盾構隧道近距離側穿橋樁沉降分析

汪 波，萬忠豪，王運周

(1.中鐵隧道集團三處有限公司,廣東 深圳 518052； 2.南昌大學工程建設學院,江西 南昌 330031)

0 引言

盾構法在城市地鐵隧道施工中經常遇到下穿或側穿橋梁,為確保鄰近橋梁使用安全和地鐵工程施工安全,需要研究地層開挖對鄰近橋梁基礎的影響程度,并采取相應的保護措施[1-3]。郭一斌等[4]對盾構近距離側穿超長樁基礎研究并進行數值模擬,研究深度對盾構掘進下樁承載內力以及變形的影響;王國富、馮國輝等[5-10]分別研究了盾構隧道在一定條件下穿越橋樁風險控制值的確定及探討相關控制方法;陳江等[11]以長沙地鐵舉例,研究盾構側穿附近橋樁施工對周圍建筑物的影響,通過計算以及實測表明,對樁基進行徑向旋噴隔離加固能有效控制地表沉降,樁基處的地層水平位移明顯減小;袁海平等[12]以合肥地鐵1號線為例,對盾構近距離側穿高架橋樁的施工力學進行了研究,分析研究了盾構掘進在不同工況的處境下橋樁受力、變形以及地層沉降的規律,證實了樁實體結構單元彎矩、剪力計算方法的可行性。

以上成果探討了在一般地層情況下,盾構掘進對既有橋樁變形的理論分析、采取的加固施工措施和地面沉降變形規律等,但對于復雜條件下雙線盾構隧道先后側穿引起的橋樁和地面沉降變形影響,并結合現場監測數據進行驗證等方面的研究較少。

南昌地鐵軌道交通4號線壇子口站—丁公路南站區間隧道近距離側穿壇子口立交橋橋樁,該區段所處地層為富水圓礫、中風化泥質粉砂巖地層,如何控制橋樁沉降,保證立交橋變形在規范要求之內,確保立交橋安全至關重要[13-14]。

1 工程概況

南昌市軌道交通4號線一期工程土建施工02合同段五工區段壇子口站—丁公路南站區間位于南昌市老城區西湖區內,區間基本呈南—北走向,線路左線長度756.8 m(短鏈34.066 m),右線790.8 m,盾構側穿壇子口立交橋。

壇子口立交橋采用連續梁結構,樁基礎,鉆孔灌注樁,樁徑為1.5 m,樁長28.0 m左右,樁底標高-4.486 m～-1.814 m,持力層進入中風化巖層1.0 m。左線隧道側穿橋樁基礎,距隧道外邊緣的最小水平距離分別為2.3 m和7.8 m;右線隧道側穿橋樁基礎,距隧道外邊緣的最小水平距離分別為1.6 m和8.9 m;盾構區間隧道拱頂埋深21.2 m～27.6 m,隧道開挖直徑6 m,管片外徑5.4 m、厚度0.3 m,注漿層厚度0.15 m,每片管片長1.2 m。立交橋實景圖如圖1所示,橋樁基礎與隧道位置關系見圖2。

區間地層主要為:雜填土、素填土、粉質黏土、細砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖,隧道穿過該區段土層主要為圓礫、中風化泥質粉砂巖。本區間沿線按地下水類型可分為上層滯水、土層孔隙潛水、基巖裂隙承壓水三種類型。上層滯水賦存于人工填土、粉質黏土、淤泥質土之中,無上覆隔水層,下部粉質黏土層、淤泥質土層為其隔水底板,深度1.0 m～3.0 m。第四系含水地層主要以細砂、中砂、粗砂、礫砂為主。基巖裂隙承壓水主要賦存于強、中風化帶中。地下水位平均位于地下6 m處。

2 盾構施工數值模擬

2.1 三維建模

為分析盾構施工對橋樁基礎影響,采用plaxis3D三維有限元計算軟件進行分析。一般隧道開挖影響范圍為隧道中心3倍～5倍開挖寬度,為消除邊界效應并滿足較高的精度要求,沿隧道軸向取36 m且垂直隧道軸向方向取隧道軸向之外5倍洞徑,即88 m,厚度方向取樁端之下18 m,即x×y×z=88 m×36 m×46 m。三維有限元模型如圖3所示。

2.2 計算參數選取

計算中巖土層采用彈塑性D-P模型,盾構管片、橋樁均采用彈性模型,模擬中巖土層采用實體單元,管片、樁均采用梁板單元。土層及相關結構材料參數見表1。

表1 材料參數

其中管片采用C50P12鋼筋混凝土,橋樁用C30混凝土,計算中考慮施工前已存在的荷載作用,橋梁上部結構按最不利荷載組合,換算成均布荷載100 kPa作用于樁上。

模擬過程中需要對掌子面施加一定的法向應力來模擬支護壓力,盾構掘進參數土壓力的設定是根據區間工程巖土工程勘察報告提供的地質情況及隧道埋深等情況,進行理論計算切口平衡壓力,采取如下公式計算支護壓力:

正面平衡土壓力公式:

p=k0×γ×h

(1)

其中，p為平衡壓力;γ為土體的平均重度;h為隧道埋深;k0為土的側向靜止平衡壓力系數。

取γ=20 kN/m3,h=21.1 m,k0=0.38;代入式(1)得到p=160 kPa,故初步確定土壓力范圍為150 kPa～180 kPa。

故模擬過程中對掌子面施加0.18 MPa的法向應力來模擬支護壓力;每次開挖進尺為一環寬1.2 m,模型中每條隧道取36 m長度進行模擬,共30環。

模擬工況為:1)先開挖右線隧道,后開挖左線隧道;2)先開挖左線隧道,后開挖右線隧道;3)左右線同時盾構,共三種情況。

分析過程中考慮離隧道只有1.6 m的2號樁為高風險對象。

2.3 計算結果分析

2.3.1 先開挖右線隧道,后開挖左線隧道

圖4為工況1下沉降變形云圖,其中圖4(a)、圖4(b)分別為右線、雙線貫通后沉降云圖。

可以看出,右線貫通后,最大沉降發生在隧道頂位置,為2.76 mm,地表沉降最大發生在隧道垂直方向中心,沉降在垂直洞軸線方向影響范圍寬度大概40 m;雙線貫通后,地表最大沉降為1.21 mm,沉降在垂直洞軸線方向影響范圍寬度大概為58 m,影響范圍增大。

圖5為橋樁最大沉降與盾構面距橋樁距離關系曲線,橋樁基礎與隧道平面位置關系見圖6。

由圖5可知,隨著盾構開挖面距離橋樁距離越近,對橋樁影響越大;當盾構開挖面距離橋樁5 m時,盾構對橋樁沉降影響最大;開挖面出橋樁5 m后,橋樁沉降速率減小,沉降逐漸趨于穩定。右線隧道貫通在施工左側隧道,左側隧道施工對2號樁沉降影響較小,沉降較為緩慢。右線隧道貫通時橋樁最大沉降為0.88 mm,當雙線隧道貫通時,由于地層受到兩次開挖擾動的疊加作用,橋樁最大沉降由0.88 mm 增長至1.25 mm,右線隧道貫通時橋樁最大沉降占橋樁最大累計沉降量的70%。根據設計要求,橋樁最大沉降控制值為-10 mm～10 mm,橋樁最大沉降量未超過控制值。

圖6為地表最大沉降與開挖面距橋樁距離關系曲線,同理對于地表沉降,在隧道盾構過程中土體沉降速率整體較為穩定,右線貫通時地表最大沉降為0.64 mm,占地表最大累計沉降量的53%,當雙線貫通時對地表沉降所造成的最大沉降增加至1.21 mm(見圖7),根據要求,地表沉降最大控制值為-30 mm～10 mm,同樣未超過控制值。因此整個施工期間不影響行車安全。

2.3.2 先開挖左線隧道,后開挖右線隧道

圖8為工況2下沉降變形云圖,其中圖8(a)、圖8(b)分別為左線、雙線貫通后沉降云圖。

可以看出,左線貫通后,最大沉降發生在隧道頂位置,為2.77 mm,地表沉降最大發生在隧道垂直方向中心,沉降在垂直洞軸線方向影響范圍寬度大概40 m;雙線貫通后,地表最大沉降為1.22 mm,沉降在垂直洞軸線方向影響范圍寬度大概為58 m。沉降影響范圍與工況1一致。

圖9為橋樁最大沉降與盾構開挖面距橋樁距離關系曲線,同樣考慮離隧道只有1.6 m的2號樁。

由圖9可知,由于是先開挖距離2號橋樁較遠的左線,左線開挖對樁沉降影響較小,橋樁最大沉降為0.39 mm;當盾構右線隧道時,開挖面距離橋樁5 m時,盾構對橋樁沉降影響最大;開挖面出橋樁5 m后,橋樁沉降速率減小,沉降逐漸趨于穩定。雙線貫通后橋樁最大沉降由0.39 mm 增長至1.28 mm。雙線貫通后橋樁總體沉降較工況1增加了2.4%,相差較小。

圖10為地表最大沉降與開挖面距橋樁距離關系曲線,與前者類似,左線貫通時地表最大沉降為0.65 mm,占地表最大累計沉降量的53%,當雙線貫通時對地表沉降所造成的最大沉降增加至1.22 mm,較工況1增加了0.8%,兩者相差很小。

由于兩種開挖順序對橋樁及地表產生的沉降幾乎相同,因此在實際施工中無論是先開挖左線還是右線均可行。圖11為盾構對2號樁產生的附加彎矩圖，橋樁所受最大附加彎矩值為6.5 N·m，對橋樁的影響很小。

2.3.3 同時盾構側穿

圖12為工況3下沉降變形云圖。

可以看出,同時貫通后,最大沉降發生在隧道頂位置,為4.5 mm,地表沉降最大發生在隧道垂直方向中心,地表最大沉降為1.56 mm,與前兩種工況相比,隧道頂及地表沉降均增大。

雙線同時盾構下,盾構隧道側穿期間2號橋樁最大沉降與開挖面距橋樁距離關系曲線如圖13所示。

由圖13可知,與前后順序側穿類似,隨著盾構開挖面距離橋樁距離越近,對橋樁影響越大;當盾構開挖面距離橋樁5 m時,盾構對橋樁沉降影響最大;開挖面出橋樁5 m后,橋樁沉降速率減小,沉降逐漸趨于穩定。雙線隧道同時貫通時,橋樁最大沉降1.81 mm,較之工況1，2增加了約45%,在圖14中,當雙線貫通時對地表沉降所造成的最大沉降為1.56 mm,較之工況1，2增加了約29%。

同理,在同時側穿的模擬過程中,橋樁所受到的附加彎矩見圖15。由于同時側穿一定程度上形成了平衡,橋樁所受附加彎矩最大值僅為0.12 N·m,橋樁所受附加彎矩影響可忽略。

雙線同時盾構對樁、地表沉降均比方案一、二大,但滿足設計允許值要求。

2.4 實際監測結果對比

實際盾構施工采用先盾構右線再盾構左線,盾構過程對地表布置了6個沉降監測點,對1號、2號及3號橋樁各布置了2個監測點,監測點分布如圖16所示。

表2為地表最大沉降監測值,表3為橋樁最大沉降監測值。可知實際監測地表累計沉降為1.03 mm～3.77 mm,與數值模擬得出的地表最大沉降1.21 mm相比,兩者差距不大。而實際監測2號橋樁累計沉降平均值1.35 mm,與數值模擬得出的2號橋樁最大沉降1.25 mm,兩者接近。說明數值模擬方法合理正確,數值模擬預測盾構下穿立交橋樁的影響是可行的。

表2 地表沉降監測數據表

表3 壇子口立交橋樁沉降監測數據表

3 盾構沉降控制措施

1)盾構時在符合同步注漿技術與土壓力的同時通過控制推進速度減小對土體的擾動,本工程實際采用盾構側穿壇子口立交橋的正常推進速度控制在3 cm/min～4 cm/min之間,保持勻速推進。

2)注漿可以有效地對施工影響范圍內土體進行加固,注漿壓力控制在0.2 MPa～0.35 MPa。為保證同步注漿質量,控制地表沉降,要求同步注漿量足夠。地表如果出現過大沉陷時,可通過二次注漿進行抬升和補強。

3)根據掌子面地層情況應及時調整掘進參數,調整掘進方向時應設置警戒值,達到警戒值時就應該實行糾偏程序。

4)提升監控力度,施工中加強對周圍道路、管線和臨近建筑物的監測,并及時反饋信息,據此調整和優化施工技術參數,做到信息化施工。

5)加強盾構設備的保養與維修,避免盾構發生故障。

6)正確進行管片拼裝點位,確保拼裝質量與精度,以使管片端面盡可能與計劃的掘進方向垂直。

4 結語

1)實際盾構過程先開挖右線再開挖左線,側穿壇子口立交橋之后,橋樁最大沉降為1.78 mm,地面最大沉降量為3.77 mm,數值計算所得的橋樁最大沉降1.25 mm及地面沉降量1.21 mm與監測結果較為吻合,均在設計允許范圍。

2)左右線先后施工得到的橋樁及地表沉降值接近,雙線同時盾構橋樁最大沉降為1.81 mm,較工況1，2增加了45%,地表沉降1.56 mm,較之增加了29%;隧道施工先后順序對橋樁及地表沉降影響均較小,但雙線同時盾構引起橋樁及地表沉降略大。

3)盾構過程進行雙液漿注漿加固,控制盾構施工參數對橋樁沉降起到了很好的控制效果。