砟軌道線路靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值，軌道高低的作業(yè)驗(yàn)收值為2 mm以內(nèi)，因此不設(shè)防情況下橋臺(tái)的沉降明顯不滿足規(guī)范要求，需要考慮隔斷和加固措施。

圖6 橋臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線

4 盾構(gòu)隧道近距離穿越橋梁樁基礎(chǔ)加固方案對(duì)比

查閱文獻(xiàn)[10]，綜合考慮建設(shè)成本及施工難易程度，選定袖閥管注漿加固、鉆孔灌注樁隔斷及注漿+隔斷樁+鋼橫撐綜合加固措施3種加固方案。隔斷樁樁徑為0.6 m，沿隧道走向1.0 m等間距布置；橫撐結(jié)構(gòu)斷面為0.6 m×0.6 m的正方形，鋼橫撐置于隔斷樁樁帽上，沿隧道走向6.0 m等間距布置；注漿加固采用Φ50 mm袖閥管地面注漿的方式，采用超細(xì)水泥注漿，平面水平范圍為兩排隔離樁之間土體范圍，豎向范圍為隧道上下各2 m，加固長(zhǎng)度為鐵路承臺(tái)兩側(cè)不小于9 m范圍。加固措施橫斷面布置如圖7所示，具體參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3所示，建立數(shù)值計(jì)算模型如圖8所示。

圖7 防護(hù)措施示意

表3 加固方案及參數(shù)

圖8 防護(hù)措施模型示意

4.1 樁身位移分析

為更直觀地對(duì)比分析加固后的群樁樁身位移變化，基于第3節(jié)分析，本節(jié)僅針對(duì)位移最大的P1樁進(jìn)行對(duì)比分析，繪制P1樁不同加固方案的樁身位移曲線如圖9所示。分析圖9可知，采用隔斷、加固措施后，由于隔斷樁的遮攔效應(yīng)和注漿加固對(duì)圍巖力學(xué)性能的提升導(dǎo)致樁身水平及豎向位移明顯減小，樁身向隧道軸線方向扭曲程度也明顯改善，其中綜合加固方案樁身最大水平及豎向位移值最小，較無加固方案分別減小65%、20%，并且樁身的扭曲程度最小；僅設(shè)隔斷樁方案對(duì)樁身位移的優(yōu)化效果次之，僅注漿加固方案雖然對(duì)樁身原方向位移優(yōu)化效果較好。

圖9 不同加固方案P1樁身位移曲線

4.2 樁身內(nèi)力分析

提取并繪制前樁1不同加固方案的樁身軸力及彎矩分布曲線如圖10所示。分析圖10可知，3種加固方案里，綜合加固方案對(duì)樁身的內(nèi)力優(yōu)化效果最好，樁身軸力減小約80%，樁身彎矩絕對(duì)值減小近50%，相比之下僅設(shè)隔斷樁的樁身內(nèi)力優(yōu)化效果次之，僅注漿加固優(yōu)化效果最差。

圖10 不同加固方案P1樁身內(nèi)力分布

綜上所述，不管是從樁身位移優(yōu)化還是樁身內(nèi)力優(yōu)化角度對(duì)比分析，綜合加固方案的優(yōu)化效果都是最好的，僅設(shè)隔斷樁次之，僅注漿加固效果最差，這主要是因?yàn)閮H設(shè)注漿加固時(shí)僅改善了加固區(qū)域土體的強(qiáng)度，雖然能夠一定程度上改善盾構(gòu)開挖引起的地層損失，但開挖影響還是直接能夠傳遞到既有樁基礎(chǔ)；僅設(shè)隔斷樁，能夠明顯的阻斷開挖影響的傳遞路徑，進(jìn)而減小既有樁基礎(chǔ)的位移和內(nèi)力，而綜合加固方案兼顧兩種優(yōu)化機(jī)理，相比之下，宜采用袖閥管注漿加固+隔斷樁+鋼橫撐的綜合加固方案。

4.3 橋臺(tái)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果分析

以S2橋臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，提取并繪制不同加固方案下的沉降曲線如圖11所示。分析圖11可知，考慮隔斷和加固措施后，僅袖閥管注漿加固措施下橋臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最大值為4.03 mm(仍高于控制標(biāo)準(zhǔn))，隔離樁加固措施下橋臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最大值為2 mm(等于控制標(biāo)準(zhǔn))，綜合加固措施下橋臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最大值為1.47 mm(低于控制標(biāo)準(zhǔn))，宜選用綜合加固方案對(duì)盾構(gòu)隧道近距離穿越既有橋梁樁基礎(chǔ)類工程進(jìn)行加固。

圖11 不同加固方案S2橋臺(tái)測(cè)點(diǎn)沉降對(duì)比

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和上述數(shù)值計(jì)算結(jié)果，繪制測(cè)點(diǎn)S2數(shù)值模擬計(jì)算沉降值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比圖如圖12所示。

通過對(duì)圖12進(jìn)行分析可知，數(shù)值模擬沉降發(fā)展趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值擬合較好，說明數(shù)值模型中所采用的網(wǎng)格尺寸、盾構(gòu)模擬方法與參數(shù)、樁-土接觸面等較為合理，上述計(jì)算結(jié)果較為可靠，可為以后類似工程提供一定的借鑒意義。

圖12 S2監(jiān)測(cè)點(diǎn)橋臺(tái)沉降數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比

5 結(jié)論

結(jié)合西安地鐵14號(hào)線盾構(gòu)近距離側(cè)穿大西高速鐵路橋，基于數(shù)值模擬，分析了盾構(gòu)施工對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的影響，并對(duì)擬定的加固方案進(jìn)行了分析比選。

(1)群樁樁身豎向位移均為負(fù)值，且樁底沉降均大于樁頂沉降；水平位移變化主要集中在隧道所在深度及以上，隧道底部以下樁基水平位移基本無變化；前排樁整體豎向及水平位移變化明顯大于后排樁且樁基距離隧道越近豎向及水平位移越大。

(2)群樁樁身軸力絕大部分表現(xiàn)為軸壓力，樁基越靠近隧道軸力越大，在隧道軸線埋深處達(dá)到最大值；前、后排樁彎矩方向相反，整體呈對(duì)稱分布，最大彎矩出現(xiàn)在隧道拱頂對(duì)應(yīng)位置；前樁1的軸力及彎矩均為最大。

(3)不設(shè)隔斷、加固措施時(shí)，橋臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最大值為4.91 mm，不滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》中軌道高低的作業(yè)驗(yàn)收值為2 mm的規(guī)定，需要考慮相關(guān)隔斷和加固措施。

(4)提出了袖閥管注漿加固、鉆孔灌注樁隔斷及注漿+隔斷樁+鋼橫撐綜合加固三種加固方案，其改善效果呈現(xiàn)一定規(guī)律：袖閥管注漿加固<鉆孔灌注樁隔斷<綜合加固；其中綜合加固方案對(duì)群樁位移及內(nèi)力優(yōu)化效果均為最優(yōu)，樁身水平位移、豎向位移、軸力、彎矩分別減小65%、20%、80%、50%。

(5)選用綜合加固方案后，橋臺(tái)最大沉降值為1.47 mm，滿足規(guī)范要求，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比較為吻合。