高架橋樁基作用下地鐵隧道圍巖穩(wěn)定措施研究

■ 中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 王威

城市地下軌道交通工程因處于市區(qū)，會在一定程度上受到周邊環(huán)境的影響，其中區(qū)間隧道下穿城市高架橋的情況并不少見。下穿高架橋是隧道施工過程中的重要風(fēng)險(xiǎn)源，橋樁會將高架橋的作用力傳遞到地表，進(jìn)而改變地層的應(yīng)力分布，對隧道圍巖和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響[1]，楊貴永等[2]分析了地鐵區(qū)間隧道施工對下穿高速橋的影響；熊家全[3]研究了地鐵隧道淺埋暗挖施工對橋樁的影響；張文正[1]對盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場線橋樁結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了研究；韋猛等[4]分析了隧道襯砌開裂機(jī)理和加固措施；鄭明新等[5]研究了偏壓隧道洞口段注漿加固效果；眾多學(xué)者[6]-[10]對復(fù)雜情況下隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。本文針對地鐵隧道下穿高架橋情況時(shí)隧道圍巖穩(wěn)定措施進(jìn)行了探討，并給出相應(yīng)建議。

1.工程背景

本文以烏魯木齊市軌道交通某區(qū)間下穿高架橋樁基為例，研究隧道圍巖穩(wěn)定控制措施的作用并進(jìn)行優(yōu)化。該區(qū)間隧道下穿高架橋橋面結(jié)構(gòu)為8墩柱7跨連續(xù)梁、跨徑為18m，為墩柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)截面為2.4m×3.4m、4.6m×3.6m，埋深為2.5m，有3座基礎(chǔ)位于暗挖隧道正上方，有1座基礎(chǔ)與暗挖隧道水平距離1.32m，基礎(chǔ)底距暗挖隧道頂垂直距離為12.3m。隧道下穿范圍采用地面注漿及洞內(nèi)補(bǔ)充注漿加固措施，注漿壓力0.3MPa—0.5MPa、擴(kuò)散半徑不小于1m。施工過程加強(qiáng)隧道自身剛度、控制開挖步距、及時(shí)封閉結(jié)構(gòu)、及時(shí)背后注漿、多次補(bǔ)充注漿。

2.數(shù)值模擬

2.1 模型建立

選取隧道穿越橋樁斷面進(jìn)行建模，考慮隧道施工影響范圍運(yùn)用邁達(dá)斯GTS NX建立48m×38m的模型，考慮到巨厚卵石層的存在，計(jì)算范圍內(nèi)土體按照雜填土層和卵石層選取，地層按照MüC屈服準(zhǔn)則計(jì)算，結(jié)構(gòu)材料按照彈性體計(jì)算，將橋樁樁基的作用以荷載形式加在模型上，模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型示意圖

2.2 施工方案

采用暗挖法進(jìn)行施工，隧道斷面為馬蹄形，在開挖過程中利用洞內(nèi)補(bǔ)充注漿進(jìn)行加固，設(shè)計(jì)工況如表1所示：

表1 設(shè)計(jì)工況

2.3 結(jié)果評價(jià)

模型計(jì)算后的結(jié)果表明，隧道開挖后洞周呈現(xiàn)拱頂下沉、底部隆起和兩邊收斂的情況，地表出現(xiàn)沉降槽曲線，在這些關(guān)鍵位置布設(shè)測點(diǎn)，獲得數(shù)據(jù)結(jié)果，分析扇形注漿范圍大小、注漿擴(kuò)散厚度和加強(qiáng)仰拱對隧道結(jié)構(gòu)和土體變形的影響。

2.3.1 注漿范圍

此次采用先施工做初襯再背后注漿的方案，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，注漿扇形范圍對隧道開挖后的底部隆起和兩邊收斂有一定改善作用，影響程度在0.1mm左右，相對來說可以不予考慮，本文重點(diǎn)分析其對洞周和地表豎向位移的影響。注漿之后，與注漿之前相比在拱頂下沉量和地表沉降值上均有一定增加，但變化量比較小，同時(shí)隨著注漿范圍的增大，兩者均有增大的趨勢，如圖2、圖3所示。同時(shí)監(jiān)測到注漿前后洞周最大剪力出現(xiàn)在拱頂正中位置，并且最大剪力值有所減小，隨著注漿范圍增大，最大剪力值不斷減小，因此，注漿改善了襯砌的受力情況，注漿范圍的加大是有利的，但注漿過程中對土體有較大擾動，且注漿后并沒有在注漿范圍內(nèi)立即形成應(yīng)有的強(qiáng)度，這些導(dǎo)致了較小的附加變形。

圖2 注漿范圍對拱頂下沉量的影響

圖3 注漿范圍對地表最大沉降值的影響

2.3.2 注漿厚度

注漿擴(kuò)散范圍至少為1m，在增加注漿厚度后，對隧道洞周兩邊收斂和底部隆起的影響非常小，幾乎可以忽略不計(jì)，而對拱頂下沉量和地表最大沉降值的影響較大。在注漿范圍為120°時(shí)，注漿厚度加大，拱頂下沉量和地表最大沉降值均增加，如圖4所示。增加漿液擴(kuò)散范圍顯然對地層的擾動更大，在改變地層屬性后并不能立即產(chǎn)生目標(biāo)強(qiáng)度，增加了土體的豎向位移，但此后注漿改變了地層的應(yīng)力分布，在拱頂中間位置出現(xiàn)的最大剪應(yīng)力隨著注漿厚度增加而減小，這對隧道結(jié)構(gòu)顯然是有利的。

圖4 注漿厚度對地表最大沉降值和拱頂下沉量影響

2.3.3 加強(qiáng)仰拱

在之前的分析中，仰拱強(qiáng)度與初襯相同，此次大幅度提高仰拱的強(qiáng)度，極大地改變了結(jié)構(gòu)和地層的應(yīng)力分布，如圖5所示。洞周應(yīng)力集中處分別在頂部和底部中間，后底部應(yīng)力最大值大幅度增加，頂部應(yīng)力最大值略有減小，同時(shí)拱頂下沉量、底部隆起量和地表最大沉降值均有明顯減小，對隧道兩邊收斂的影響幾乎可以忽略。

圖5 仰拱加強(qiáng)前（上）和加強(qiáng)后（下）洞周應(yīng)力集中處最大值

3.穩(wěn)定措施分析

3.1 注漿措施

在城市地鐵隧道建設(shè)中，通常采用淺埋暗挖法和盾構(gòu)法進(jìn)行開挖，由于城市淺層覆土大多為回填土，承載能力難以達(dá)到要求，在施工時(shí)往往需要進(jìn)行注漿預(yù)加固處理以及洞內(nèi)補(bǔ)充注漿加固。下穿高架橋是隧道施工的重要風(fēng)險(xiǎn)源，橋樁對地層的作用不可忽視，在對注漿效果的評價(jià)中可以發(fā)現(xiàn)，注漿措施對隧道上部土體影響較大，在橋樁基作用下，注漿范圍和注漿厚度的加大會導(dǎo)致施工措施對地層的擾動加劇，對拱頂下沉和地表沉降影響明顯，在一定程度上加大了變形量，但是拱頂中間位置的剪應(yīng)力呈減小趨勢，證明注漿方法仍然是有利的。因此，在下穿高架情況采取注漿措施，要對注漿范圍和厚度進(jìn)行充分考慮，對漿液配合比、注漿壓力和注漿量的控制要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，通過對地表建（構(gòu)）筑物、地表、土體深層變形的實(shí)時(shí)監(jiān)控量測，確保土體擾動最小，并且可以及時(shí)產(chǎn)生一定承載能力。

3.2 加強(qiáng)仰拱

注漿預(yù)加固措施對改善地層和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布作用有限，僅僅對隧道上部土體能夠起到一定的改良作用，并不會明顯改變隧道結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力分布情況。通過施做仰拱或者對仰拱強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)，可以直接改變隧道的受力。通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)仰拱后，地表最大沉降、拱頂下沉以及底部隆起均有明顯減小，隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布改變明顯，特別是底部即仰拱中間位置應(yīng)力加大明顯，可以認(rèn)為仰拱承受了更多的來自隧道上部結(jié)構(gòu)以及地層的作用，提高了結(jié)構(gòu)整體的承載能力。增設(shè)仰拱或者加強(qiáng)仰拱在隧道建設(shè)中對于減弱高架橋樁基的作用具有良好效果。

3.3 對比分析

注漿措施作用范圍在隧道上部土體內(nèi)，并且注漿效果是在注漿完成一段時(shí)間后產(chǎn)生的，注漿范圍越大、厚度越大，變形也就越大，可以看到在形成最終承載力之前隧道和地表變形仍在加大，但是最終在拱頂?shù)募魬?yīng)力卻是減小的，這證明注漿對結(jié)構(gòu)的有利性。而加強(qiáng)仰拱后，隧道底部中間位置應(yīng)力明顯加大，隧道結(jié)構(gòu)整體變形以及土體整體位移都得到減小，可以看出，仰拱承受更多的結(jié)構(gòu)與土體綜合作用并提高了隧道整體的承載能力和圍巖穩(wěn)定性。相比較而言，加強(qiáng)仰拱對結(jié)構(gòu)和土體受力變形的改善，作用范圍更大且更有利，可以比注漿措施更及時(shí)地發(fā)揮作用。在受到高架橋樁基作用時(shí)，加強(qiáng)仰拱對提供隧道整體承載能力和圍巖穩(wěn)定性效果更好。

4.總結(jié)

研究發(fā)現(xiàn)：通過注漿措施，在一定程度上可以改變注漿范圍內(nèi)的應(yīng)力分布，對圍巖穩(wěn)定有利，但注漿不可避免會擾動原有地層且不能立即產(chǎn)生應(yīng)有強(qiáng)度，注漿范圍越大厚度越大，特別是有橋樁樁基作用下，這種影響越明顯，因此，要根據(jù)現(xiàn)場情況選擇合適的注漿方式減小對地層的擾動，同時(shí)確定適當(dāng)?shù)臐{液配比來保證能夠產(chǎn)生目標(biāo)效果。

設(shè)置加強(qiáng)仰拱，可以有效改善隧道受力情況，對減弱橋樁樁基作用的影響有較好效果。對于下穿高架情況下，可以通過增加仰拱強(qiáng)度來提高隧道整體承載能力，改善圍巖穩(wěn)定性。