頂管井施工對地鐵橋墩影響的研究與分析

谷尚玲

(上海千年城市規(guī)劃工程設(shè)計股份有限公司 201108)

引言

隨著城市軌道交通(簡稱地鐵)的快速發(fā)展及城市地下空間開發(fā)的進步，許多新建及修復(因地鐵施工而損壞)管道工程的實施常常無法滿足相關(guān)管理部門提出的地鐵保護及避讓要求。而地鐵結(jié)構(gòu)對地基變形的要求遠較一般建(構(gòu))質(zhì)情況及管道埋深，擬采用頂管施工。 本次模擬分析選取其中距離橋墩較近的W8、W10、W11 號頂管井，壁板外邊緣與地鐵墩臺外邊緣水平距離分別約為 4.6m、7.6m、7.4m，見圖1。 地鐵橋墩承臺埋深1.4m，橋墩承臺下基樁為端承摩擦樁，樁端持力層為中風化泥巖，見圖2。筑物要高，如何在保證地鐵安全的前提下實施擬建管道，成為近年遇到越來越多的難題。

1 工程概況

本工程位于南京市某城市主干路。 由于地鐵施工，導致路面以及排水管線損壞嚴重，地鐵施工完畢后，需對相關(guān)排水管線進行修建，結(jié)合地

圖1 井的平面位置(單位：m)Fig.1 Location plan of the shafts(unit：m)

圖2 土層分布剖面示意(單位：m)Fig.2 Presentation drawing of soil distribution(unit：m)

本工程施工過程中應加強對地鐵結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，并采取合理有效的工程措施將變形控制在允許的范圍內(nèi)[3]。 根據(jù)相關(guān)規(guī)范[2]及已有沉降，地鐵管理部門要求的相關(guān)變形控制限值如表1 所示。

表1 地鐵結(jié)構(gòu)變形控制限值Tab.1 Limiting value of subway structural deformation

2 實施方案

2.1 止水帷幕方案

該場地地下水位僅為地表以下0.5m ～1m 之間，為盡量減小施工過程對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，無法考慮降水方案，只能考慮止水帷幕隔水的思路。 常用的實施方案有壓密注漿法、深層攪拌法、高壓旋噴法、MJS 工法(全方位高壓噴射法)。

MJS 工法作為止水帷幕施工工藝引起周邊變形較小，能較好地滿足地鐵結(jié)構(gòu)對變形控制的要求，尤其在距離地鐵結(jié)構(gòu)較近、位置緊張時有明顯優(yōu)勢，當然成樁過程對環(huán)境的影響不容忽視，應結(jié)合相應的泥漿處理等環(huán)境保護措施。 綜合本工程場地要求，地質(zhì)情況及盡量減小施工影響范圍要求，本工程最終采用MJS 工法作為止水帷幕方案，樁徑 2m，咬合搭接700mm，樁長深度為井底以下7m，進入淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂層。

2.2 頂管井實施方案

(1)沉井法：頂管井外圍先采用MJS 樁止水并加固土體，再進行沉井制作，井體結(jié)構(gòu)分節(jié)澆筑，一次下沉。

(2)逆作法：井體外圍先采用MJS 樁止水并內(nèi)插型鋼加強，然后井底采用高壓旋噴樁滿堂止水加固，最后按逆作井坑內(nèi)作業(yè)次序分層開挖、澆筑，見圖3。

圖3 頂管井逆作法示意Fig.3 Presentation drawing of the shafts by top-down instruction

3 數(shù)值分析

3.1 模型建立

本工程采用MIDAS/GTS NX[4]建模計算，管道工程側(cè)穿區(qū)間高架橋模型尺寸為280m(長) ×168m(寬) ×70m(高)。 W8 工作井平面尺寸[1]為7.2m ×4.7m，W10 接收井平面尺寸[1]為 5.0m ×4.8m，W11 工作井平面尺寸[1]為 7.0m × 7.0m。W8、W10、W11 井體埋深分別為 7.81m、8.40m、8.28m。 逆作法井室結(jié)構(gòu)施工分三段，每段約 2m ～ 3m，見圖3。 承臺高為 2m，埋深1.4m，橋墩平均高度為13m； 樁長范圍為48.5m～56.5m。

施工過程模擬：初始地應力平衡→高架橋構(gòu)筑物激活→位移清零→加固區(qū)土體屬性改變→位移清零→工作井、接收井逆作法(沉井)開挖。

由于MJS 施工時，會根據(jù)土體實時反饋的情況進行參數(shù)調(diào)整，其對擾動土體情況較難模擬，故本文對MJS 施工過程變形情況不進行數(shù)值模擬，改變加固區(qū)土體屬性(將原土改變?yōu)镸JS 工法處理后的加固土)后進行位移清零。

逆作法開挖施工為：抑制每段井體位置土體——激活每段井體結(jié)構(gòu)——應力釋放。

沉井法開挖施工為：抑制每段井體位置土體——施加荷載(摩擦力)、激活每段井體結(jié)構(gòu)——應力釋放。

單元節(jié)點信息：為了更準確地模擬既有建(構(gòu))筑物的力學特性，對重點關(guān)注的樁基礎(chǔ)、頂管、承臺部分以及周圍土體網(wǎng)格進行了細化處理，而對遠離所關(guān)心的區(qū)域采用較大尺寸的網(wǎng)格，單元劃分采用自動混合六面體，最小單元尺寸0.3m，最大尺寸4m。

荷載及邊界條件：整個模型添加自重荷載，水平方向約束側(cè)向土體的X、Y向位移，豎直方向約束底部土體Z向位移，另外還需添加樁基繞Z軸方向的轉(zhuǎn)動約束。 模型中施加靜水壓力，不考慮流砂、涌水等情況。

3.2 模型計算結(jié)果

兩種井體施工方法(不包括止水帷幕、支護結(jié)構(gòu)以及頂管的施工)對地鐵橋墩的位移影響分別如下：

(1)沉井法施工對地鐵橋墩的影響如圖4 所示，橋墩最大沉降是2.8mm；

(2)逆作法施工對地鐵橋墩的影響如圖5 所示，橋墩最大沉降為1.46m。

圖4 沉井法施工引起高架橋橋墩沉降分布(單位：m)Fig.4 Settlement pattern of the viaduct piers caused by sinking instruction(unit：m)

圖5 逆作法施工完成后高架橋橋墩沉降分布(單位：m)Fig.5 Settlement pattern of the viaduct piers caused by top-down instruction(unit：m)

對比兩種井體施工方法的計算結(jié)果，沉井法施工引起地鐵橋墩的沉降大于逆作法施工引起地鐵橋墩的沉降。 引起此結(jié)果的主要因素如下：(1)沉井施工時由于止水帷幕距離井壁有一段距離，不僅造成沉井施工過程中支護結(jié)構(gòu)位移的增壓，與逆作法相比止水帷幕距離地鐵橋墩也更近。 (2)在沉井下沉過程中，井壁與土體之間產(chǎn)生的摩擦力易引起周邊土體變形，當然本工程采用 MJS加固周邊土體可大大削弱此影響，但仍較逆作法方案大。(3)在同樣的管道埋深條件下，沉井結(jié)構(gòu)的刃腳更深，擾動更大。 (4)施工過程的組織和控制也是不可忽視的因素。

結(jié)合上文模型計算分析結(jié)果，本工程采用對周邊變形控制效果更優(yōu)的逆作法方案。

4 實際監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測單位提供的本區(qū)段監(jiān)測數(shù)據(jù)，W8井周圍橋墩沉降最大的監(jiān)測點為C3，W10、W11井周圍橋墩沉降最大的監(jiān)測點為C2、C1，均為近頂管井的觀測點。 逆作法井體施工的累計沉降見表2，表中負值“ -”為沉降，正值“ +”為隆起。

表2 各監(jiān)測點變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.2 Settlement data statistics acorrding the relevant monitoring points

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，MJS 樁體施工引起的變形占頂管井施工引起的全部變形量比重相比井體施工較小，樁體引起的隆起或沉降變形絕對值也比地鐵控制標準小的多。 但MJS 樁體受施工過程各方面參數(shù)影響很大，建議施工時嚴格控制各項參數(shù)。

逆作法井體施工(不包括止水帷幕施工)引起的墩臺實際位移與有限元計算結(jié)果對比見表3。

表3 有限元計算與實際施工監(jiān)測結(jié)果對比Tab.3 Data of the finite element calculation and actual monitoring

根據(jù)本區(qū)段監(jiān)測數(shù)據(jù)，逆作法井體施工(不包括止水帷幕施工) 引起的橋墩最大沉降為2.00mm，大于有限元計算的結(jié)果。 主要原因分析如下：(1)有限元軟件無法真實地模擬圍巖的狀態(tài)、巖土非線性的特點以及地基的應力狀態(tài)等，且實際施工操作過程影響沉降的因素較多，所以實際監(jiān)測結(jié)果與有限元計算結(jié)果存在誤差；(2)因本次變形絕對值較小，現(xiàn)場觀測精度誤差也易影響最終結(jié)果。

5 結(jié)論

本地鐵沿線頂管工程，頂管井采用逆作法施工，止水帷幕采用MJS 樁，MJS 樁內(nèi)插入型鋼作為支護。 根據(jù)實施過程的監(jiān)測結(jié)果，對地鐵橋墩的最終影響變形量均滿足相關(guān)規(guī)范及地鐵部門要求。 結(jié)合本工程實踐，提出以下幾點總結(jié)，為相關(guān)設(shè)計及施工方案提供借鑒。

1.逆作法井在控制周邊變形方面相對沉井施工更有優(yōu)勢。

2.采用MJS 工法制作逆作井時，井體施工引起的地鐵橋墩位移占比較大。