盾構(gòu)近距離穿越高架樁基的施工影響與保護(hù)措施

李新星，楊志豪

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海 200235）

1 引 言

在城市道路隧道或地鐵建設(shè)中，尤其是在軟土地層中，由于盾構(gòu)法施工具有效率高、機(jī)械化程度高、對(duì)地層適應(yīng)能力強(qiáng)及有效控制地面變形等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。城市的高層建筑、高架橋梁等建筑眾多，且基礎(chǔ)一般都有樁基礎(chǔ)，因此在盾構(gòu)施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)有從樁基附近穿越的情況發(fā)生，將會(huì)對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生擾動(dòng)，改變樁周土體的應(yīng)力狀態(tài)，也會(huì)影響樁基礎(chǔ)的變形與受力，有可能導(dǎo)致上部建筑物的開(kāi)裂或破壞等。因此需要在盾構(gòu)穿越過(guò)程中采取有效措施保護(hù)樁基，同時(shí)對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)的施工質(zhì)量也提出了較高的要求。

目前分析盾構(gòu)施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，主要采用簡(jiǎn)化理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，重點(diǎn)分析盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降、上部建筑、隧道沉降等地下工程的影響[1－7]。在此施工過(guò)程中通常是通過(guò)嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)、即時(shí)采取壁后注漿等手段進(jìn)行控制。但是，對(duì)于大盾構(gòu)近距離在多個(gè)樁基間往返穿越的情況，樁基保護(hù)要求嚴(yán)格，如何保證盾構(gòu)施工不會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生破壞和如何對(duì)樁基進(jìn)行保護(hù)確保上部正常運(yùn)營(yíng)的高架橋或地鐵不受影響，這方面的研究較少。因此，非常有必要開(kāi)展這方面的研究。

本文結(jié)合上海長(zhǎng)江西路隧道近距離往返穿越逸仙路高架和地鐵3號(hào)線高架的實(shí)際工程，采用數(shù)值計(jì)算分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，研究大直徑盾構(gòu)近距離多次穿越對(duì)道路高架樁基的影響以及樁基的加固保護(hù)措施，進(jìn)而評(píng)估加固措施的保護(hù)效果。

2 問(wèn)題提出

2.1 工程背景

上海長(zhǎng)江西路越江隧道工程規(guī)模為雙管6車(chē)道盾構(gòu)法隧道，采用外徑為φ15.43 m泥水盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)施工。工程全長(zhǎng)共4 912 m，隧道主線長(zhǎng)2 792 m（以北線計(jì)）。圓隧道外徑為15 m，管片厚0.65 m，環(huán)寬2 m。盾構(gòu)施工階段將往返兩次近距離分別穿越逸仙路和軌道交通3#線的高架樁基，如圖1所示。兩高架橋墩間的跨距均約為22 m，逸仙路高架樁基樁長(zhǎng)約32 m，隧道與樁基的最小凈距約1 m，3#線高架樁基的樁長(zhǎng)約60 m，隧道與樁基的最小凈距約1.7 m。隧道頂覆土厚約16 m。

圖1 盾構(gòu)隧道與兩高架樁基平面圖（單位：mm）Fig.1 Layout of tunnel and pile foundation(unit: mm)

2.2 樁基保護(hù)的問(wèn)題描述

隧道施工過(guò)程中會(huì)依次往返兩次穿越逸仙路高架和軌道交通3#線，且盾構(gòu)機(jī)外殼離下部樁基的距離最小為1 m，均不符合相關(guān)工程保護(hù)條例的要求，同時(shí)在施工過(guò)程中既要保證盾構(gòu)能夠順利穿越兩處樁基，也要保證上部的逸仙路高架和軌交3#線的正常運(yùn)營(yíng)。為了能更好地保護(hù)2個(gè)高架橋樁基，本文借助數(shù)值模擬手段預(yù)分析盾構(gòu)施工對(duì)周邊高架樁基的影響，通過(guò)對(duì)比無(wú)任何保護(hù)措施與 MJS保護(hù)措施，分析采用加固措施的必要性、合理的加固范圍以及加固效果，以指導(dǎo)工程的實(shí)際應(yīng)用。

2.3 數(shù)值計(jì)算模型

建模范圍為隧道、樁基及周?chē)欢ǚ秶耐馏w，其范圍滿足模擬土體的半無(wú)限體特性。隧道襯砌與周?chē)馏w的相互作用采用注漿層薄弱單元模擬，同時(shí)考慮樁土之間的共同接觸作用。土體本構(gòu)關(guān)系采用D-P模型，結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，土體的參數(shù)見(jiàn)表1，三維有限元模型見(jiàn)圖2。

表1 土層材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of soils

圖2 數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Numerical model of structure

注漿材料按照最不利情況考慮，取盾構(gòu)推進(jìn)后管片安裝完畢并及時(shí)進(jìn)行壁后注漿時(shí)漿液的力學(xué)參數(shù)作為計(jì)算參數(shù)。盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)采用C60混凝土。軌交3#線樁基為直徑為600 mm的PHC管樁，承臺(tái)采用C25混凝土，上部承受荷載約為1 360 t。逸仙路高架樁基采用450 mm×450 mm的預(yù)制方樁，采用C40混凝土，上部承受荷載約為1 550 t。

2.4 施工工況模擬

按照不考慮樁基加固和考慮樁基 MJS加固兩種情況，分別模擬。根據(jù)施工先后順序，對(duì)于不考慮樁基加固的情況，可大致分以下幾個(gè)階段：① 地表土體的初始自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，位移清0；② 逸仙路高架和地鐵3#線高架樁基施工與橋墩荷載作用，位移清0；③ 南線盾構(gòu)施工，逐漸靠近并在逸仙路高架Pm11和Pm12樁基之間掘進(jìn)，穿越后在軌交3#線高架PII007和PII008之間掘進(jìn)，穿越后遠(yuǎn)離高架完成南線施工；④ 北線盾構(gòu)施工，逐漸靠近并在軌交3#線高架PII009和PII0010之間掘進(jìn)，穿越后在逸仙路高架Pm9和Pm10樁基之間掘進(jìn)，穿越后遠(yuǎn)離高架完成北線施工。

對(duì)于考慮樁基MJS加固的情況，在第②、③階段中增加對(duì)穿越時(shí)相鄰的兩高架樁基的MJS加固。采用MJS樁基加固，在數(shù)值模擬中是通過(guò)強(qiáng)化土體參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 盾構(gòu)近距離穿越對(duì)高架樁基的保護(hù)措施分析

3.1 盾構(gòu)直接穿越樁基分析

由于軌交3號(hào)線高架樁基的運(yùn)營(yíng)與保護(hù)要求相對(duì)逸仙路比較高，以其為例，分別截取盾構(gòu)南線穿越和北線穿越過(guò)程中承臺(tái)沿線地表產(chǎn)生最大位移時(shí)的模型剖切面，繪制盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中地層損失率由6‰減小為 4‰時(shí)對(duì)應(yīng)的地表沉降曲線，如圖 3所示，結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

圖3 不同地層損失率對(duì)應(yīng)的地表沉降曲線Fig.3 Ground settlements in different stratum loss rate

表2 盾構(gòu)直接穿越樁基的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of results in directly crossing case

由以上結(jié)果可見(jiàn)，通過(guò)控制壁后注漿減小盾構(gòu)機(jī)穿越時(shí)的地層損失率，可以明顯減低地表的沉降，同時(shí)也可改善承臺(tái)的沉降值。按照對(duì)地表最大沉降20 mm的控制要求，直接穿越不能滿足變形控制要求。故提出在控制地層損失率為 4‰的基礎(chǔ)上，對(duì)樁基兩側(cè)進(jìn)行MJS加固的保護(hù)措施。

3.2 樁基MJS保護(hù)措施分析

樁基 MJS加固措施為在盾構(gòu)穿越樁基的相鄰兩側(cè)，分別在承臺(tái)外側(cè)0.5 m處，從地表開(kāi)始到隧道底3 m范圍的深度進(jìn)行MJS加固保護(hù)。為了減小在MJS施工時(shí)對(duì)樁基的影響，利用MJS施工工藝的特點(diǎn)，采取MJS背向樁基的噴射加固方式，加固寬度采取兩種方案。方案 1：半幅寬加固，加固寬度為1.2 m，方案2：一幅寬加固，加固寬度為2.4 m。

在模擬計(jì)算中對(duì) MJS加固寬度按照面積等效原則進(jìn)行了換算。從承臺(tái)頂?shù)降叵碌腗JS加固深度約為35 m?？紤]到MJS噴漿選背離樁基方向，故此次計(jì)算未考慮MJS施工對(duì)周邊樁基的擾動(dòng)影響，只分析MJS加固土硬化后的情況。兩種工況的MJS加固方案如圖4所示。

圖4 MJS加固方案與加固范圍Fig.4 Plot of MJS reinforcement measure and range

軌交3#線高架樁基在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，將地層損失率控制為4‰時(shí)，在將樁基先進(jìn)行MJS不同范圍加固后，再進(jìn)行盾構(gòu)南北線穿越，得到的剖切面在不同施工過(guò)程對(duì)應(yīng)的地表與樁基的沉降曲線，將MJS加固保護(hù)后的4種工況下地表變形情況如圖5所示，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

對(duì)進(jìn)行MJS加固后4條曲線結(jié)果的對(duì)比可知，在樁基兩側(cè)先進(jìn)行MJS加固保護(hù)樁基，對(duì)控制地表沉降和承臺(tái)的沉降效果比較明顯。由于隧道距離兩側(cè)樁基的距離一定，增加MJS加固寬度僅是增加了盾構(gòu)機(jī)對(duì)加固體的切削面積，但并不能改變盾構(gòu)機(jī)距離樁基凈距間的加固寬度。MJS加固1.2 m寬即可將地表和樁基基本控制在保護(hù)要求的范圍，MJS加固2.4 m寬后計(jì)算得到的最大地表沉降并未出現(xiàn)在隧道上方，而是出現(xiàn)在遠(yuǎn)離樁基的地表，且MJS加固寬度的增加對(duì)樁基和地表沉降的控制效果不顯著，故在實(shí)際施工中選用MJS加固半幅寬1.2 m作為本工程的樁基保護(hù)措施。

圖5 不同MJS加固范圍對(duì)應(yīng)的地表沉降曲線Fig.5 Ground settlements in different reinforcement ranges

表3 MJS加固后盾構(gòu)穿越樁基的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of results in using MJS reinforcement measure case

3.3 盾構(gòu)穿越后樁基承載力分析

考慮到盾構(gòu)與高架樁基的距離很近，盾構(gòu)穿越過(guò)后靠近隧道一側(cè)的樁基側(cè)摩阻力有不同程度的損失，會(huì)影響樁基的承載力。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》估算高架樁基的單樁極限承載力和盾構(gòu)穿越后側(cè)摩阻力的損失及樁基的豎向承載力是否滿足要求[8]，計(jì)算中預(yù)制樁和PHC樁需要用到的參數(shù)等見(jiàn)表4。

逸仙路高架樁基的持力層⑥層為粉質(zhì)黏土，3號(hào)線高架樁基的持力層⑨1層為粉細(xì)砂，插入深度為1 m。盾構(gòu)穿越過(guò)后靠近隧道一側(cè)的一排樁，基于偏安全假定在豎直方向隧道直徑范圍內(nèi)的樁側(cè)摩阻力全部損失，對(duì)逸仙路和3號(hào)線在盾構(gòu)穿越后進(jìn)行了總體樁基承載力的重新驗(yàn)算，結(jié)果見(jiàn)表5。

由此可見(jiàn)，在對(duì)樁基采取MJS加固1.2 m寬的保護(hù)措施后，盾構(gòu)往返穿越2個(gè)高架樁基，地面沉降得到了有效控制，同時(shí)也保證了樁基的承載力能夠滿足目前上部運(yùn)營(yíng)荷載的要求。

表4 各土層側(cè)阻力和端阻力建議值Table 4 Lateral resistance and end resistance value of soils

表5 盾構(gòu)穿越后樁基承載力驗(yàn)算Table 5 Check computation of pile bearing capacity

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

以保護(hù)要求較高的軌交3#線為例，高架測(cè)點(diǎn)布置共在4個(gè)橋墩上，共7個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)依次是QZ1～QZ7。南線盾構(gòu)穿越軌交3#線高架時(shí)，樁基最大上浮8.7 mm，出現(xiàn)在QZ5測(cè)點(diǎn)（PII008處），其沉降變化曲線如圖6所示。北線盾構(gòu)穿越3號(hào)線高架時(shí)，樁基最大上浮13.6 mm，出現(xiàn)在QZ4測(cè)點(diǎn)（PII009處），其沉降變化曲線如圖7所示。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)QZ5的沉降變化曲線Fig.6 Settlement curves of point QZ5

數(shù)值分析結(jié)果顯示，南線穿越軌交3#線高架樁基，引起承臺(tái)上浮最大值為3.6 mm，發(fā)生在3#承臺(tái)，與QZ5測(cè)點(diǎn)所在橋墩一致。北線穿越3#線高架樁基后，引起承臺(tái)上浮最大值為 2.9 mm，發(fā)生在 2#承臺(tái)，與QZ4測(cè)點(diǎn)所在橋墩一致。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)QZ4的沉降變化曲線Fig.7 Settlement curves of point QZ4

通過(guò)對(duì)比可知，出現(xiàn)上浮的樁基位置均一致?？紤]到數(shù)值分析結(jié)果的較理想化因素以及從動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示結(jié)果來(lái)看，盾構(gòu)在穿越3#線高架樁基時(shí)，并未影響到其正常運(yùn)營(yíng)，可以認(rèn)為采用MJS加固措施，起到保護(hù)樁基的作用。

5 結(jié) 論

（1）在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中控制地層損失率可以有效減少地面沉降。在不采取任何保護(hù)措施的前提下，地層損失率從6‰提高到4‰時(shí)，地面沉降、承臺(tái)沉降等均能得到改善。

（2）增加MJS加固寬度從1.2～2.4 m，僅是增加了盾構(gòu)機(jī)對(duì)加固體的切削面積，并不能改變盾構(gòu)機(jī)距離樁基凈距間的加固范圍，增加MJS的加固寬度對(duì)樁基和地表沉降的控制效果不顯著。

（3）在MJS加固保護(hù)措施下隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的地表與樁基沉降得到了有效的控制，盾構(gòu)穿越后的樁基承載力能夠滿足上部荷載的要求，通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，充分說(shuō)明采用的樁基保護(hù)措施達(dá)到了預(yù)期的效果。

本文研究對(duì)施工控制的建議：（1）加密設(shè)置地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在逸仙路高架橋墩上設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，利用監(jiān)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)施工，優(yōu)化施工參數(shù)。（2）根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合理設(shè)置土壓力值，減少盾構(gòu)的超挖和欠挖；降低推進(jìn)速度，嚴(yán)格控制盾構(gòu)方向，減少糾偏和對(duì)土體的擾動(dòng)，保證盾構(gòu)機(jī)穿越。（3）盾構(gòu)施工過(guò)程中，采用單液同步注漿工藝，確保漿液填充滿盾尾管片與土體間的空隙，注漿量的控制應(yīng)根據(jù)模擬推進(jìn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定，動(dòng)態(tài)控制地層損失率，及時(shí)補(bǔ)充注漿加固。

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