盾構(gòu)下穿滬杭高鐵高架橋設(shè)置圍護(hù)樁的效果分析

吳義明

(浙江象山宏潤建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,310004,杭州∥高級工程師 )

?

盾構(gòu)下穿滬杭高鐵高架橋設(shè)置圍護(hù)樁的效果分析

吳義明

(浙江象山宏潤建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,310004,杭州∥高級工程師 )

杭州地鐵1號線喬司北站—臨平高鐵站區(qū)間左、右線盾構(gòu)先后近距離側(cè)穿滬杭高鐵高架橋墩,為減少盾構(gòu)掘進(jìn)施工對高鐵橋墩的影響,預(yù)先在隧道與被穿越高鐵橋墩間打設(shè)圍護(hù)樁。通過數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，證明預(yù)設(shè)的圍護(hù)樁可有效減少高鐵橋墩的沉降和水平位移。在實(shí)際工程中具有廣泛的應(yīng)用。

地鐵隧道;高架橋墩;圍護(hù)樁;地基變形

Author′s address Zhejiang Xiangshan Hongrun Construction Group Co.,Ltd.,310004, Hangzhou,China

杭州地鐵1號線的盾構(gòu)在杭州軟土地層中,順利穿越了大量建筑物,其中,杭州地鐵1號線喬司北站—臨平高鐵站區(qū)間(以下簡為“喬—臨區(qū)間”)盾構(gòu)穿越高鐵高架橋施工是一大工程難點(diǎn)。該高鐵高架橋橋墩沉降及水平位移允許值僅為3 mm。經(jīng)數(shù)值分析與研究,在該區(qū)間盾構(gòu)下穿高鐵前,預(yù)先對盾構(gòu)下穿高鐵段進(jìn)行圍護(hù)樁加固,并在圍護(hù)樁頂部設(shè)置圈梁、系梁支撐,以減小盾構(gòu)施工對臨近高鐵橋墩樁基的影響。

1 工程概況

杭州地鐵1號線18號盾構(gòu)區(qū)間喬司北站—臨平高鐵站的左線、右線盾構(gòu)先后于余杭高鐵樁號K37+410.91～K37+455.91、K37+423.16～K37+468.16旁側(cè)穿越余杭高鐵高架橋橋墩。該區(qū)間左右線下穿段的盾構(gòu)隧道中心埋深為 11.7 m,線間距為 15 m,隧道外徑為 6.2 m、內(nèi)徑為 5.5 m,管片襯砌厚0.35 m。下穿段盾構(gòu)主要穿越土層為③2粉砂及③5砂性粉土。隧道左線距離余杭高鐵西側(cè)承臺樁基最小凈距為 6.16 m,隧道右線距離余杭高鐵東側(cè)承臺樁基最小凈距為 5.19 m,為減少盾構(gòu)掘進(jìn)施工對高鐵橋墩的影響,預(yù)先在盾構(gòu)穿越段兩側(cè)(即隧道與高鐵橋墩間)各打設(shè)1排φ800 mm鉆孔樁及1排φ600 mm旋噴加固樁。旋噴加固樁與隧道間凈距為 1 m,在圍護(hù)樁樁頂設(shè)置圈梁,兩排圈梁間設(shè)置混凝土系梁支撐。盾構(gòu)穿越高鐵段隧道與滬杭高鐵橋墩平面位置關(guān)系如圖1所示,縱剖面如圖2所示。

場地地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水、孔隙承壓水以及基巖裂隙水。淺層地下水屬孔隙潛水,主要賦存于表層填土及③1～③7層粉土、粉砂中,由大氣降水和地表水徑流補(bǔ)給,地下水位受季節(jié)影響較大。承壓含水層主要分布于深部圓礫層中,水量較豐富,隔水層為上部的淤泥質(zhì)土和黏土層。承壓含水層頂板高程為-26.00～-24.82 m,隔水層頂板高程為-14.02～-15.12 m。承壓水頭上升高的水位埋深一般在地面下 6.0～10.85 m, 其高程為 -3.23～1.63 m,且水位呈年周期性變化。

盾構(gòu)下穿段的余杭高鐵橋墩基礎(chǔ)為承臺樁基形式。樁基采用φ1.25 m鉆孔樁,樁底標(biāo)高為-67.663 m和-67.163 m,承臺標(biāo)高為 0.337 m和0.837 m,基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)形式及承臺樁平面布置關(guān)系圖如圖3、圖4所示。

圖1 盾構(gòu)下穿高鐵段隧道與高鐵橋墩相對關(guān)系平面圖

2 盾構(gòu)側(cè)穿數(shù)值模擬

為減少盾構(gòu)施工對高鐵橋墩的影響,分別對非阻隔(未設(shè)圍護(hù)樁)與阻隔(設(shè)圍護(hù)樁)條件下的施工情況進(jìn)行建模分析。模型建立了左右線盾構(gòu)隧道、端頭井及盾構(gòu)穿越處西側(cè)和東側(cè)的橋墩承臺和樁基。模型示意圖如圖5、圖6所示。

計算模型通過“殺死”隧道內(nèi)部土體并“激活”隧道管片來模擬盾構(gòu)推進(jìn)過程。計算結(jié)果表明,未設(shè)置圍護(hù)樁時橋墩變形較大。在隧道與臨近橋墩之間建立鉆孔樁及旋噴加固樁后,樁基的位移云圖如圖7所示。

圖3 余杭高鐵承臺及上部結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 余杭高鐵承臺樁位示意圖

圖5 計算模型平面圖

由圖7可知,盾構(gòu)左右線側(cè)穿高鐵橋墩時,由于橋墩樁基形式為端承樁,故樁基沉降相對較小，樁基主要產(chǎn)生沿隧道方向的水平位移。以距離隧道最近的1號樁、2號樁作為分析對象,分別計算了未設(shè)置與設(shè)置圍護(hù)樁時1號樁、2號樁的沉降值、水平位移值,計算結(jié)果如表1所示。

表1 樁的沉降、水平位移表

圖6 計算模型局部示意圖

圖7 設(shè)置圍護(hù)樁后的樁基位移云圖

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 正常推進(jìn)情況

本工程左線側(cè)穿高鐵橋墩時,盾構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定均正常。設(shè)置左線盾構(gòu)臨近橋墩沉降監(jiān)測點(diǎn)E17和E18，左線盾構(gòu)臨近橋墩水平監(jiān)測點(diǎn)A13和A14。其中，E18和A13監(jiān)測點(diǎn)直接布設(shè)于橋墩，且測點(diǎn)距離左線隧道最近，與隧道凈距為6.2 m。在盾構(gòu)穿越的不同階段,橋墩的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

由監(jiān)測結(jié)果可知,在圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)作用下,盾構(gòu)正常推進(jìn)時,其側(cè)穿高鐵橋墩施工對樁基沉降、水平位移影響較小。

但如果盾構(gòu)施工過程中施工參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，即使有圍護(hù)樁的隔離作用,也會影響高鐵正常運(yùn)營。施工參數(shù)對盾構(gòu)穿越施工的影響可總結(jié)為:

(1) 盾構(gòu)穿越橋墩前,橋墩沉降、水平位移主要受盾構(gòu)切口土壓設(shè)定的影響。土壓設(shè)定值偏高時將出現(xiàn)盾構(gòu)切口前方橋墩隆起,橋墩向外發(fā)生水平位移的現(xiàn)象；土壓設(shè)定值偏低則會導(dǎo)致盾構(gòu)切口前方橋墩沉降及橋墩向內(nèi)發(fā)生水平位移。

(2)穿越過程中,橋墩受盾構(gòu)擾動的影響較大。當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)橋墩位置時,如大幅度進(jìn)行糾偏以調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，將直接影響橋墩沉降及水平位移。

(3)穿越結(jié)束后,橋墩變形受同步注漿漿液凝結(jié)時間的影響。如同步注漿的漿液初凝時間長，則地面沉降相對較大,并使橋墩產(chǎn)生較大的水平位移。3.2 非正常推進(jìn)情況

由于本盾構(gòu)區(qū)間主要穿越的粉砂層含水量較大,故易出現(xiàn)螺旋機(jī)噴涌現(xiàn)象。這將造成較大的地面沉降。在盾構(gòu)穿越前預(yù)先設(shè)置圍護(hù)隔斷樁將大大減少盾構(gòu)掘進(jìn)對高鐵樁基的影響。特別在非正常掘進(jìn)過程中,隔斷圍護(hù)樁將對周邊土體起到有效的支護(hù)作用。

在喬—臨區(qū)間右線穿越高鐵的施工過程中,當(dāng)盾構(gòu)切口靠近加固區(qū)時，曾出現(xiàn)螺旋機(jī)噴涌現(xiàn)象(噴涌時間為2012年1月1日),導(dǎo)致無法有效保證盾構(gòu)正面土壓平衡并控制盾構(gòu)出土量,從而造成盾構(gòu)周邊地面沉降累計達(dá)-16.62 mm。但由于隔斷圍護(hù)樁的作用及高鐵端承樁本身的受力特性,橋墩樁基變形較小,其樁基最大沉降僅-0.63 mm,最大水平位移僅-0.93 mm。

圖8、圖9為盾構(gòu)穿越段監(jiān)測點(diǎn)布置圖。

盾構(gòu)螺旋機(jī)噴涌后，地面沉降及臨近承臺樁基的沉降情況如圖10所示，臨近承臺樁基的水平位移情況如圖11所示。

經(jīng)分析,盾構(gòu)正上方地面出現(xiàn)了較大幅度沉降,但在隔斷圍護(hù)樁外側(cè)的橋墩沉降、水平位移較小。

3.3 數(shù)據(jù)對比與討論

正常推進(jìn)情況下橋墩水平位移監(jiān)測點(diǎn)A13與A14在盾構(gòu)切口穿越監(jiān)測點(diǎn)時的位移監(jiān)測值分別為0.85 mm與0.50 mm；非正常推進(jìn)情況下,即

圖8 盾構(gòu)穿越段監(jiān)測點(diǎn)布置圖1

圖9 盾構(gòu)穿越段監(jiān)測點(diǎn)布置圖2

盾構(gòu)機(jī)發(fā)生螺旋機(jī)噴涌后,盾構(gòu)切口附近的橋墩水平位移監(jiān)測點(diǎn)A11與A12的最大位移監(jiān)測值分別達(dá)到0.95 mm與0.40 mm?？梢?，在圍護(hù)樁隔斷作用下,正常推進(jìn)與非正常推進(jìn)時橋墩水平位移都較小,而非正常推進(jìn)情況下的橋墩水平位移相對較大。

圖10 地面與橋墩沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

圖11 橋墩水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

正常推進(jìn)情況下橋墩沉降監(jiān)測點(diǎn)E17與E18在盾構(gòu)切口穿越監(jiān)測點(diǎn)時的沉降監(jiān)測值為-0.33 mm、-0.54 mm;非正常推進(jìn)情況下,即盾構(gòu)機(jī)發(fā)生螺旋機(jī)噴涌后,盾構(gòu)切口附近的橋墩沉降監(jiān)測點(diǎn)E19、E20的沉降監(jiān)測最大值達(dá)到-1.20 mm、-0.90 mm?？梢娫趪o(hù)樁隔斷作用下,正常推進(jìn)與非正常推進(jìn)時橋墩沉降都較小,非正常推進(jìn)情況下的橋墩沉降相對較大。

4 結(jié)語

喬—臨區(qū)間盾構(gòu)下穿高鐵高架橋工程的施工經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供參考。本文論述了盾構(gòu)在粉砂性地層中側(cè)穿高鐵的重點(diǎn)技術(shù)措施，并對盾構(gòu)下穿時的高鐵高架橋橋墩的沉降及水平位移等監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，預(yù)設(shè)圍護(hù)樁可有效減少盾構(gòu)掘進(jìn)對高鐵橋墩的影響。

[1] 同濟(jì)大學(xué).杭州地鐵1號線盾構(gòu)隧道下穿滬杭高鐵余杭南站技術(shù)方案研究[R].上海:同濟(jì)大學(xué),2011.

[2] 鮑綏意.盾構(gòu)技術(shù)理論與實(shí)踐[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[3] 張冰.地鐵盾構(gòu)施工[M].北京:人民交通出版社,2011.

[4] 王夢恕,譚忠盛.中國隧道及地下工程修建技術(shù)[J].中國工程科學(xué),2010,12(12):4.

[5] 盧剛.隧道構(gòu)造與施工[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2010.

[6] 劉釗,佘才高,周振強(qiáng).地鐵工程設(shè)計與施工[M].北京：人民交通出版社,2004.

Analysis of the Retaining Pile Construction in Shield Tunnel Crossing the Viaduct Piers on Shanghai-Hangzhou High-speed Railway

WU Yiming

During the construction of Hangzhou Subway Line 1, the shield tunnel from Qiaosibei Station to Linping High-speed Railway Station will cross under the viaduct piers of Shanghai-Hangzhou High-speed Railway within a close range. In order to reduce the influence of shield construction on viaduct piers of the high-speed railway, retaining piles are set between the tunnel and the viaduct piers in advance. This strengthening method has been verified by numerical modeling and monitoring data analysis, it shows that the preset retaining piles could effectively reduce the settlement and horizontal displacement of viaduct piers, and will be widely applied in practical engineering projects.

metro tunnel; viaduct piers; retaining pile; ground deformation

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.06.025

2014-07-12)