組合加固技術(shù)在綜合管廊下穿大斷面箱涵結(jié)構(gòu)中的加固效果分析*

劉 強(qiáng)，駱發(fā)江，田 勇，孟 錦，張 波，黃松松，陳生杰

(中建三局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

地下結(jié)構(gòu)施工過程中，對(duì)既有地下建筑結(jié)構(gòu)的保護(hù)已成為地下結(jié)構(gòu)施工的重要內(nèi)容。如何將既有建筑的變形控制到毫米級(jí)別是決定地下結(jié)構(gòu)施工能否成功的重要技術(shù)難點(diǎn)。

本文結(jié)合西安市科技二路管廊項(xiàng)目，以下穿大斷面地下皂河箱涵結(jié)構(gòu)頂管施工為依托，采用組合加固技術(shù)，保護(hù)既有箱涵結(jié)構(gòu)；利用MIDAS-GTS有限元分析軟件對(duì)大斷面矩形頂管下穿既有排水箱涵進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)未采用組合加固措施和采用組合加固措施后的兩種工況進(jìn)行對(duì)比分析，以此來研究該技術(shù)在河道土層中的加固效果及適用性，收集施工參數(shù)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為類似工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

西安市科技二路綜合管廊西起西三環(huán)，東至丈八北路，總長度2 620m。管廊為四艙矩形結(jié)構(gòu)，與皂河、灃三干渠存在交叉，如圖1所示。皂河為西安城市雨水排放的主要河體，結(jié)構(gòu)形式為大斷面暗涵，灃三干渠是向漢城湖供水的主要渠道。為不影響兩條河道的正常使用，綜合管廊需下穿皂河及灃三干渠，下穿段管廊頂部覆土約12.5m，管廊距皂河箱涵底板約3m，距離灃三干渠底約9m。皂河箱涵凈截面尺寸為2m×7.5m×5.7m，截面總寬17m。

圖1 綜合管廊下穿皂河箱涵平面Fig.1 Plan of utility tunnel crossing Zaohe River box culvert

管廊若采取明挖施工方案，需另行征地修建導(dǎo)流明渠，城市防洪風(fēng)險(xiǎn)大，綜合考慮采用土壓平衡矩形頂管施工方案。為降低頂管施工對(duì)皂河箱涵結(jié)構(gòu)的影響，需在施工前對(duì)皂河箱涵周邊土體進(jìn)行預(yù)加固；經(jīng)過多次深化設(shè)計(jì)論證，決定采用水平和豎向組合加固技術(shù)。

1.2 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地地層主要為：①素填土、②1黃土狀粉質(zhì)黏土、②2中細(xì)砂、③黃土、④古土壤、⑤1粉質(zhì)黏土、⑤中粗砂。其中②1黃土狀粉質(zhì)黏土、③黃土、④古土壤、⑤1粉質(zhì)黏土層層位均勻穩(wěn)定，多呈可塑～硬塑狀態(tài)。場(chǎng)地頂管②1黃土狀粉質(zhì)黏土濕陷性等級(jí)為I 級(jí)非自重(輕微)，場(chǎng)地地下水位埋深14.8～20.5m。

2 加固設(shè)計(jì)方案

皂河箱涵和頂管之間凈間距約為3m，加固設(shè)計(jì)的基本思路是加固兩者之間的3m土體和皂河箱涵兩側(cè)的土體，形成一個(gè)有一定強(qiáng)度(非高強(qiáng)度體)的U形加固體，當(dāng)頂管施工出現(xiàn)土壓力不平衡時(shí)，可避免箱涵出現(xiàn)大幅沉降、隆起或水平變形，同時(shí)抵抗在頂管水平推力下皂河箱涵所受水平剪力。加固方案如圖2所示，主要由水平加固區(qū)和豎向加固區(qū)組成。

圖2 加固方案Fig.2 Reinforcement scheme

3 土體加固方案選擇

1)水平MJS加固樁可從多角度進(jìn)行高壓噴射注漿施工，特別是其特有的排漿方式，能在保持穩(wěn)定地內(nèi)壓力的情況下進(jìn)行水平加固施工，具有對(duì)加固樁周圍地層影響小、成樁質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

2)傳統(tǒng)高壓噴射注漿工藝產(chǎn)生的多余泥漿通過土體與鉆桿的間隙，自然排至地面縫隙中。這樣的排漿方式往往造成地層內(nèi)壓力偏大，導(dǎo)致周圍地層產(chǎn)生較大變形、地表隆起，影響皂河箱涵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。同時(shí)因地層深處的排泥較困難，鉆桿和高壓噴射嘴周邊的壓力增大會(huì)導(dǎo)致噴射效率降低，影響加固效果及可靠性。MJS加固樁工藝通過地內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)和強(qiáng)制排漿的手段，可確保地內(nèi)壓力穩(wěn)定，鉆桿前端造孔裝置上設(shè)置的排泥口，施工過程中，當(dāng)鉆桿端頭的壓力傳感器測(cè)得孔內(nèi)壓力較高時(shí)，會(huì)通過調(diào)節(jié)泥漿排出量來控制地內(nèi)壓力。可大幅度減少施工對(duì)周邊環(huán)境的擾動(dòng)，保證成樁效果；同時(shí)通過專用排泥管，將廢棄泥漿輸送至地面泥漿池內(nèi)，處理后運(yùn)出場(chǎng)地，減少了對(duì)周邊環(huán)境的污染，做到了綠色施工。

經(jīng)過上述分析，水平向厚度約3m的土體加固采用質(zhì)量可靠、對(duì)地層影響較小的MJS水平樁，φ2 200mm@1 500mm。箱涵兩側(cè)豎向土體加固采用傳統(tǒng)性價(jià)比較高的高壓旋噴樁，φ800mm@650mm。

4 施工重難點(diǎn)分析

1)MJS水平樁施工過程中需嚴(yán)格控制地內(nèi)壓力，避免注漿壓力的逐步增加引起皂河箱涵結(jié)構(gòu)變形。

2)施工過程中應(yīng)密切監(jiān)測(cè)土體和箱涵變形，變形值異常時(shí)，應(yīng)立刻停止工作。同時(shí)根據(jù)變形監(jiān)測(cè)調(diào)整地內(nèi)壓力控制數(shù)據(jù)。

3)應(yīng)先進(jìn)行MJS水平加固樁施工再進(jìn)行豎向高壓旋噴樁施工，確保豎向加固體的完整性。

5 組合加固施工工藝

組合加固工藝采用水平MJS加固樁和豎向高壓旋噴樁組合形成的U形加固體。先施工水平MJS加固樁，后施工豎向高壓旋噴樁。因頂管頂部與皂河底部間距較小，僅3m，采用水平MJS加固樁可以更好發(fā)揮其地內(nèi)壓力穩(wěn)定、可控的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可最大程度減少對(duì)箱涵底的擾動(dòng)，而豎向高壓旋噴樁的應(yīng)用避免了頂管與箱涵底因距離較近受頂力影響而產(chǎn)生水平剪力破壞。

組合加固樁的施工順序?qū)M合加固體的加固效果至關(guān)重要，加固施工過程中應(yīng)先施工水平MJS加固樁，然后再施工豎向高壓旋噴樁。先施工水平MJS加固樁是為了確保豎向高壓旋噴樁的完整性，以更好抵抗在頂管水平推力下箱涵所受水平剪力，同時(shí)又因?yàn)楦邏盒龂姌稑稄叫　⒚芏却蟆⒂行Ъ庸堂娣e大，而MJS加固樁樁徑大、咬合小(僅有700mm)且樁徑受壓力控制；先施工水平MJS加固樁然后施工豎向高壓旋噴樁，后者在施工過程中可以有效地補(bǔ)充并增大MJS加固樁的加固范圍；但如果先施工豎向高壓旋噴樁后施工水平MJS加固樁，后者樁徑受壓力控制，加固過程很難彌補(bǔ)兩者結(jié)合處及周邊范圍土體，也不利于豎向樁樁身完整性，使結(jié)合處加固效果大打折扣。

因此，在需要穿越的暗埋結(jié)構(gòu)周圍采用合理的施工順序形成的U形加固土體質(zhì)量更好，為大斷面矩形頂管近距離下穿地下箱涵創(chuàng)造了穩(wěn)定的施工條件，克服了以往頂管施工中常見的地面及地下構(gòu)筑物沉降隱患，保證地下構(gòu)筑物的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 組合加固效果分析

6.1 有限元分析

6.1.1既有箱涵頂板豎向位移分析

為研究頂管施工過程中，組合加固對(duì)現(xiàn)狀皂河箱涵穩(wěn)定性的影響程度，優(yōu)化在管廊頂管施工過程中對(duì)既有箱涵變形的控制措施，通過建立有限元模型對(duì)比分析未采取加固措施和采取加固措施后的兩種工況(見圖3)。模型主要分析了組合加固箱涵周圍土體后箱涵的變形情況，著重分析各工況下既有箱涵頂豎向位移、側(cè)墻水平位移等指標(biāo)，研究組合加固樁在頂管施工時(shí)對(duì)既有箱涵在加固下的效果。

圖3 兩種工況有限元模型Fig.3 Finite element models under two working conditions

1)通過數(shù)值模擬，未采用組合加固措施與采用組合加固措施下既有皂河箱涵的頂板豎向變形云圖如圖4所示。大斷面矩形頂管施工采用組合加固既有箱涵措施在減少既有箱涵的拱頂豎向位移，保證既有箱涵的穩(wěn)定性方面具有明顯的效果。

圖4 豎向變形云圖Fig.4 Nephogram of vertical deformation

2)未采取組合加固措施的既有箱涵，在進(jìn)行大斷面矩形頂管下穿施工后，位于管廊上方的影響區(qū)域，既有箱涵頂板沉降值為15mm左右，其中最大沉降值為15.35mm。采用組合加固后的既有箱涵在大斷面矩形頂管施工完成后，頂板最大沉降值減少為9.47mm，與之前相比減少38.31%，對(duì)既有箱涵頂板的豎向位移控制效果良好。由此說明組合加固措施對(duì)既有箱涵頂板的豎向位移控制效果良好。

3)為深入研究組合加固既有箱涵下方土體對(duì)該既有箱涵穩(wěn)定性的影響效果，選取整個(gè)模型作為研究對(duì)象，通過分析影響范圍內(nèi)既有箱涵頂板豎向位移變形值驗(yàn)證加固方法的有效性。由圖4可以看出，箱涵在應(yīng)力集中處的位移變化較大，故分別選取箱涵左線與右線上頂板中部位置的位移變化進(jìn)行分析，相鄰1m選取1個(gè)取值點(diǎn)研究頂板變形值，如圖5所示，位移變形為正則表示箱涵頂板隆起，為負(fù)則說明箱涵頂板發(fā)生沉降。由圖5可以看出，既有箱涵頂板無論是左、右緣或是從中段往兩端的位移變化均不一致，這是因?yàn)橄麓┕芾软斶M(jìn)的方向與既有箱涵不垂直，所以施工步距進(jìn)行到不同階段箱涵左線與右線的沉降位移規(guī)律不相同。但箱涵頂板在加固前與加固后的位移變化趨勢(shì)基本一致，加固后的位移變化最大值普遍降低。在整個(gè)施工階段的位移變化量多為負(fù)數(shù)，說明既有箱涵在下穿頂管施工過程中的位移變化以沉降為主。

圖5 不同工況下既有箱涵頂板位移Fig.5 Roof displacement under different working conditions

4)未采用組合加固時(shí)，箱涵頂板左、右緣在管廊頂進(jìn)施工初期即施工步距離箱涵仍有一定距離時(shí)位移變化量均較小，頂管第1步進(jìn)行時(shí)箱涵的位移變化量約為0；在采用組合加固后，即使施工步距未接近箱涵下方土體，箱涵位移變形也開始發(fā)生，如第1步頂進(jìn)過程中箱涵頂板的位移變形為3.5～4mm。右緣位移變化出現(xiàn)了正值，說明在施工過程中箱涵右緣會(huì)出現(xiàn)不同程度的隆起。針對(duì)2種工況模型分析，左緣的位移最大值在未加固前為16mm，加固后位移最大值為9.5mm，降低了40.6%；右緣由12mm降低到了6.5mm，降低45.8%；既有箱涵縱向變形過大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致箱涵出現(xiàn)裂縫、漏水，影響管廊頂管施工，采用組合加固后，整個(gè)箱涵拱頂?shù)奈灰谱兓鄬?duì)減少，豎向位移變形差值減小，對(duì)箱涵的保護(hù)效果明顯。

6.1.2既有箱涵水平位移分析

1)組合加固前既有箱涵腹板在x方向的水平變形如圖6所示。因?yàn)閥方向上水平位移與x方向上發(fā)生的位移變化相比很小，所以用x方向上的位移變化量作為代表分析組合加固措施對(duì)腹板的水平變化改善效果是可行的，以既有箱涵左腹板、右腹板上位移變化較大的變化路徑為分析對(duì)象，其中正值表示沿著頂管頂進(jìn)的方向發(fā)生變形。

圖6 腹板水平位移云圖Fig.6 Horizontal displacement nephogram of web

2)未采用組合加固措施的既有箱涵腹板水平變形位移值均小于7mm，其中左腹板最大水平位移值為5.94mm，右腹板的最大水平位移值為6.63mm；采用組合加固后的既有箱涵，頂管施工完成后，左腹板水平位移值減少為2.07mm，右腹板最大水平位移減少為2.17mm。既有箱涵左腹板水平位移值減少65.15%，右腹板水平位移值減少67.26%，加固效益明顯提高。

3)為深入研究組合加固措施對(duì)既有箱涵腹板水平位移的影響效果，以左、右腹板與底板相交的位置為基準(zhǔn)線，沿箱涵縱向每隔1m選取1個(gè)測(cè)點(diǎn)，左、右腹板共取2條測(cè)線對(duì)既有箱涵腹板的水平位移進(jìn)行分析，選取既有箱涵中點(diǎn)為中心，向兩邊擴(kuò)散，如圖7所示，其中正值表示沿著頂管頂進(jìn)的方向發(fā)生變形。由圖7可知，既有箱涵腹板水平位移變形規(guī)律基本一致，且加固措施對(duì)既有箱涵水平變形的影響較豎向變形明顯增加。

圖7 不同工況下腹板水平位移Fig.7 Horizontal displacement of web under different working conditions

6.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

6.2.1施工監(jiān)測(cè)

為判定組合加固在下穿施工期間的安全性及對(duì)周邊環(huán)境的影響，并對(duì)可能發(fā)生的危險(xiǎn)及環(huán)境安全隱患或事故提供及時(shí)、準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，以便及時(shí)采取有效措施，避免事故發(fā)生，同時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證有限元模型計(jì)算結(jié)果的正確性，以保證在正確的模型基礎(chǔ)上對(duì)加固參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保施工過程的安全穩(wěn)定，因此采用自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀器監(jiān)測(cè)頂管穿越對(duì)箱涵變形的影響。監(jiān)測(cè)內(nèi)容為地表豎向位移,具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面Fig.8 Layout of monitoring points

6.2.2結(jié)果分析

沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)沉降曲線如圖9所示。由圖9可知，隨著施工的進(jìn)行，各監(jiān)測(cè)斷面的測(cè)點(diǎn)都出現(xiàn)了不同程度的隆起，但整體趨勢(shì)基本一致，在最后一周的監(jiān)測(cè)地表沉降達(dá)到峰值。兩條測(cè)線地表沉降極值分別為17.89，10.34mm；極大值的測(cè)點(diǎn)均大致位于箱涵的中軸線處，符合一般沉降規(guī)律且最大沉降值處于安全可控的范圍內(nèi)。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線Fig.9 Settlement curve of monitoring points

6.2.3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

分別取頂管施工下穿箱涵段2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10所示，可知管廊施工中的2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元軟件模擬結(jié)果基本吻合。

圖10 模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析Fig.10 Comparison and analysis of analog values and measured values

通過對(duì)比觀察各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表累積沉降變化，可以發(fā)現(xiàn)既有箱涵上方地表的位移變化基本在安全可控狀態(tài)，無異常情況。由各監(jiān)測(cè)點(diǎn)收集到的地表沉降規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果有一定相似性，進(jìn)一步說明了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，給既有箱涵結(jié)構(gòu)的安全性提供了佐證。

根據(jù)頂板、腹板的位移變化數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：頂板在組合加固前會(huì)出現(xiàn)不同方向的豎向位移，說明在施工期間頂板不僅會(huì)發(fā)生隆起，還會(huì)發(fā)生沉降，這樣的變化趨勢(shì)會(huì)增加箱涵上頂板和底板裂縫的出現(xiàn)幾率，增大塑性區(qū)范圍，極大地影響既有箱涵的使用壽命和服務(wù)水平。通過采用組合加固既有箱涵下方土體解決了該問題，加固后的頂板只會(huì)出現(xiàn)一個(gè)方向上的位移。無論是頂板的豎向位移還是腹板的水平位移，與未加固前箱涵受到的影響隨著施工步距的推進(jìn)逐漸增加不同，采用組合加固樁進(jìn)行加固后在第1步施工時(shí)箱涵就會(huì)受到影響，如上述各位移變化圖中所示，第1步施工步進(jìn)行時(shí)箱涵已發(fā)生位移變形，豎向位移普遍在5mm左右，水平位移則在1.2mm左右，這說明加固后土體的完整性較好，當(dāng)頂管頂進(jìn)在加固土體中開始進(jìn)行時(shí)，后方很大范圍內(nèi)的土體都會(huì)受到影響。

7 結(jié)語

通過采用組合加固措施后，在一定程度上提高了既有箱涵周圍土層的彈性模量，避免箱涵和周邊土體產(chǎn)生大的變形。其中箱涵頂板沉降量減少了38.31%，腹板水平位移減少了65.15%，監(jiān)測(cè)到的地表沉降規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果一致。由此說明，管廊下穿既有箱涵時(shí)采用組合加固措施后，結(jié)構(gòu)的變形位移滿足控制要求，在很大程度上保證了既有箱涵的安全性，同時(shí)表明該數(shù)值模型能夠很好地模擬實(shí)際矩形頂管開挖過程。