明挖隧道與盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋變形影響及隔離樁效果

呂昌懷 劉燕，2 張亮亮 杜昌言

1.濟(jì)南大學(xué)土木建筑學(xué)院，濟(jì)南 250022；2.山東省城市地下工程支護(hù)及風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250022；3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063；4.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250101

隨著城市軌道交通的逐漸發(fā)展，地鐵隧道與橋梁地上地下縱橫交錯(cuò)的現(xiàn)象愈發(fā)常見。修建鐵路橋梁時(shí)對(duì)橋墩、橋樁變形要求極其嚴(yán)格，眾多學(xué)者對(duì)隧道、基坑下穿橋梁的變形影響及加固措施進(jìn)行了研究。王繼峰等［1］通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究了盾構(gòu)隧道下穿鐵路框架橋時(shí)結(jié)構(gòu)及地表變形特征，并提出了新型的地表注漿工藝；姜諳男等［2］圍繞大連地鐵2號(hào)線香工街車站的蓋挖法施工，采用正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到各施工因素對(duì)橋樁影響的敏感性排序；張學(xué)鋼、閆琪等［3-4］分析了地鐵暗挖隧道施工過程中鄰近既有樁基的受力與變形規(guī)律；胡雄玉［5］通過分析不同加固方式下盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對(duì)近接樁基位移和內(nèi)力的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)穿越地層進(jìn)行加固能有效降低樁基的側(cè)向位移和附加內(nèi)力；趙曉勇［6］通過分析盾構(gòu)隧道側(cè)穿高速鐵路橋樁時(shí)樁基的變形規(guī)律，提出了隔離樁最優(yōu)設(shè)置范圍；邢慧堂等［7］研究了隔離樁對(duì)不同埋深盾構(gòu)隧道施工的影響，結(jié)果表明在新建盾構(gòu)隧道與鄰近高速鐵路橋樁之間施作隔離樁，可以有效減小隧道施工的影響范圍及施工對(duì)鄰近橋樁的影響。

既有文獻(xiàn)大多集中于某一隧道或基坑下穿橋梁的案例，對(duì)明挖隧道與盾構(gòu)隧道先后下穿橋梁的分析尚不多見。本文以濟(jì)南市雙線明挖隧道與盾構(gòu)隧道先后下穿鐵路橋梁為工程依托，通過MIDAS GTS/NX有限元軟件，研究雙線明挖隧道和盾構(gòu)隧道施工時(shí)鐵路橋梁的橋墩、橋樁位移變化規(guī)律及隔離樁的保護(hù)效果。

1 工程概況

雙線明挖隧道以88°夾角下穿客運(yùn)專線及聯(lián)絡(luò)線，隧道穿越處客運(yùn)專線、聯(lián)絡(luò)線均為鐵路橋梁。雙線明挖隧道從A#、B#、C#橋墩處下穿客運(yùn)專線鐵路橋；從1#、2#、3#橋墩處下穿聯(lián)絡(luò)線鐵路橋，平面位置見圖1。

圖1 雙線明挖隧道與客運(yùn)專線、聯(lián)絡(luò)線平面位置示意

客運(yùn)專線鐵路橋各橋墩承臺(tái)（厚2.2 m）下方設(shè)10根?1 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)40～44 m；聯(lián)絡(luò)線鐵路橋各橋墩承臺(tái)（厚2.0 m）下方設(shè)8根?1 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)44～46 m。東、西線明挖隧道基坑均長(zhǎng)91 m，寬15 m，深10.5 m。雙線明挖隧道穿越后，雙線盾構(gòu)隧道從其下方穿越鐵路橋梁，東、西線盾構(gòu)隧道外徑均為6.4 m，管片厚0.3 m，盾構(gòu)隧道中心與明挖隧道結(jié)構(gòu)底板的豎向距離為7.79 m，具體見圖2、圖3。

圖2 下穿客運(yùn)專線橫斷面（單位：m）

圖3 下穿聯(lián)絡(luò)線橫斷面（單位：m）

隧道穿越處土層主要為粉土、粉質(zhì)黏土，隧址區(qū)地下水類型為第四系孔隙潛水，地下水埋深1.4～5.8 m。

2 對(duì)比方案

為保護(hù)既有鐵路橋墩和橋樁，擬定了兩種方案對(duì)比分析。方案1：明挖隧道基坑僅采用?1 m@0.8 m鉆孔灌注樁作為圍護(hù)樁，樁長(zhǎng)24.5 m。方案2：在方案1的基礎(chǔ)上另外在靠近明挖隧道處的鐵路橋墩（A#、B#、C#及1#、2#、3#）周圍布置?0.8 m@1 m鉆孔灌注樁作為隔離樁，樁長(zhǎng)亦為24.5 m，見圖4。

圖4 圍護(hù)樁與隔離樁平面位置

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

考慮到邊界效應(yīng)，邊界距坑邊的距離均大于3倍基坑開挖深度。數(shù)值模型（圖5）尺寸為200.0 m（長(zhǎng)）×130.0 m（寬）×52.4 m（高）。模型中僅建立橋墩及橋樁，根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》將橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載簡(jiǎn)化為面荷載，施加在橋墩面上。客運(yùn)專線、聯(lián)絡(luò)線面荷載分別取1 465.56、1 765.66 kN/m2。

圖5 數(shù)值模型

3.2 計(jì)算參數(shù)確定

模型中各結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，土層力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 土層力學(xué)參數(shù)

3.3 施工步驟

①雙線明挖隧道基坑圍護(hù)樁施工（方案2需增加隔離樁施工）；②西線明挖隧道基坑開挖至地下1 m，澆筑第一道混凝土支撐；③西線明挖隧道基坑開挖至地下5 m后架設(shè)第二道鋼支撐，并開挖至坑底；④西線明挖隧道主體結(jié)構(gòu)施工；⑤西線明挖隧道覆土回填；⑥東線明挖隧道基坑開挖至地下1 m，澆筑第一道混凝土支撐；⑦東線明挖隧道基坑開挖至地下5 m后架設(shè)第二道鋼支撐，并開挖至坑底；⑧東線明挖隧道主體結(jié)構(gòu)施工；⑨東線明挖隧道覆土回填；⑩西線盾構(gòu)隧道施工；?東線盾構(gòu)隧道施工。

3.4 模擬結(jié)果分析

3.4.1 橋墩豎向位移

在雙線明挖隧道施工過程中，兩種方案橋墩最大累計(jì)豎向位移均出現(xiàn)在東線明挖隧道基坑開挖至坑底（施工步7）時(shí)，且均出現(xiàn)在B#橋墩，故以B#橋墩為例進(jìn)行分析。

兩種方案B#橋墩累計(jì)豎向位移見圖6。其中負(fù)值表示沉降。可知：①方案1、方案2最大累計(jì)豎向位移分別為-3.610、-1.137 mm，與方案1相比，方案2中B#橋墩最大累計(jì)豎向位移減小了68.5%，可見隔離樁對(duì)橋墩豎向位移的控制效果顯著。②方案1明挖隧道圍護(hù)樁施工+基坑開挖（施工步1～3+施工步6～7）、明挖隧道主體結(jié)構(gòu)施工+覆土回填（施工步4～5+施工步8～9）、盾構(gòu)隧道下穿（施工步10～11）所導(dǎo)致的橋墩豎向位移分別占橋墩總豎向位移的60.14%、27.07%、12.79%。

圖6 兩種方案B#橋墩累計(jì)豎向位移對(duì)比

方案2中各橋墩累計(jì)豎向位移變化曲線見圖7。可知：①雙線明挖隧道基坑的圍護(hù)樁及隔離樁施工（施工步1）使所有橋墩沉降0.25 mm左右，西線明挖隧道基坑開挖（施工步2～3）使橋墩繼續(xù)沉降，主體結(jié)構(gòu)施工+覆土回填（施工步4～5）使橋墩隆起，最大隆起量為0.141 mm（B#橋墩）。②西、東線盾構(gòu)隧道施工（施工步10～11）所導(dǎo)致的橋墩最大沉降量為0.140 mm（B#橋墩）。

圖7 方案2各橋墩累計(jì)豎向位移變化曲線

3.4.2 橋樁水平位移

由于各個(gè)橋墩承臺(tái)下的樁數(shù)較多，本文選取C#橋墩下中心位置的樁進(jìn)行分析。兩方案C#墩橋樁的最大水平位移均出現(xiàn)在東線明挖隧道基坑開挖至坑底（施工步7）時(shí)。兩方案在施工步7時(shí)C#墩橋樁水平位移見圖8。可知：方案1、方案2在施工步7最大水平位移分別為3.943、1.551 mm，采用隔離樁后C#墩橋樁最大水平位移減小了60.7%。

圖8 兩種方案在施工步7時(shí)C#墩橋樁水平位移對(duì)比

方案2各施工步下C#墩橋樁水平位移曲線見圖9。其中向坑內(nèi)位移為正。可知：①西、東線明挖隧道基坑開挖（施工步2～3+施工步6～7）使橋樁發(fā)生了兩次較大位移，西、東線隧道基坑開挖所導(dǎo)致的C#墩橋樁最大水平位移分別為0.314、0.665 mm。由于C#墩橋樁位于雙線明挖隧道東側(cè)，故西線隧道基坑開挖對(duì)橋樁的影響比東線隧道基坑開挖時(shí)小。②西、東線盾構(gòu)隧道施工（施工步10～11）會(huì)使橋樁整體向坑內(nèi)位移，深26 m處C#墩橋樁向坑內(nèi)移動(dòng)了0.088 mm，其值是深24 m處位移（0.062 mm）的1.42倍。這是由于圍護(hù)樁和隔離樁的樁長(zhǎng)均為24.5 m，圍護(hù)樁與隔離樁對(duì)該范圍內(nèi)橋樁的保護(hù)作用好于24.5 m深以下。

圖9 方案2各施工步下C#墩橋樁水平位移曲線

4 結(jié)語(yǔ)

1）兩方案均在東線明挖隧道基坑開挖至坑底時(shí)橋墩累計(jì)豎向位移達(dá)到最大值，且均出現(xiàn)在B#橋墩，其值分別為-3.610、-1.137 mm。方案1明挖隧道圍護(hù)樁施工+基坑開挖、明挖隧道主體結(jié)構(gòu)施工+覆土回填、盾構(gòu)隧道下穿所導(dǎo)致的橋墩豎向位移分別占橋墩總豎向位移的60.14%、27.07%、12.79%。

2）橋樁會(huì)隨著明挖隧道基坑的開挖向坑內(nèi)移動(dòng)，橋樁水平位移最大值出現(xiàn)在東線明挖隧道基坑開挖至坑底時(shí)。受樁長(zhǎng)限制，圍護(hù)樁和隔離樁對(duì)深24.5 m以下橋樁的保護(hù)作用減弱。

3）在圍護(hù)樁的基礎(chǔ)上增加隔離樁，對(duì)橋墩和橋樁位移的控制效果顯著。與不采用隔離樁相比，橋墩最大累計(jì)豎向位移減小了68.5%，橋樁最大水平位移減小了60.7%。