砂卵石地層下復(fù)合錨桿樁對(duì)保護(hù)橋樁的作用分析

王東清

(北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088)

0 引言

近年來(lái)，復(fù)合錨桿樁施工技術(shù)在地鐵下穿各種橋梁基礎(chǔ)等建筑物的加固中得到應(yīng)用，它對(duì)橋樁等建筑物起到了一定的保護(hù)作用。但復(fù)合錨桿樁造價(jià)較高，受環(huán)境影響因素大［1］，在砂卵石等持力較好的地層中的實(shí)際作用有待進(jìn)一步分析和確定。姚宣德［2］分析了隧道開挖過(guò)程引起的地層移動(dòng)與變形對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的影響。楊慧林等［3］對(duì)復(fù)合錨桿樁施工工藝特性和機(jī)制進(jìn)行了分析，總結(jié)出在臨近既有橋梁、建筑等基礎(chǔ)進(jìn)行新建地下工程施工時(shí)，采用復(fù)合錨桿樁加固地層，能有效保護(hù)既有建構(gòu)筑物基礎(chǔ)，減小并控制沉降。楊陜南［4］根據(jù)地鐵10號(hào)線公主墳暗挖站卵石含量較多的地層情況，針對(duì)橋樁距離車站凈距離只有4 m時(shí)，采用復(fù)合錨桿樁加固橋樁。賈永剛等［5］通過(guò)計(jì)算分析暗挖隧道對(duì)既有橋樁的影響，并結(jié)合隧道施工的實(shí)際監(jiān)測(cè)資料，認(rèn)為在暗挖隧道下穿橋樁時(shí)采用復(fù)合錨桿樁加固的措施是安全可靠的。文獻(xiàn)［6－7］詳細(xì)介紹了復(fù)合錨桿樁的施工工藝以及技術(shù)要求，對(duì)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及相應(yīng)對(duì)策進(jìn)行了闡述。陳廣亮［8］則從另一個(gè)角度出發(fā)，采用洞內(nèi)施作復(fù)合錨桿樁對(duì)橋樁周邊土體進(jìn)行加固，以提高橋樁摩阻力。王力勇等［9］在隧道結(jié)構(gòu)施工時(shí)采用增加臨時(shí)仰拱及水平袖閥管注漿等工程措施加固隧道周邊地層，控制沉降，保證隧道掘進(jìn)安全。吳文忠等［10］利用有限元，對(duì)隧道施工產(chǎn)生的地表沉降變形及引起建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化進(jìn)行分析，為隧道施工沉降控制指標(biāo)的確定提供了依據(jù)。

以往工程多采用復(fù)合錨桿樁對(duì)橋梁或建筑物進(jìn)行加固，注重復(fù)合錨桿樁的實(shí)施效果。沒(méi)有對(duì)持力較好的砂卵石地層下是否必須采取加固措施進(jìn)行針對(duì)性的研究。本文在同種地層、同施工工藝、同施工環(huán)境和同施工標(biāo)準(zhǔn)條件下，分別對(duì)采用復(fù)合錨桿樁和不采用復(fù)合錨桿樁2種施工情況進(jìn)行實(shí)際工程類比，通過(guò)連續(xù)的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，使人們對(duì)復(fù)合錨桿樁在砂卵石地層中對(duì)橋樁等建筑物的保護(hù)作用有了新的認(rèn)識(shí)。

1 工程概況

北京地鐵14號(hào)線暗挖區(qū)間近距離下穿某大型立交橋，其中近距離穿越橋樁7次(地鐵隧道距離穿越橋樁凈距離在5 m以內(nèi))，且樁端在隧道中心線以上的隧道肩部——受力最不利位置。地鐵暗挖隧道為馬蹄形標(biāo)準(zhǔn)斷面(6 570 mm×6 480 mm)，格柵間距500 mm，初襯厚度250 mm。自上而下主要地層為粉土填土①、粉砂至細(xì)砂②3、圓礫至卵石②5、中砂、粗砂⑤1、卵石⑤和層卵石⑦。隧道結(jié)構(gòu)覆土厚度為10.1～15.3 m，隧道穿越地層主要為卵石⑤層、中砂和粗砂⑤1層。地下水位于結(jié)構(gòu)線以下。設(shè)計(jì)采用復(fù)合錨桿樁對(duì)橋樁進(jìn)行加固保護(hù)，使其與隧道間形成隔離來(lái)控制橋梁沉降。

2 沉降控制要求及加固措施設(shè)計(jì)

2.1 橋梁沉降控制要求

1)橋梁豎向均勻沉降15 mm。

2)縱向不均勻沉降位移控制值為5 mm。

3)墩柱橫橋向相鄰基礎(chǔ)不均勻沉降位移控制值為3 mm。

4)橋區(qū)相關(guān)道路路面沉降控制值為10 mm。

2.2 加固措施設(shè)計(jì)

為保證施工過(guò)程的安全，設(shè)計(jì)主要采用復(fù)合錨桿樁對(duì)橋樁進(jìn)行隔離加固，對(duì)橋樁周圍土體加固和改良，以不降低原有側(cè)摩阻力為目的來(lái)控制沉降，具體位置關(guān)系如圖1和圖2所示。

3 理論分析

本工程暗挖隧道邊緣最近處距離橋樁不到1 m，如果不采取相應(yīng)措施，該部分橋樁的整體摩擦力將會(huì)全部失去，并且周邊土體變形也會(huì)導(dǎo)致未動(dòng)土層摩擦力的降低。經(jīng)驗(yàn)算，麗澤橋橋樁單樁承載力以側(cè)摩阻為主，約占總承載力的65%，端阻力約占總承載力的35%，根據(jù)樁身進(jìn)入長(zhǎng)度不同，卵石⑤層和卵石⑦層提供的側(cè)摩阻力較大。計(jì)算過(guò)程中假定側(cè)阻力損失率為20%，經(jīng)加固后，加固體彈性模量和泊松比發(fā)生變化，加固體強(qiáng)度升高。按5 MPa計(jì)算得出側(cè)阻力和端阻力各占總承載力的50%，所以加固區(qū)的重點(diǎn)為樁端和處于卵石⑤層和卵石⑦層的樁周。

通過(guò)連續(xù)體的快速 Lagrangian分析法，利用Mohr－Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，從整體上研究樁—土—隧道三者間的作用特征，著重分析不同施工工況下單樁、群樁的位移及內(nèi)力變化規(guī)律，得出隧道貫通時(shí)土體變形曲線如圖3所示。隧道施工對(duì)地表及隧道周圍土體造成了較大范圍的影響，主要表現(xiàn)為上覆土層出現(xiàn)較大程度地沉降，隧道底部土體向上隆起，最大的土體變形出現(xiàn)在隧道頂部。由圖3(a)可知，樁體的存在對(duì)其周圍土體變形影響較大，施工過(guò)程中樁體的下沉引起周圍土體的附加沉降，豎向變形明顯增大。從圖3(b)可以看出，沿隧道施工前進(jìn)方向，地表土體的最大沉降主要發(fā)生在施工前期地表段，而后期地表的變形較小。隧道周圍土體存在波浪狀的變形，這表明在不同施工工況中土體應(yīng)力都得到了一定程度的釋放。

圖3 貫通時(shí)土體變形曲線(單位:m)Fig.3 Calculated ground deformation after tunnel breakthrough(m)

4 復(fù)合錨桿樁施工技術(shù)

4.1 復(fù)合錨桿樁方案設(shè)計(jì)

復(fù)合錨桿樁直徑150 mm，采用φ50鋼管(煤氣管)和3根φ18定位鋼筋作為復(fù)合錨桿樁鋼筋籠子的骨架，每段長(zhǎng)100 mm，間距1 m，3根φ20鋼筋作為復(fù)合錨桿縱向主受力筋。另附3根φ20塑料管作為注漿管，每根注漿管出漿口范圍距底端4 m，注漿管φ20 mm，出漿孔φ4 mm，4孔豎向錯(cuò)開150 mm，復(fù)合錨桿樁構(gòu)造圖如圖4所示。采用2次注漿，第1次注漿壓力0.4～0.5 MPa，孔口溢漿時(shí)結(jié)束本次注漿，水泥漿水灰質(zhì)量比0.5∶1;第2次注漿采用中高壓注漿，注漿壓力1.0 ～1.5 MPa，水泥漿水灰質(zhì)量比 0.75∶1，在第1次注漿完成后10～15 h進(jìn)行;第3次注漿壓力1.5～2.0 MPa，在第2次注漿完成后5～10 h進(jìn)行，水泥漿水灰質(zhì)量比0.75∶1。注漿采用普通硅酸鹽P·O42.5水泥。

4.2 復(fù)合錨桿樁施工機(jī)械選型

根據(jù)加固地層大部分為砂卵石的實(shí)際情況，采用日本RPD130C全液壓錨桿鉆機(jī)成孔，采用能滿足設(shè)計(jì)注漿壓力的雙液注漿機(jī)。施工機(jī)具如圖5所示，具體機(jī)械設(shè)備投入見表1。

表1 工程機(jī)械設(shè)備投入安排Table 1 List of machinery needed to install composite bolt piles

4.3 復(fù)合錨桿樁施工

4.3.1 施工工藝

復(fù)合錨桿樁施工主要有機(jī)具選型、鉆孔、安裝鋼筋籠及注漿管、注漿幾個(gè)步驟，如圖6所示。

4.3.2 施工準(zhǔn)備

首先對(duì)加固區(qū)周邊區(qū)域進(jìn)行物探，探明地下管線類型、規(guī)格和埋深，并采用人工挖探方法，對(duì)挖探出的地下管線進(jìn)行標(biāo)識(shí)，之后將探槽回填密實(shí)。

4.3.3 成孔

當(dāng)止?jié){盤達(dá)到強(qiáng)度以后進(jìn)行復(fù)合錨桿樁鉆孔施工，鉆孔采用日本RPD130C全液壓錨桿鉆機(jī)，移動(dòng)鉆機(jī)就位，調(diào)整鉆桿垂直度，進(jìn)行鉆進(jìn)施工至設(shè)計(jì)標(biāo)高，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行跳孔施工。

4.3.4 下放鋼筋籠及安裝注漿管

采用整體加工、分段下放的原則進(jìn)行鋼筋籠作業(yè)和安裝。分段的鋼筋籠在安裝入孔的同時(shí)，采用直螺紋接駁器按安裝次序連接牢固。安裝時(shí)需對(duì)準(zhǔn)孔位，緩慢下放，避免鋼筋籠碰撞孔壁。注漿管共計(jì)3根，均為直徑20 mm的鋼制自來(lái)水管，采用絲扣連接，分段長(zhǎng)度與鋼筋籠相同。注漿管上的出漿孔直徑為4 mm，間距150 mm，最下端的出漿口距離注漿管端部4 m。第1根注漿管端不封閉，另外2根管端封閉，并且第2根注漿管比第1根和第3根短4 m。安裝注漿管時(shí)，將第2根和第3根注漿管的出漿孔用塑料膠帶粘貼以隔離漿液，防止第1根管注漿施工時(shí)，漿液封堵其他注漿管出漿孔。

4.3.5 注漿

鋼筋籠及注漿管安裝完畢后，按設(shè)計(jì)要求參數(shù)進(jìn)行漿液配制和注漿。

5 實(shí)施效果及沉降分析

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)1－4軸和1－5軸2個(gè)與隧道凈距離為1.4 m左右的橋樁進(jìn)行復(fù)合錨桿樁加固，從現(xiàn)場(chǎng)開挖情況來(lái)看，復(fù)合錨桿樁樁體堅(jiān)固，周邊土體相對(duì)密實(shí)，加固效果圖如圖7所示。由此得出，復(fù)合錨桿樁施工工藝本身起到了加固地層的作用，但對(duì)控制橋梁的沉降作用需做進(jìn)一步分析。

圖7 復(fù)合錨桿樁加固效果Fig.7 Consolidation effect of composite bolt piles

5.1 對(duì)采用了復(fù)合錨桿預(yù)加固措施的橋梁沉降分析

經(jīng)過(guò)對(duì)橋梁的監(jiān)測(cè)及分析，在復(fù)合錨桿樁施工初期，數(shù)據(jù)呈下降趨勢(shì)，累計(jì)沉降最大達(dá)1 mm;在復(fù)合錨桿樁完成后，整體地層加固注漿結(jié)束，沉降最終為0.51 mm;隨著隧道的開挖施工，數(shù)據(jù)逐漸再次下降，隧道在開挖施工期間，總沉降累計(jì)3.0 mm;初襯回填注漿完畢后，沉降數(shù)據(jù)呈微弱回升趨勢(shì)，回升約0.5 mm，最終總沉降為2.5 mm。隨著時(shí)間的推移，在回填注漿完畢1個(gè)月后，沉降穩(wěn)定，最終總沉降3 mm左右。以樁與隧道的凈距為1.45 m的1－4軸和凈距為1.41 m的1－5軸2處為例，各施工期間沉降曲線如圖8所示。

圖8 2012年采用復(fù)合錨桿樁加固措施樁體沉降曲線Fig.8 Curves of settlement of bridge piles consolidated by composite bolt piles in 2012

5.2 對(duì)未采用復(fù)合錨桿加固措施的橋梁沉降分析

在施工過(guò)程中，因復(fù)合錨桿樁受場(chǎng)地限制，距離隧道0.49 m的2－18軸和距離隧道4.26 m的2－17軸2個(gè)橋樁取消了復(fù)合錨桿樁加固措施，采用直接暗挖施工通過(guò)的方法。經(jīng)過(guò)對(duì)橋梁的監(jiān)測(cè)及分析，在隧道開挖至距離橋樁20 m時(shí)，即對(duì)橋梁產(chǎn)生沉降影響;在隧道施工至橋樁時(shí)，橋梁沉降約3.5 mm;初襯回填注漿完畢后，沉降數(shù)據(jù)呈微弱回升趨勢(shì)，回升約0.5 mm，總沉降為3.0 mm。隨著時(shí)間的推移，在回填注漿完畢1個(gè)月后，沉降穩(wěn)定，最終總沉降3.5 mm。以樁與隧道的凈距離為0.49 m的2－18軸和凈距離為4.26 m的2－17軸為例，各施工期間沉降曲線如圖9所示。

5.3 沉降控制效果對(duì)比分析

根據(jù)各施工階段的數(shù)據(jù)得出，采用復(fù)合錨桿樁施工會(huì)導(dǎo)致橋梁自身的微小沉降，約為1 mm;沒(méi)有采用復(fù)合錨桿樁施工的，沒(méi)有該沉降。最終隧道通過(guò)，回填注漿完畢，沉降穩(wěn)定后，采用復(fù)合錨桿樁加固的橋梁總沉降3 mm，沒(méi)有采取復(fù)合錨桿樁加固措施的最終沉降3.5 mm。

6 結(jié)論與建議

在砂卵石地層下，復(fù)合錨桿樁施工本身導(dǎo)致橋梁沉降約為1 mm，實(shí)際有效控制沉降僅為0.5 mm，且在復(fù)合錨桿樁施工期間需嚴(yán)格控制施工質(zhì)量及進(jìn)度，尤其需注意“跳倉(cāng)施工”以及嚴(yán)格控制注漿量和壓力，以減少?gòu)?fù)合錨桿樁施工本身導(dǎo)致橋梁的沉降。鑒于復(fù)合錨桿樁造價(jià)較高，受環(huán)境、工藝影響因素大等原因，在砂卵石等較好地層下，不建議大量使用復(fù)合錨桿樁保護(hù)橋樁，而是進(jìn)行背后回填注漿來(lái)減少橋樁的沉降，尤其是橋樁距與隧道水平凈距離大于2 m的情況。過(guò)去一味強(qiáng)調(diào)復(fù)合錨桿樁對(duì)保護(hù)橋基的作用，沒(méi)有對(duì)持力較好的砂卵石地層是否需要采用復(fù)合錨桿樁進(jìn)行有針對(duì)性的研究，更缺少此地層條件下“采用”與“不采用”復(fù)合錨桿樁2種情況對(duì)橋樁沉降影響的分析和對(duì)比。鑒于此類工程對(duì)比實(shí)例較少，期待在施工過(guò)程中積累更多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和類比資料做進(jìn)一步的研究。

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