雙線盾構隧道側穿對高鐵橋梁樁基的影響研究

龔興旺 龔 倫 鐘 建 徐靖威

(1.西南交通大學土木工程學院 四川成都 610031；2.交通隧道工程教育部重點實驗室 四川成都 610031)

1 引言

隨著我國城市化進程的加快，未來地鐵的修建趨勢愈加強烈。地鐵盾構隧道在修建時會遇到很多風險及困難，比如不良地質、溶洞，以及液化砂土等。除此之外，城市隧道下穿建筑群、鐵路路基、橋梁樁基等重大建筑也會帶來極大不便，需要采取一定的加固措施，防止新建工程對既有工程帶來的沉降或開裂變形。

國內(nèi)許多學者針對盾構隧道下穿橋梁樁基做了大量的研究。李海洋[1]通過數(shù)值模擬研究四線疊交小間距盾構隧道下穿橋梁，得出在未采取加固措施的前提下，盾構隧道下穿會對橋梁的穩(wěn)定性造成較大影響的結論；楊征[2]結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析盾構施工對鄰近樁基造成的影響，總結出盾構下穿橋梁所采取的施工保護措施；夏正茂等[3]通過有限元軟件對盾構下穿橋梁的加固措施進行對比，得出兩種加固措施對控制樁基位移均具有一定效果的結論；郭波[4]通過分析盾構施工過程中高鐵橋墩的變形特征，指出地鐵隧道周邊采取加固措施后，能夠降低左右線隧道掘進時相互之間的影響；賈少春[5]通過有限元計算方法對盾構下穿進行動態(tài)模擬，并對地表沉降、樁基位移、內(nèi)力進行分析；陳聰?shù)萚6]通過數(shù)值模擬研究盾構下穿橋梁樁基時，發(fā)現(xiàn)在控制樁基位移沉降上，隔離樁防護比注漿加固效果更好；楊喜等[7]通過數(shù)值模擬得出隧道左、右線距樁基水平距離較遠時(約2倍洞徑)，對樁基承臺變形影響較小的結論；阮雷等[8]通過研究盾構隧道埋深對鄰近鐵路橋梁的影響，發(fā)現(xiàn)在滿足地表沉降限值的條件下可適當減少隧道埋深，以控制隧道開挖引起的上部橋梁、鋼軌等結構物變形；趙江濤[9]通過對盾構隧道下穿既有橋梁精細化施工控制進行研究，建立了一套精細化一體施工的技術體系；高文華等[10]通過分析盾構下穿橋梁影響因素，對施工方法進行了改進；王體廣[11]對盾構區(qū)間近距離下穿鐵路橋梁影響進行分析，驗證了設置參數(shù)優(yōu)化試驗段的必要性，并總結了施工過程的沉降變化特點；王霆等[12]通過現(xiàn)場監(jiān)測和有限元計算，研究盾構下穿施工對橋梁上部結構的影響，指出當盾構埋深較大時，盾構施工對地層擾動較小，對橋梁下部結構影響很小；孫雪兵[13]采用有限元軟件ANSYS對盾構施工全過程進行模擬，分析了不同樁隧凈距下盾構施工對鐵路橋梁結構變形及地表沉降的影響規(guī)律。

隨著我國近年隧道交通運輸快速發(fā)展，隧道下穿橋梁工程案例也越來越多。隧道下穿對橋梁樁基產(chǎn)生的影響已有大量研究，但是對于相關解決措施的研究還相對較少。本文以某隧道盾構法施工為例，分析盾構掘進下穿橋梁過程中，對橋梁樁基產(chǎn)生的影響，并基于該影響提出相應的處理措施。

2 工程概況

某隧道長1 020 m，其中DK0＋225～DK0＋250段以雙洞盾構的形式下穿橋梁樁基群。盾構隧道管片直徑為6.0 m，厚0.3 m，注漿層為0.5 m。其中，左線隧道右側距離橋梁樁基水平凈距為3.6 m，右線隧道左側距橋梁樁基最小水平凈距為5.7 m。橋梁樁基為鉆孔灌注樁，樁長45 m，隧道下穿橋梁樁基段地層主要為砂土層。新建盾構隧道與既有橋梁位置關系見圖1。

圖1 盾構隧道與既有橋梁位置關系(單位:m)

3 盾構下穿橋梁數(shù)值模擬

3.1 模型建立

計算模型中，土體、橋梁結構、管片和注漿層均采用實體單元進行模擬，采用接觸單元模擬土層與樁基、橋梁與橋墩之間的相互作用。隧道埋深為28 m。模型前后左右邊界施加法向約束，底部施加豎向位移約束，頂部為自由面。根據(jù)隧道與既有鐵路橋梁樁基的位置關系，建立三維數(shù)值模型，見圖2和圖3。

圖2 三維整體模型

圖3 隧道與樁基相對位置

根據(jù)圣維南原理，模型范圍取3～5倍洞徑，模型尺寸為112 m×70 m×68 m(L×W×H)，橋面結構尺寸為75 m×10 m×2 m(L×W×H)。地層參數(shù)根據(jù)實際勘測資料取值，并假定不同地層均按照相應厚度水平層狀分布。計算模型土體材料服從摩爾－庫倫準則，橋梁、墩臺樁基等結構物則視為彈性體。

在計算前，對整個模型進行初始地應力平衡，保證模型在自重應力場下達到平衡，通過命令流模擬土體開挖、施作管片及注漿，通過調整注漿層參數(shù)實現(xiàn)漿液的凝結硬化過程，通過設置注漿層厚度模擬漿液的作用范圍。設置隧道開挖步數(shù)，以管片寬度作為一個施工開挖步，采取邊開挖邊施作管片支護，最后盾尾注漿，以此循環(huán)往復。

在計算時，用pile單元模擬樁基，因樁基礎上方承受橋梁及列車荷載，所以在樁基頂面設置1 000 kN的集中荷載作為等效節(jié)點荷載，樁近似考慮為軸向加載樁。

3.2 土體及結構參數(shù)選取

隧道覆土層從上向下分別為素填土、粉質黏土、砂土、卵石土。樁端主要位于砂土，隧道穿越土層主要為砂土層。雙線隧道管片材料相同，注漿層厚度一致。結構及土層物理參數(shù)選取見表1。

表1 計算參數(shù)

3.3 盾構隧道下穿對橋梁的影響

3.3.1 對樁基位移產(chǎn)生的影響

在盾構隧道下穿橋梁樁基時，存在一個影響分區(qū)，即盾構掘進到一定程度后，會對鄰近的樁基位移造成影響；當盾構掘進超過該范圍后，默認影響很小。此時就存在一個影響區(qū)域，當盾構開挖到這個區(qū)域時，就會對相鄰樁基位移及受力造成影響，且越靠近對樁基影響越大。

提取盾構掘進過程的四個階段，即盾構開始掘進、靠近樁基2D(D為隧道直徑)、遠離樁基2D、開挖完成這四個施工階段下的模型整體位移云圖，研究從盾構掘進開始至隧道盾構完成整個過程中，隧道的開挖對土層位移的影響。需要特別說明的是，該位移是提取的模型整體位移，能反映變形的發(fā)生程度，僅從研究位移變形擴展情況來看，整體位移更直觀與適用。圖4為盾構開挖過程中整體豎向位移云圖。

圖4 整體豎向位移

從盾構開挖進程位移云圖可以看出:盾構開始掘進時，地層－結構模型整體最大位移為3.81 mm；盾構掘進靠近樁基2D時，整體最大位移為4 mm；盾構掘進遠離樁基2D時，最大位移為3.94 mm；盾構開挖完成后，最大位移為4.15 mm。隨著盾構掘進，模型整體位移趨勢在不斷增大。因此在盾構開挖過程中，需要邊開挖邊注漿支護，保證模型整體位移在掘進過程中處于可控范圍。四個階段下樁基位移云圖如圖5所示。

圖5 樁基位移

在盾構掘進過程中，通過設置監(jiān)測點來對橋梁樁基位移沉降進行記錄。取中間樁基頂部某節(jié)點作為監(jiān)測點，每開挖5 m記錄一次，模型寬度為70 m，故有14個監(jiān)測數(shù)據(jù)。繪制相應的沉降曲線圖，樁基單元ID從上往下依次增大。再取中間某根樁基研究各階段樁基沉降變形，如圖6、圖7所示。

圖6 監(jiān)測點沉降曲線

圖7 各階段樁基豎向位移

從樁基監(jiān)測點沉降曲線和各階段豎向位移曲線可以看出:(1)隨著盾構不斷向前推進，樁基的位移也在不斷增大，至開挖完成后，樁基的位移達到最大為1.34 mm，遠小于高鐵橋梁樁基沉降限值要求6 mm。(2)樁身豎向位移呈“上大下小”的趨勢，這是由于樁身壓縮量的累計，導致上部樁身位移總是大于下部，因此上部樁側摩阻力先于下部發(fā)揮出來，直至達到極限后，才開始逐漸調動下部樁側摩阻力。故在盾構掘進過程中，需時刻監(jiān)測樁基的位移，尤其是樁基頂部的位移，防止樁基上部結構在開挖過程中出現(xiàn)過大沉降，給列車運行帶來極大安全隱患。

3.3.2 對橋梁樁基內(nèi)力產(chǎn)生的影響

當盾構掘進到樁基附近時，周圍土體因某側土體臨空而對該側土體擠壓，造成樁基于一側發(fā)生偏移，此時對樁基所受外力進行分析，研究盾構隧道施工對橋梁樁基內(nèi)力造成的影響。提取盾構開始掘進、靠近樁基2D、遠離樁基2D、開挖完成四個階段下的樁基軸力云圖，如圖8所示。

圖8 樁基軸力云圖

在開挖過程中，各開挖階段樁基的軸力變化如圖9所示。

圖9 樁基軸力變化曲線

通過對樁基軸力云圖進行分析，發(fā)現(xiàn)在盾構下穿時，隨著盾構不斷掘進，樁基的最大軸力在不斷變化，在前兩個階段，樁基軸力變化緩慢，待開挖到遠離樁基2D后，樁基最大軸力從樁頂單元變化到與盾構水平距離最近的樁側單元。由樁基軸力變化圖可知:樁基軸力基本呈現(xiàn)樁頂大、樁端小的趨勢，第一、二階段樁身軸力隨深度逐漸減小，第三、四階段出現(xiàn)樁身軸力先大后小，是因為盾構穿越樁基后會對樁基軸力造成影響，尤其是與樁基水平凈距越小的單元，軸力影響越大。由于盾構與樁基土體相互擠壓，造成樁側摩阻力增大，使得樁底單元軸力減小。整體來看，各階段均符合樁身軸力隨深度明顯減小的趨勢。

以各階段樁身軸力最大值作為研究對象，前兩個階段和后兩個階段樁基最大軸力幾乎沒有變化。但第二階段和第三階段相比，軸力相差500 kN，說明影響樁基軸力的區(qū)域在這兩個階段范圍內(nèi)，即前后距樁基2D范圍內(nèi)，盾構開挖對樁身軸力影響很大。這兩個階段可作為施工影響分區(qū)階段，即盾構靠近或遠離距樁基2D時，該區(qū)域下盾構施工會對樁基軸力造成較大影響，為強擾動區(qū)，該區(qū)域以外的其他區(qū)域為弱擾動區(qū)。當盾構掘進至強擾動區(qū)時，需要對周圍土體采取相應的加固措施，保證樁基及上部結構穩(wěn)定。當盾構掘進至橋梁樁基影響區(qū)域時，需控制盾構掘進速度及掘進姿態(tài)，保證盾構平穩(wěn)安全通過該區(qū)域。

4 結論

本文實現(xiàn)了盾構施工過程的分階段掘進模擬，考慮了注漿層硬化的時間過程，并通過監(jiān)測點的位移變化來反映樁基所受盾構施工的影響。通過研究盾構隧道動態(tài)掘進過程中下穿鐵路橋梁樁基位移的變化和發(fā)展規(guī)律，得出以下結論:

(1)盾構隧道在下穿橋梁樁基時，樁基的位移隨著盾構掘進不斷增大，在盾構掘進過程中需持續(xù)進行監(jiān)控量測，保證樁基及上部結構穩(wěn)定。

(2)盾構下穿橋梁樁基過程中，對樁基軸力影響較大的范圍是距樁基2D區(qū)域內(nèi)，隨著盾構不斷推進，樁基軸力先增大后減小。應力值小于C50混凝土抗壓強度設計值，滿足設計要求。

(3)對二次注漿以及二次深孔注漿的加固作用需足夠重視，盾構通過橋樁時，需要將二次注漿量加大，以減小盾構下穿對橋樁造成的影響。

(4)在盾構下穿樁基時，需嚴格控制盾構姿態(tài)，保證盾構平穩(wěn)進行，避免因超挖量過大造成樁側土體發(fā)生偏移，給樁基受力帶來影響，對列車運營安全造成隱患。