地鐵隧道對鄰近既有橋樁影響及施工方法優(yōu)化*

田曉艷 谷拴成

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,710054,西安; 2.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710065,西安∥第一作者,博士研究生)

地鐵隧道對鄰近既有橋樁影響及施工方法優(yōu)化*

田曉艷1,2谷拴成1

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,710054,西安; 2.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710065,西安∥第一作者,博士研究生)

隧道開挖會對周邊土層造成擾動,導(dǎo)致既有橋樁發(fā)生變形,從而影響橋梁的運(yùn)營安全。以西安地鐵3號線區(qū)間隧道為工程背景,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對比分析隧道不同施工方法對既有橋梁樁基的影響,并綜合考慮各種因素,提出環(huán)形開挖預(yù)留核心土法作為該區(qū)間隧道的施工方法。通過現(xiàn)場監(jiān)測分析表明,該施工方法能夠有效降低地表沉降及對既有臨近橋梁樁基的影響,對黃土地區(qū)該類隧道工程具有一定的借鑒價值。

地鐵隧道開挖; 施工方法; 既有橋梁樁基; 施工影響; 模擬分析

在一些特殊情況下，有些地下工程不得不在已有橋梁樁基附近修建。在既有樁基附近進(jìn)行隧道施工時,會對周邊土層造成擾動,使地層的原有初始應(yīng)力場遭到破壞。而土體的變形又會向樁基施加側(cè)向或者軸向力,從而使樁基產(chǎn)生彎曲和沉降,進(jìn)而導(dǎo)致其承載能力降低,影響樁基上部結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全,嚴(yán)重還時會使樁基上部結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

實際工程建設(shè)中,為了保證樁基的穩(wěn)定一般會采取較為保守的施工方案。而這種方案往往不利于控制工程造價?；谶@一現(xiàn)狀,本文以西安地鐵3號線延興門站—咸寧路站區(qū)間(以下簡為“延—咸區(qū)間”)隧道工程為工程背景,通過對施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了不同施工方法下隧道施工對地表沉降和橋樁變形的影響,為鄰近橋樁的地鐵隧道施工和支護(hù)方案的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 工程概況

延—咸區(qū)間隧道沿金花南路地下布設(shè)(見圖1),采用馬蹄型斷面,起訖里程為Z(Y)DK28+089.638—Z(Y)DK28+633.229。延—咸區(qū)間線路左線長544.917 m,右線長543.591 m。金花南路(東二環(huán))為南北向交通干道,地面車流及人流密集,道路兩旁建筑物林立。地鐵區(qū)間線路在地下穿越立豐人行天橋,并與東二環(huán)立交及互助路立交并行。東二環(huán)立交橋(建工橋)橋面高3.5～9.2 m,順東二環(huán)向北延伸,其橋梁基礎(chǔ)采用樁長為35～52 m的樁基礎(chǔ)。橋梁圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣距橋梁樁基最小距離為5.1 m,距橋梁邊緣最小距離為1.55 m。

場地地下水位埋深為3.00～7.50 m,地下水位高程為416.00～417.58 m,屬賦存于第四系松散層中的孔隙潛水類型。主要含水層為新黃土、古土壤及老黃土。以上含水層組中既無明顯隔水層,也無明顯具承壓性的含水層。本地區(qū)第四系孔隙潛水含水層厚度約20～80 m,地下水位年變化幅度約1.00～2.00 m。各地層相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖材料的物理參數(shù)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

根據(jù)實際工程參數(shù),采用FLAC3D軟件建立包含隧道、橋梁基礎(chǔ)及周圍土體在內(nèi)的分析模型。鑒于隧道施工對周圍土層影響大小的不同,故模型中不同位置地層的網(wǎng)格單元疏密程度不同。

(1) 模型大小。為了便于模擬,計算模型沿開挖方向(y軸方向)取138 m,橫向(x軸方向)沿以隧道軸心面為中心左右各取45 m,厚度自地面以下取48 m。以豎向為z軸建立x、y、z坐標(biāo)。

圖1 既有橋梁樁基與地鐵隧道位置關(guān)系

(2) 邊界條件。地表面為自由邊界;沿z軸方向模型底部為固定邊界;沿x軸及y軸方向兩側(cè)為固定邊界。樁及承臺密度為2 600 kg/m3,樁直徑為1.5 m,彈性模量為30 000 MPa,泊松比為0.2。

為研究地鐵雙線隧道開挖對鄰近既有建工橋樁基的影響,采取臺階法、預(yù)留核心土法、CRD(中隔墻加臺階)法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等4種不同施工方法,研究隧道開挖對地表和樁基沉降的影響。

隧道和橋梁樁基模型及其位置關(guān)系如圖2所示。選取A橋墩樁基礎(chǔ)(1#—4#)和B橋墩樁基礎(chǔ)(5#—8#)進(jìn)行研究。

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1 隧道開挖對地表的影響

隧道不同施工方法誘發(fā)的地層豎向位移云圖,如圖3—圖6所示。由圖3—圖6可知,地鐵隧道若采用上下臺階法，則施工完成后引起的地層豎向位移云圖沿左右線隧道的對稱中心線基本對稱分布,右側(cè)上方土體沉降偏大;采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,施工完成后引起的地層豎向位移云圖沿左右線隧道中心線基本對稱分布。

圖2 地鐵隧道與橋樁位置模型

在模型中設(shè)置地表沉降監(jiān)測點(diǎn),可得出各施工方法對應(yīng)的地表沉降曲線(如圖7—圖10)所示。

圖3 上下臺階法施工地層豎向位移云圖

圖4 環(huán)形開挖留核心土法施工地層豎向位移云圖

圖5 CRD法施工地層豎向位移云圖

圖6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工地層豎向位移云圖

圖7 臺階法施工地表沉降曲線

由圖7—圖10可知,隧道開挖引起地層沉降變化是一個漸近的動態(tài)變化過程,但隧道不同施工方法引起的地表最終沉降曲線基本呈“U”型。不同施工方法引起的地表最大沉降值均出現(xiàn)在兩隧道的拱頂部位,而大小各有不同。上下臺階法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、CRD法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表沉降量分別為36.7 mm、30.0 mm、20.2 mm和15.3 mm?？梢?雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表沉降量最小。這是由于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工能及時封閉成環(huán),故能有效控制周圍巖土體的變形。

圖8 預(yù)留核心土法施工地表沉降曲線

圖9 CRD法施工地表沉降曲線

圖10 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工地表沉降曲線

2.2.2 隧道開挖對樁基變形的影響

通過對樁頂沉降模擬結(jié)果的分析,可得到隧道不同施工方法引起的樁頂沉降(見表2)及樁頂x向水平位移(見表3)。

由表2和表3可知,采用不同淺埋暗挖法進(jìn)行施工時,地鐵隧道開挖引起的樁頂豎向位移和水平位移與樁基距隧道的距離成反比,且樁頂向隧道一側(cè)傾斜。隧道近側(cè)樁基受到的影響最大。將不同施工方法按對樁基的影響由大到小排序為:上下臺階法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。究其原因,上下臺階法施工成拱時間較慢,對圍巖擾動最大，故沉降最大。而且1#及2#樁所受影響最大,3#及4#樁所受影響次之，5#及6#樁所受影響更小,7#及8#樁所受影響最小。這是由于樁距隧道軸線越遠(yuǎn),樁體受擾動程度就越小。

表2 不同開挖方法對應(yīng)的樁頂沉降 mm

表3 不同開挖方法對應(yīng)的樁頂x向水平位移 mm

基于施工方法對地表沉降、樁體沉降及水平位移的影響，綜合考慮各種施工方法的適用性及工程成本,本區(qū)間隧道開挖應(yīng)采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法進(jìn)行施工。對變形要求比較高的路段,從安全及控制變形的角度考慮,可采用CRD法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法過渡施工。

3 現(xiàn)場監(jiān)測及分析

該區(qū)間隧道在通過橋梁樁基附近時采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工,并布設(shè)了一定數(shù)量的監(jiān)測點(diǎn),以及時了解隧道開挖對臨近樁基的影響。

3.1 地表沉降變形監(jiān)測

為了解地層沉降對既有橋梁樁基的影響,沿隧道軸線布設(shè)了地表沉降監(jiān)測點(diǎn)(如圖11所示),以監(jiān)測隧道開挖時引起的地表沉降。測點(diǎn)縱向間距為6～8 m,橫向間距為2.5 m。

3.1.1 隧道開挖引起地表沉降變形的分析

因隧道左線施工已滯后于隧道右線100 m左右,故僅考慮隧道左線開挖對地表沉降的影響。為便于分析,選取1個典型監(jiān)測斷面對隧道開挖引起的地表變形曲線進(jìn)行分析(見圖12)。

圖11 地表沉降測點(diǎn)布置圖

由圖12知,隨隧道掌子面的開挖，監(jiān)測斷面沉降發(fā)展趨勢變化一致,依次經(jīng)歷微小變形階段、急劇沉降階段和穩(wěn)定變形階段。隧道施工完成時地表沉降最大值為30 mm左右,與數(shù)值模擬計算結(jié)果基本一致。這進(jìn)一步驗證了數(shù)值模擬計算結(jié)果的準(zhǔn)確性(見圖12)。

3.1.2 地表沉降與隧道掌子面距離的關(guān)系分析

為深入分析地鐵隧道開挖引起的地表沉降與開挖掌子面距離的關(guān)系,選取隧道拱頂上方的典型監(jiān)測點(diǎn)L4-2進(jìn)行分析。隧道左線單洞開挖過程中洞頂?shù)孛娉两惦S掌子面的變化曲線,如圖13所示。

由圖13可知,在開挖掌子面通過測點(diǎn)L4-2前后的一段時間內(nèi)，地表沉降經(jīng)歷了4個階段。

圖12 斷面ZDK28+135.625監(jiān)測點(diǎn)沉降變化曲線

圖13 監(jiān)測點(diǎn)L4-2沉降與隧道掌子面距離的關(guān)系曲線

(1) 超前微小下沉階段。當(dāng)工作面開挖到距測點(diǎn)距離L為-3D～-1D時(D為隧道洞口直徑),開挖對地表產(chǎn)生影響。該階段的沉降量約占總沉降量的5%～15%。

(2) 急劇變形階段。當(dāng)隧道工作面開挖至距測點(diǎn)1D～3D時,地表變形快速增長。該階段沉降量約占總沉降量的55%～65%,且沉降速度最大的點(diǎn)在開挖工作面附近。

(3) 緩慢變形階段。當(dāng)隧道工作面開挖至距測點(diǎn)3D～5D范圍時,地表變形速度減緩。該段沉降量約占總沉降量的15%～20%。

(4) 穩(wěn)定變形階段。當(dāng)隧道工作面距測點(diǎn)超過5D后,地表沉降增長緩慢,趨于穩(wěn)定。該階段沉降量約占總沉降量的5%。

3.2 橋梁橋面監(jiān)測分析

橋面監(jiān)測距離不大于50 m。測點(diǎn)的縱向間距一般為6～8 m,橫向間距平均為3.5 m。監(jiān)測斷面共23個,如圖14所示。

圖14 橋面沉降監(jiān)測測點(diǎn)布置圖

選取橋梁橋面上1個典型監(jiān)測斷面,對其沉降進(jìn)行分析。該斷面沉降點(diǎn)的沉降過程如圖15所示。

圖15 典型監(jiān)測斷面沉降曲線

由圖15可知,橋面的總體沉降都不大。經(jīng)過統(tǒng)計,各斷面中最大沉降為5.40 mm,最小沉降為0.55 mm,而沉降量控制值為30 mm，因此該橋梁是安全的。但靠近隧道左線邊的測點(diǎn)沉降比左外側(cè)的大,且最大沉降相差4.45 mm,故橋梁整體向隧道左線傾斜沉降。

4 結(jié)論

本文以西安地鐵3號線延興門站—咸寧路站區(qū)間暗挖隧道工程為依托,采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測方法,對隧道不同施工方法對地表沉降和樁基變形的影響進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論:

(1) 地鐵隧道暗挖施工時,不同施工方法對周邊環(huán)境的影響不同。數(shù)值模擬結(jié)果表明,環(huán)形開挖預(yù)留核心土法不僅能有效將地表變形控制在允許的范圍內(nèi);同時,對鄰近橋梁樁基的擾動較小；而且,該法施工工藝簡單,工程造價低。故實際施工采用環(huán)形開挖預(yù)留核心法。

(2) 結(jié)合現(xiàn)場實測,對環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工引起的地表沉降和樁體變形進(jìn)行分析。實測分析結(jié)果表明,該法合理可行,橋基在施工期間未發(fā)生安全隱患,對類似工程具有參考意義。

(3) 隧道開挖引起的地表沉降隨距掌子面距離的變化大致分為超前微小沉降階段、沉降急劇增大階段、變形緩慢階段及穩(wěn)定變形階段。沉降實測值變化基本符合Logistic曲線模型。

(4) 采用信息化量測對地鐵施工信息進(jìn)行及時監(jiān)測和反饋,能實現(xiàn)對工程的全過程控制與管理。同時,快速施工快速封閉有利于控制地層變形,也有利于有效控制鄰近既有橋梁樁基的變形。

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Influences of Subway Tunnel on the Adjacent Existing Bridge Piles and Optimization of Construction Methods

TIAN Xiaoyan, GU Shuancheng

Tunnel excavation will cause disturbance to the surrounding soil,cause a deformation of the existing bridge pier,thus affect the operation of the bridge is safe.Based on xi 'an metro line 3 tunnel as the engineering background,using numerical simulation software FLAC3D analysis of tunnel in different construction methods for the influence of both the bridge pile foundation,considering various factors,that the area between the tunnel circular excavation reserved core method should be adopted in construction.Through the field monitoring analysis shows that the construction method can effectively reduce the surface subsidence and the influence on both the adjacent bridge pile foundation,the tunnel in the loess area project has a certain guiding significance and reference value.

subway tunnel excavation; construction methods; existing pile foundation of bridge; construction influnces; simulation analysis

College of Architecture and Civil Engneering,Xi′an University of Science and Technology,710054,Xi′an,China

*陜西省教育廳科學(xué)研究項目(2013JK0961)

U 456.3; TU 433

10.16037/j.1007-869x.2017.03.028

2015-04-23)