地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有橋群樁基礎(chǔ)保護(hù)方案研究

譚富圣

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

Research on the Protection Plan of Subway Shield Tunnel Building Beneath Existed Bridge Pile Group Foundation

TAN Fusheng

地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有橋群樁基礎(chǔ)保護(hù)方案研究

譚富圣

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

Research on the Protection Plan of Subway Shield Tunnel Building Beneath Existed Bridge Pile Group Foundation

TAN Fusheng

摘要根據(jù)沈陽(yáng)地鐵十號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間隧道近距離下穿既有橋梁群樁基礎(chǔ)的工程實(shí)例，結(jié)合既有橋梁的結(jié)構(gòu)形式、現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境條件、工程位置地質(zhì)條件、新建盾構(gòu)隧道與既有橋樁位置關(guān)系以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間及施工條件，綜合確定適合本工程的擴(kuò)大板基礎(chǔ)托換方案，并通過(guò)理論分析及數(shù)值模擬計(jì)算，進(jìn)一步研究擴(kuò)大板基礎(chǔ)托換方案的合理性。研究結(jié)果表明，在盾構(gòu)正常施工條件下，通過(guò)擴(kuò)大板基礎(chǔ)托換的實(shí)施，可大幅減少盾構(gòu)隧道施工期間既有樁基的絕對(duì)沉降及群樁之間的差異沉降，顯著降低下部新建盾構(gòu)隧道管片的彎矩，改善新建盾構(gòu)管片的受力條件。

關(guān)鍵詞盾構(gòu)隧道橋梁樁基托換下穿群樁沉降分析

1概述

隨著城市軌道交通工程的大量建設(shè)，盾構(gòu)隧道下穿既有橋樁的工程會(huì)越來(lái)越多，此類工程在施工過(guò)程及使用期間，新建隧道與既有橋梁之間存在著復(fù)雜的相互影響關(guān)系[1]，在設(shè)計(jì)施工過(guò)程中究竟采取何種處理措施，與現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件、既有橋梁的結(jié)構(gòu)形式、新建隧道的施工工藝以及兩者之間的相對(duì)位置關(guān)系等因素都密切相關(guān)[2-3]。結(jié)合沈陽(yáng)地鐵十號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間下穿既有橋梁群樁基礎(chǔ)的工程實(shí)例，系統(tǒng)研究既有橋梁的保護(hù)方案，分析保護(hù)方案實(shí)施過(guò)程的受力情況以及新建盾構(gòu)隧道施工過(guò)程及使用期間與既有橋梁之間的相互影響。

2工程概況

沈陽(yáng)地鐵十號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間位于崇山東路下方，線路出起點(diǎn)車站后沿崇山東路東行，下穿既有橋橋樁后到達(dá)終點(diǎn)車站。整個(gè)區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，為標(biāo)準(zhǔn)單洞單線圓形斷面，結(jié)構(gòu)外徑6 m，厚度0.3 m，線間距12～15 m，覆土厚度9.8～17.8 m。崇山東路為沈陽(yáng)市主干道，地面交通繁忙，車流量很大。

既有橋由新橋、舊橋兩部分組成，新橋2012年建成，新橋的高架部分樁長(zhǎng)37 m，樁徑1.5 m，上部是30 m跨度的連續(xù)梁，新橋的平交部分樁長(zhǎng)16 m，樁徑1.2 m，上部為9 m、12 m跨度普通鋼筋混凝土空心板，樁均為鉆孔灌注樁；舊橋1985年建成，樁長(zhǎng)15 m，樁徑0.8 m，鉆孔灌注樁，樁間距4.6 m(垂直橋向)×8.7 m(沿橋向)，垂直橋向樁頂設(shè)連續(xù)蓋梁，蓋梁頂部放置鋼筋混凝土預(yù)制簡(jiǎn)支板。橋下為新開河，河底鋪漿砌片石，河水深度1～2 m，橋下凈空2.5 m左右，無(wú)地下管線。

本區(qū)間下穿既有橋的舊橋部分，其中盾構(gòu)穿越既有橋橋樁部位結(jié)構(gòu)頂與河底的覆土厚度約13.8 m，盾構(gòu)區(qū)間線路中線間距為15 m，區(qū)間結(jié)構(gòu)頂與既有橋樁底之間凈距離最小為1.14 m。新建地鐵盾構(gòu)隧道與既有橋樁之間關(guān)系如圖1、圖2所示[4]。其中新橋設(shè)計(jì)過(guò)程考慮了后期地鐵建設(shè)的影響，本處不再考慮新建盾構(gòu)隧道施工對(duì)新橋的影響。

圖1　既有橋樁與盾構(gòu)隧道位置關(guān)系平面(單位：mm)

橋址處地層從上到下依次為：雜填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、礫砂、圓礫、礫砂，橋樁樁底位于礫砂層中，區(qū)間隧道穿越礫砂、圓礫層。地下穩(wěn)定水位埋深為10.1～12.8 m，地下水均為潛水。

圖2　既有橋樁與盾構(gòu)隧道位置關(guān)系立面(單位：mm)

3存在問(wèn)題及保護(hù)方案分析

盾構(gòu)隧道必須下穿既有橋樁，最安全的處理方式是臨時(shí)拆除既有橋梁，待盾構(gòu)施工完成后重建。但本工程所處位置地面交通繁忙，不允許地面交通受到影響，搭設(shè)臨時(shí)替代橋梁條件也不具備。同時(shí)此方法造價(jià)高、工期長(zhǎng)，因此不予考慮。

首先分析在不對(duì)既有橋梁樁基礎(chǔ)進(jìn)行托換處理?xiàng)l件下，盾構(gòu)隧道施工完成狀態(tài)的受力情況。此處僅分析新建隧道在基本組合作用下的受力情況，不分析在偶然組合作用下的受力[5]。橋梁自重按實(shí)際尺寸計(jì)算，上部汽車荷載按公路-Ⅰ級(jí)荷載考慮，最終計(jì)算單根既有樁承受最大荷載為1 626 kN，按樁端向下45°擴(kuò)散后的均載作用在盾構(gòu)隧道頂部，與盾構(gòu)隧道承受的其他恒載進(jìn)行組合(自重+水、土壓力)，最終計(jì)算管片最大彎矩437.5 kN·m，對(duì)應(yīng)軸力620 kN。按壓彎構(gòu)件計(jì)算，配筋率是正常段的2.5倍，已經(jīng)接近超筋限值。另外，在地鐵運(yùn)營(yíng)階段，列車荷載產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)帶動(dòng)管片及管片周邊局部地層產(chǎn)生振動(dòng)，既有橋樁端部與新建隧道管片之間距離僅為1.14 m，樁端在地鐵振動(dòng)范圍之內(nèi)。上部橋梁荷載和下部地鐵荷載均存在振動(dòng)，兩者之間土體在長(zhǎng)期振動(dòng)荷載作用下難于保證強(qiáng)度不受影響。從以上兩點(diǎn)考慮，即使盾構(gòu)隧道施工期間能夠保證既有橋梁的臨時(shí)安全，也需要對(duì)既有橋梁樁基進(jìn)行托換，以改善盾構(gòu)隧道修建完成后兩者的受力條件，確保使用年限內(nèi)的安全。

圖3　既有橋采用樁基托換示意立面(單位：mm)

橋樁托換最常用方式是在既有橋樁附近打設(shè)新樁，將新樁與既有橋樁或蓋梁連接，通過(guò)新樁受力代替舊橋樁，此種方式受力明確，如圖3所示。但本工程采用此種方式有一定困難，首先本工程橋下有新開河，僅能在河流枯水期進(jìn)行樁基托換，否則導(dǎo)流困難，其次橋下凈空僅為2.5 m，打樁設(shè)備實(shí)施難度大，施工工程量大、工期長(zhǎng)且難度大，因此需考慮其他橋梁托換方式。本工程考慮在舊橋部位把樁基采用擴(kuò)大基礎(chǔ)連為整體，此種托換方式在下部盾構(gòu)施工條件下，雖然受力不如樁托換方式明確，但把獨(dú)立受力的樁基礎(chǔ)連為整體，共同受力。由于下部的盾構(gòu)施工對(duì)上部的整體基礎(chǔ)影響只是局部，且這個(gè)局部在不斷移動(dòng)，大大降低了盾構(gòu)施工對(duì)單樁的影響，只要及時(shí)實(shí)施管片背后注漿等處理措施，完全可以大幅降低盾構(gòu)施工期間對(duì)既有橋梁的影響，同時(shí)也解決了運(yùn)營(yíng)期間兩者之間的相互影響問(wèn)題。此外，這種加固方式施工周期短，現(xiàn)場(chǎng)操作方便，因此重點(diǎn)對(duì)此種托換方式進(jìn)行有限元計(jì)算，以檢驗(yàn)此托換方式施工過(guò)程及使用期間的安全程度。

4樁基托換過(guò)程受力分析

對(duì)既有舊橋樁基礎(chǔ)承載力進(jìn)行核算，按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D63—2007中5.3.3條公式進(jìn)行計(jì)算，單樁最大承載力為1 502 kN，小于前面計(jì)算的單樁最大承受荷載1 626 kN。但實(shí)際橋梁運(yùn)營(yíng)良好，應(yīng)該是計(jì)算方法改變導(dǎo)致可靠度的改變。為了進(jìn)行擴(kuò)大基礎(chǔ)托換施工，現(xiàn)場(chǎng)需下挖2.4 m，由于上部摩阻力的減少，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算，樁基承載力變?yōu)? 430 kN，相比開挖前承載力變化4.8%，變化數(shù)值在承受范圍內(nèi)，擴(kuò)大基礎(chǔ)形成并受力后，由于擴(kuò)大基礎(chǔ)下部的③3地層承載力修正前的標(biāo)準(zhǔn)值為280 kPa，擴(kuò)大基礎(chǔ)承載力修正前就能達(dá)到7 212.8 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 626 kN，托換后承載力完全滿足要求。綜合考慮抗沖切及構(gòu)造要求，最終采用1.5 m厚度的鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)板。

5盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程受力分析

為了預(yù)測(cè)新建地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有橋樁在不進(jìn)行托換及進(jìn)行托換兩種方案下的影響狀況，同時(shí)分析兩種方案對(duì)盾構(gòu)管片內(nèi)力的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖土參數(shù)，采用Flac軟件建立地層—結(jié)構(gòu)模型[7]，模擬盾構(gòu)施工過(guò)程對(duì)兩種既有樁基處理方式的具體影響規(guī)律。

5.1　計(jì)算模型及參數(shù)

模型以新建盾構(gòu)隧道軸線方向?yàn)閥軸，垂直隧道軸線為x軸，豎直方向?yàn)閦軸，模型在y軸方向上長(zhǎng)70 m，在x軸方向上長(zhǎng)45 m，z軸方向上長(zhǎng)45 m。隧道在z軸方向上距離橋樁底部1.14 m，隧道軸線相距15 m，樁間距為4.6 m×8.68 m(斜長(zhǎng))，擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸為16 m×35 m×1.5 m，擴(kuò)大基礎(chǔ)底部距離橋樁底部10.4 m，擴(kuò)大基礎(chǔ)頂部距離模型上邊界(即河底)0.7 m。

根據(jù)新建盾構(gòu)隧道、既有橋梁及新建擴(kuò)大基礎(chǔ)的空間位置關(guān)系，建立三維計(jì)算模型，整個(gè)模型網(wǎng)格劃分效果如圖4所示[8]，其中既有樁、新建擴(kuò)大基礎(chǔ)與下部新建隧道模型如圖5所示，模型共劃分為365 977個(gè)單元，62 782個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4　計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

圖5　既有橋-擴(kuò)大基礎(chǔ)-隧道計(jì)算模型

模型中既有樁、新建擴(kuò)大基礎(chǔ)、盾構(gòu)管片及土體均采用實(shí)體單元，其中既有樁基采用C30混凝土，新建擴(kuò)大基礎(chǔ)采用C40混凝土，盾構(gòu)管片采用C50混凝土，均為彈性材料，土體本構(gòu)模型采用Drucker-Prager模型，橋樁頂部荷載按最不利工況加載。計(jì)算模型中各土層的參數(shù)取值如表1，彈性材料參數(shù)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值[9]。

表1　各個(gè)土層參數(shù)取值

5.2　計(jì)算工況及結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)際施工情況，主要模擬以下5種工況。

工況1：新建盾構(gòu)隧道施工前的初始工況。指既有橋樁頂部加載后，樁基及周圍土層在自重及樁頂荷載作用下的初始狀態(tài)。

工況2：新建盾構(gòu)施工前，進(jìn)行樁基托換的擴(kuò)大基礎(chǔ)部位土方開挖完畢狀態(tài)。

工況3：新建盾構(gòu)施工前，進(jìn)行樁基托換的擴(kuò)大基礎(chǔ)澆筑完成狀態(tài)。

工況4：新建盾構(gòu)隧道分段掘進(jìn)施工，為減少計(jì)算工作量，整個(gè)隧道的開挖過(guò)程分4段模擬，每段長(zhǎng)度為17.5 m。

工況5：不進(jìn)行地面擴(kuò)大基礎(chǔ)樁基托換，工況1的初始狀態(tài)達(dá)到平衡后，即按工況4施工狀態(tài)分段進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工[10]，分段長(zhǎng)度同工況4。

工況1作為既有橋樁的初始受力狀態(tài)，將既有樁位移進(jìn)行清零，重點(diǎn)研究樁基托換過(guò)程及后期盾構(gòu)穿越橋樁過(guò)程對(duì)既有樁的影響及下部盾構(gòu)受力影響。在工況1條件下，既有樁最大壓應(yīng)力為3.14 MPa，最大拉應(yīng)力為0.26 MPa。

工況2條件下，由于上部局部土體的開挖，使既有橋樁喪失部分摩擦力，導(dǎo)致既有樁略有下沉，沉降0.16 mm，樁最大壓應(yīng)力變?yōu)?.38 MPa，最大拉應(yīng)力變?yōu)?.34 MPa。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在既有狀態(tài)下對(duì)橋樁部位下挖2.4 m對(duì)既有樁的承載力及變形影響較小，可以保證既有橋梁的安全。

工況3條件下，托換擴(kuò)大基礎(chǔ)澆筑完成后，既有樁基向下沉降0.06 mm，樁最大壓應(yīng)力變?yōu)?.43 MPa，最大拉應(yīng)力變?yōu)?.32 MPa。從計(jì)算結(jié)果可以看出，擴(kuò)大基礎(chǔ)的施工，使樁的變形及應(yīng)力變化較小。

工況4條件下，模擬盾構(gòu)分段施工對(duì)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)托換后既有橋樁的影響，計(jì)算結(jié)果如表2所示，其中垂直隧道開挖方向由前向后第3排既有橋樁從左到右沉降如圖6所示，沿隧道開挖方向中間排橋樁由前到后沉降如圖7所示。盾構(gòu)隧道全部開挖完成工況地面、擴(kuò)大基礎(chǔ)及樁變形云圖如圖8～圖10所示，樁最大主應(yīng)力云圖如圖11所示。

表2　工況4樁基在有擴(kuò)大基礎(chǔ)條件下計(jì)算結(jié)果

圖6　工況4條件下垂直隧道開挖方向第3排5根樁沉降

圖7　工況4條件下沿隧道開挖方向中間排6根樁沉降

圖8　有擴(kuò)大基礎(chǔ)盾構(gòu)施工完成土體變形

圖9　有擴(kuò)大基礎(chǔ)盾構(gòu)施工完成擴(kuò)大基礎(chǔ)變形

圖10　有擴(kuò)大基礎(chǔ)盾構(gòu)施工完成樁基變形

圖11　有擴(kuò)大基礎(chǔ)盾構(gòu)施工完成樁基最大主應(yīng)力

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在施做擴(kuò)大基礎(chǔ)后，同一蓋梁下一排橋樁最大差異沉降為0.7 mm，沿橋縱向差異沉降擴(kuò)大基礎(chǔ)內(nèi)僅為0.3 mm，邊樁與中間樁之間最大差異沉降僅為1.2 mm，軸向應(yīng)力雖然有所增加，但在承載力范圍內(nèi)。新建盾構(gòu)結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力5.6 MPa，最大拉應(yīng)力0.9 MPa。

工況5條件下，模擬盾構(gòu)分段施工對(duì)未進(jìn)行擴(kuò)大基礎(chǔ)托換既有橋樁的影響，計(jì)算結(jié)果如表3所示，其中垂直隧道開挖方向由前向后第3排既有橋樁從左到右沉降如圖12所示，沿隧道開挖方向中間排橋樁由前到后沉降如圖13所示。盾構(gòu)隧道全部開挖完成工況地面及樁變形云圖如圖14～15所示，樁最大主應(yīng)力云圖如圖16所示。

表3　工況5樁基在沒有托換處理?xiàng)l件下計(jì)算結(jié)果

圖12　工況5條件下垂直隧道開挖方向第3排5根樁沉降

圖13　工況5條件下沿隧道開挖方向中間排6根樁沉降

圖14　無(wú)托換盾構(gòu)施工完土體變形

圖15　無(wú)托換盾構(gòu)施工完樁基變形

圖16　無(wú)托換盾構(gòu)施工完樁最大主應(yīng)力

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在沒有進(jìn)行擴(kuò)大基礎(chǔ)托換情況下，盾構(gòu)隧道施工導(dǎo)致樁基最大沉降達(dá)到15.19 mm(控制標(biāo)準(zhǔn)不大于10 mm)，同一蓋梁下相鄰樁基沉降差最大2.5 mm(控制標(biāo)準(zhǔn)差異沉降不大于2 mm)，沿橋縱向差異沉降最大2.8 mm，最大沉降及沉降差均超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)。新建盾構(gòu)結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力5.4 MPa，最大拉應(yīng)力0.5 MPa。對(duì)比分析工況4及工況5計(jì)算結(jié)果可以看出，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)進(jìn)行樁基托換對(duì)不同樁之間差異沉降及樁絕對(duì)沉降改善效果明顯，同時(shí)新建盾構(gòu)管片拉應(yīng)力改善明顯，說(shuō)明在擴(kuò)大基礎(chǔ)托換條件下，盾構(gòu)管片彎矩減少很多，對(duì)管片內(nèi)力改善效果明顯。在擴(kuò)大基礎(chǔ)托換條件下，雖然既有橋樁軸向應(yīng)力有所增加，但在承載力范圍內(nèi)。

6實(shí)施過(guò)程盾構(gòu)控制措施

盾構(gòu)工法相比較傳統(tǒng)暗挖工法，雖然在控制地層變形方面存在優(yōu)勢(shì)，但施工過(guò)程如果控制不當(dāng)，也會(huì)引起較大的地層變形，無(wú)法實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型中假設(shè)的條件，因此施工過(guò)程需對(duì)以下幾個(gè)方面重點(diǎn)控制[11-12]。

(1)左、右線兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)不能同時(shí)穿越既有橋樁影響區(qū)，需一臺(tái)順利穿越后，另一臺(tái)方可穿越，避免兩臺(tái)盾構(gòu)近距離施工過(guò)程對(duì)土體的相互干擾和影響。同時(shí)，第一臺(tái)盾構(gòu)施工的參數(shù)應(yīng)作為第二臺(tái)盾構(gòu)施工的重要參考，可以更好地控制第二臺(tái)盾構(gòu)施工過(guò)程對(duì)地層的影響。

(2)盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，需以較低的勻速推進(jìn)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整土艙壓力，從而科學(xué)合理的設(shè)置土壓力值和適宜的推進(jìn)速度等參數(shù)，以達(dá)到對(duì)地層的最小擾動(dòng)。本工程建議推進(jìn)速度控制在20～30 mm/min。

(3)嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)方向，推進(jìn)過(guò)程定期跟進(jìn)中線控制樁，加密施工中線、高程的測(cè)量頻率，并據(jù)以隨時(shí)調(diào)整輸入數(shù)據(jù)，保證激光導(dǎo)向的正確無(wú)誤，使盾構(gòu)推進(jìn)誤差減少，控制超挖量。

(4)及時(shí)進(jìn)行同步注漿施工，同步注漿要保證注漿量和注漿壓力，注漿量一般控制在理論建筑空隙的180%左右，注漿壓力要大于注漿位置的靜止水壓力及土壓力之和，并做到盡量的填補(bǔ)而不是劈裂。

(5)做好二次補(bǔ)漿，二次注漿宜采用低壓、少量、多次注漿的方式補(bǔ)充原有漿液固結(jié)收縮所產(chǎn)生的空隙，同時(shí)在本穿越部位的管片預(yù)留注漿孔，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況考慮利用注漿孔進(jìn)行多次補(bǔ)漿[13-14]。

7結(jié)論

(1)一個(gè)工程的最終實(shí)施方案，需結(jié)合實(shí)施工藝、現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件及相互影響的位置關(guān)系最終確定，本工程案例中，如果新建盾構(gòu)隧道與既有橋樁之間豎向距離進(jìn)一步加大，通過(guò)數(shù)值分析可能無(wú)需地面樁基托換也可滿足既有橋梁安全。

(2)任何對(duì)既有橋梁進(jìn)行處理的托換方案，實(shí)施過(guò)程都會(huì)對(duì)既有橋梁受力產(chǎn)生影響，因此需分析具體托換方案實(shí)施過(guò)程既有橋梁的受力變化情況，確保托換方案實(shí)施過(guò)程既有橋梁的安全。

(3)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)方式對(duì)既有橋樁進(jìn)行托換，把原來(lái)獨(dú)立的樁基礎(chǔ)連為整體，在下部盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，能有效減少既有橋樁之間的差異沉降并同時(shí)減少既有橋樁的絕對(duì)沉降。

(4)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)方式對(duì)既有橋樁進(jìn)行托換，對(duì)于盾構(gòu)正下穿既有樁基且既有樁與新建盾構(gòu)隧道之間距離較近情況，可以顯著改善盾構(gòu)管片的受力條件。

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中圖分類號(hào)：O319.56

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)02-0036-06

作者簡(jiǎn)介：譚富圣(1976—)，男，2000年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師。

收稿日期：2014-12-12