北京地鐵14號線高家園站－望京站區(qū)間單洞雙線盾構(gòu)臨近穿越群樁的響應(yīng)與防護

黃愛軍

(上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院，上海 200125)

0 引言

隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的不斷完善，繁忙鬧市地區(qū)地下工程施工中出現(xiàn)了越來越多的單洞雙線盾構(gòu)區(qū)間。盾構(gòu)直徑越大，其施工影響范圍和影響能力越大。這類課題越來越引起了國內(nèi)外工程界的關(guān)注。N.Loganathan等［1］通過離心模型試驗得出了隧道開挖引起的地層移動和對于鄰近樁基的影響;朱合華等［2］應(yīng)用不連續(xù)模型分析了盾構(gòu)施工過程的內(nèi)力變化;王善勇等［3］運用RFPA2D程序?qū)V州地鐵二號線盾構(gòu)開挖對均勻地基沉降的影響，但未考慮樁基的承載特性的影響;朱逢斌等［4］通過采用摩爾－庫倫彈塑性屈服準(zhǔn)則，研究軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道施工對鄰近樁基的影響規(guī)律;張海波等［5］采用三維非線性有限元方法，分析了盾構(gòu)近距離掘進施工全過程對橋梁樁基的影響分析;王炳軍等［6］通過數(shù)值模擬，分析了地鐵隧道盾構(gòu)法施工對不同類型樁基的影響;李松等［7］運用MIDAS/GTS三維有限元分析軟件，模擬了盾構(gòu)隧道動態(tài)施工對近接高架橋樁基的影響，重點分析了樁基水平位移及沉降的發(fā)展規(guī)律。針對越來越嚴(yán)格的保護要求，周正宇等提出了主動防護的概念和措施［8］，并在工程中得到實踐［9］。本文通過數(shù)值分析，研究盾構(gòu)施工對群樁中不同位置樁基的變形和內(nèi)力影響，并利用復(fù)合錨桿樁［11］作為隔斷樁用于10 m內(nèi)徑盾構(gòu)隧道施工對鄰近樁基的主動保護。

1 工程背景

1.1 項目概況

北京地鐵14號線高家園站－望京站區(qū)間為單洞雙線形式，采用10.6 m的土壓平衡盾構(gòu)施工。管片外徑10 m，厚度0.5 m，環(huán)寬1.8 m。區(qū)間側(cè)穿機場快軌位置處盾構(gòu)距離地表面約為15.9 m，與近端群樁前排樁凈距為3.3 m，與遠(yuǎn)端前排樁凈距為18.8 m，軌頂面標(biāo)高為 19.10 m。

該段機場快軌為高架結(jié)構(gòu)，穿越處相鄰橋樁的距離為30 m。橋墩的高度為8.25 m，承臺厚度為2 m，橋樁深度為35 m，橋梁的寬度約為8 m。

盾構(gòu)隧道與機場快軌平、剖面關(guān)系見圖1。

圖1 盾構(gòu)隧道與機場快軌平、剖面關(guān)系圖Fig.1 Relationship between shield-bored tunnel and airport transit line:general plan layout and profile

1.2 機場快軌現(xiàn)狀及控制要求

機場快線是高架簡支梁結(jié)構(gòu)。高峰時段運營時間間隔8.5 min，其他時段10 min，最高運營速度100 km/h。由于機場快軌采用三軌供電，且運營速度高，要求盾構(gòu)施工引起的樁基豎向沉降小于2 mm，側(cè)向變形小于1 mm。

1.3 工程地質(zhì)

地層自地表往下為:人工堆積層(填土層①)，第四紀(jì)全新沖洪積層(粉土層③、粉質(zhì)黏土層④、粉土層④1、粉細(xì)砂層④3)，第四紀(jì)晚更新沖洪積層(粉質(zhì)黏土層⑥、卵石圓礫層⑦、粉質(zhì)黏土和黏土層⑧、卵石圓礫層⑨、粉質(zhì)黏土和黏土層⑩)。盾構(gòu)主要穿越⑥層粉質(zhì)黏土層。

2 盾構(gòu)穿越時的樁基響應(yīng)

2.1 計算模型的建立

計算中取橋梁相鄰兩跨，模型全長122 m，寬74 m，高50 m。土體頂部不受任何約束，4個側(cè)面限制與該面垂直方向位移，底部限制豎向位移。

模型中土體采用德魯克－普拉格(D－P)彈塑性模型模擬土層性狀。承臺及樁基為C30混凝土，襯砌管片為C50混凝土，建模時采用線彈性模型，泊松比為0.2。襯砌管片為拼裝結(jié)構(gòu)，計算時考慮將其剛度折減至0.8，樁、土之間采用接觸面模型。盾構(gòu)施工采用地層損失率0.4%模擬，并充分考慮盾構(gòu)機掘進的施工工序，按照每環(huán)寬度1.8m為一個施工步進行分析。模型參數(shù)見表1，土體有限元模型見圖2。

表1 模型材料參數(shù)Table 1 Parameters of materials

圖2 隧道開挖的土體有限元模型Fig.2 Finite element model

2.2 群樁力學(xué)行為分析

根據(jù)盾構(gòu)法施工工藝，施工過程可以分為4個典型階段:頂推階段、盾尾注漿、盾尾脫開、固結(jié)沉降階段。理想的頂推和盾尾注漿應(yīng)為土壓平衡階段，本文主要考慮盾尾脫開及固結(jié)階段的影響。盾構(gòu)施工時釋放周邊土體應(yīng)力，周邊土體向隧道方向產(chǎn)生位移，由于土體橫向位移沿樁身變化不均勻，樁體發(fā)生彎曲。樁基橫向變形及附加彎矩見圖3和圖4。從圖3可見，近、遠(yuǎn)端樁基變形形態(tài)一致，遠(yuǎn)端樁基受影響較小，滿足使用要求。近端樁基中前排樁距離隧道更近，其受開挖應(yīng)力釋放引起的側(cè)向土體位移更大;同時由于承臺約束作用，前、后排樁樁頂水平位移值幾乎相同，樁身水平位移有較大差別，但最大值均出現(xiàn)在隧道中心位置附近。

圖3 樁基橫向變形圖Fig.3 Lateral deformation of pile

圖4 樁基附加彎矩圖Fig.4 Additional bending moment of pile

由于樁體剛度遠(yuǎn)大于周邊土體，近盾構(gòu)側(cè)土體脫開的趨勢導(dǎo)致樁體在隧道中心對應(yīng)位置附近處產(chǎn)生較大的附加橫向彎矩，且遠(yuǎn)端樁基產(chǎn)生的附加彎矩遠(yuǎn)小于近端。由于樁頂與承臺剛接，前排樁與后排樁樁頂處均出現(xiàn)了負(fù)彎矩，且前排樁彎矩大于后排樁彎矩，但不論前排樁還是后排樁，樁身彎矩最大值仍出現(xiàn)在隧道起拱線深度附近。

計算結(jié)果顯示，盾構(gòu)施工過程中，樁基跟隨周邊土體共同變形并產(chǎn)生附加內(nèi)力，當(dāng)盾構(gòu)距離樁基較近時，群樁中的前排和后樁基橫向變形和附加彎矩值都比較大。同時，由于盾構(gòu)影響范圍內(nèi)土體擾動產(chǎn)生負(fù)摩阻力導(dǎo)致樁體周邊及樁端反力的重新分布，樁側(cè)和樁端軸力增大，并導(dǎo)致豎向沉降的發(fā)生。

樁基沉降及附加軸力見圖5和圖6。

圖5 樁基沉降圖Fig.5 Settlement of pile

圖6 樁基附加軸力圖Fig.6 Additional axial force of pile

由圖5可見，由于樁體軸向剛度較大，沉降沿樁身基本不變。前排樁及后排樁的沉降最大值出現(xiàn)在樁頂，樁身有較小的壓縮變形。同時，由于樁體頂部承臺的聯(lián)結(jié)作用使得群樁中前、后排樁的沉降差比較小。

盡管前排樁的沉降僅略大于后排樁，但由于前排樁樁側(cè)受盾構(gòu)影響的程度明顯大于后排，產(chǎn)生的負(fù)摩阻力較大，前排樁樁側(cè)磨阻力、樁端阻力增量均明顯大于后排樁，故前排樁內(nèi)軸力增量值較后排樁要大。樁身軸力最大值均出現(xiàn)在隧道底部深度附近。

通過以上分析可見，盾構(gòu)推進對樁基的變形和內(nèi)力都有影響，尤其對距離較小的樁基影響更為明顯。距離較近時，應(yīng)采取措施減小該影響。

3 綜合防護技術(shù)

3.1 綜合防護機理

本工程的風(fēng)險來源于土體開挖，采用大盾構(gòu)施工，是一種對地層擾動少、環(huán)境變形小的施工方法。對盾構(gòu)施工的相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化后，需要控制地層變形，按土層變形發(fā)展機理，可采取"降"或"堵"2種方式進行主動干預(yù)。

1)加固地層降低地層變形。采用洞內(nèi)注漿、地面注漿等多種方式改良隧道周邊、隧道和樁基之間的土體，以達(dá)到降低地層變形的目的。注漿加固可大大提高土體的E、c、φ的值，減小μ值，從而提高了土體的整體強度和自穩(wěn)能力。

2)隧道與既有橋梁間隔離樁阻隔變形。隧道邊有剛性樁基時，地層開挖釋放能量將被樁基部分吸收而導(dǎo)致地層變形降低。通過設(shè)置隔離樁吸收變形來達(dá)到阻隔變形傳遞的目的。隔離樁設(shè)計時一般可以采用錨桿樁、樹根樁、灌注樁等結(jié)構(gòu)形式。

復(fù)合錨桿樁成孔后在同一鉆孔中設(shè)置不同長度的高壓注漿管，分段中、高壓注漿，施工采用了特殊的施工工藝根據(jù)需要調(diào)節(jié)注漿壓力，注漿壓力最高可達(dá)5 MPa，孔壁外側(cè)土層在高壓下，孔隙被充填，土體被劈裂、擠密，孔壁周圍的土體也被逐漸固結(jié)和強化，從而有效地提高了土體的物理力學(xué)性質(zhì)。

采用多排復(fù)合錨桿樁，提高隔離樁剛度，同時加固剛性樁體之間的土層，兼具以上兩種作用，更有效的阻斷地層變形傳遞，達(dá)到了綜合防護的效果。

采用套管護壁微擾動施工，經(jīng)分析基本可忽略復(fù)合錨桿樁施工對橋樁的影響。

3.2 復(fù)合錨桿樁防護效果分析

3.2.1 計算模型的建立

在前述模型基礎(chǔ)上增加復(fù)合錨桿樁的模型，將注漿體及錨桿樁視為不同的彈性體。力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 模型力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters

3.2.2 樁體參數(shù)的選擇

隔離樁必須穿過土體滑移面并具備一定的插入深度才能有效地限制土體位移。隨著隔離樁樁長的增加，地面土體變形逐漸減小。采用3排復(fù)合錨桿樁布置，隔離樁樁長分別為21 m(到盾心)、26 m(到盾底)、29 m(盾底3 m)、31 m(盾底5 m)情況下的計算結(jié)果。錨桿樁樁長對橋樁變形的影響見圖7。

圖7 錨桿樁樁長對橋樁變形的影響Fig.7 Lengths of anchor piles Vs deformation of existing bridge piles

由于盾構(gòu)施工導(dǎo)致的土體應(yīng)力釋放是全周范圍，因此，為了達(dá)到控制樁基沉降，隔離樁的設(shè)計樁長必須達(dá)到一定的深度，才能起到一定的遮擋作用，發(fā)揮減小地層變形的作用。根據(jù)計算分析，樁體達(dá)到盾構(gòu)底部3 m后，樁基的豎向沉降明顯變小。

單個錨桿樁直徑小，剛度相對較小，但可以采取多排梅花形布置并于頂部設(shè)置圈梁使多排錨桿樁形成整體，且其間的土體經(jīng)過加固，使得鋼筋與加固后的加固體形成了一個有一定水平剛度的隔離體，同時加固后的土體自身應(yīng)力釋放率也得到改善，復(fù)合錨桿樁能起到較好的隔離作用。采用1、2、3、4排29 m復(fù)合錨桿樁情況下的計算結(jié)果見圖8。

圖8 錨桿樁排數(shù)對橋樁變形的影響Fig.8 Rows of anchor piles Vs deformation of existing bridge piles

由圖8可知，單排樁剛度較小，頂部連接的多排樁剛度明顯增加，控制樁后土體變形的效果很明顯。設(shè)置3排錨桿樁即可滿足工程需求。

3.2.3 錨桿樁布置

在大盾構(gòu)與近端橋梁樁基之間設(shè)置3排復(fù)合錨桿樁，樁徑 φ150@600，呈梅花形布置。樁頂設(shè)置1 350 mm×600 mm冠梁。復(fù)合錨桿樁底標(biāo)高8.9 m，樁長26 m，樁底距隧道底約3 m。剖面圖見圖9。

圖9 采用錨桿樁防護橫剖面圖(單位:mm)Fig.9 Profile of protection of existing bridge piles by means of anchor piles

3.2.4 樁基位移

根據(jù)分析，采用隔離樁保護措施后，地層損失率0.4%時，盾構(gòu)施工對橋梁的主要影響如下:橋樁最大豎向變形1.9 mm，最大水平變形為1.35 mm，承臺水平位移0.5 mm。相鄰橋墩累計最大差異沉降1.7 mm，軌道累計最大沉降2.0 mm，滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求。錨桿樁防護后橋樁沉降分析結(jié)果見圖10。

圖10 錨桿樁防護后橋樁沉降分析結(jié)果Fig.10 Analysis result of settlement of existing bridge piles protected by anchor piles

該盾構(gòu)區(qū)間已經(jīng)于2013年3月成功穿越機場快軌，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，穿越側(cè)橋墩最大豎向變形1.5 mm，水平變形0.9 mm。采用多排復(fù)合錨桿樁具有明顯的防護作用。

4 結(jié)論與建議

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，對單洞雙線盾構(gòu)近距離穿越橋樁基礎(chǔ)進行了模擬分析，對不同位置橋樁的位移、應(yīng)力進行比較，并對用復(fù)合錨桿樁進行防護的方法進行了深入研究，主要結(jié)論和建議如下。

1)單洞雙線盾構(gòu)隧道近距離穿越已建橋樁基礎(chǔ)時，將使樁基產(chǎn)生相當(dāng)大的位移和應(yīng)力，距離較近時，將嚴(yán)重影響樁基礎(chǔ)的安全使用，需要論證采取隔離樁主動防護的必要性。

2)復(fù)合錨桿樁可多排組合形成較大剛度，并同時對樁基周邊土體加固，在環(huán)境條件嚴(yán)苛處作為盾構(gòu)穿越的防護隔斷樁顯示出其獨特的優(yōu)點。

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