緊貼橋梁樁底某暗挖區(qū)間施工對(duì)橋樁的影響分析

畢景佩, 易領(lǐng)兵, 杜明芳, 劉勝歡, 李帥兵，朱亮亮

(1.鄭州地鐵集團(tuán)有限公司，鄭州 450000；2.中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100088；3.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，鄭州 450000; 4.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210000)

地鐵區(qū)間在城市建構(gòu)筑密集區(qū)域施工環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜,下穿橋梁、河流、鐵路、管線等，設(shè)計(jì)方案和施工方案也越來(lái)越多樣[1-2]。

祝勇[3]、沈建文等[4]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法研究了盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋樁對(duì)橋梁的影響。王凌等[5]采用數(shù)值模擬與理論計(jì)算的方法研究了盾構(gòu)隧道與橋樁的安全距離。張金偉[6]運(yùn)用數(shù)值計(jì)算、橋樁承載力分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等方法對(duì)暗挖區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。徐登票等[7]研究了盾構(gòu)施工對(duì)橋梁的影響。何茂周[8]、姚文花[9]、劉才平等[10]和李幸發(fā)[11]采用理論計(jì)算與工程類(lèi)比相結(jié)合方式對(duì)盾構(gòu)穿越橋樁進(jìn)行綜合處理進(jìn)行了研究。冠曉強(qiáng)等[12]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法研究了旋噴加固對(duì)盾構(gòu)穿越已建構(gòu)筑物的影響。楊勇等[13]、宋金涌[14]、馬忠政[15]、徐前衛(wèi)等[16]和朱統(tǒng)步[17]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)盾構(gòu)區(qū)間穿越托換樁基的影響進(jìn)行了研究。

前人對(duì)地鐵區(qū)間下穿、側(cè)穿施工情況開(kāi)展了大量研究，但是盾構(gòu)區(qū)間具有與橋樁距離僅為0.333 m、砂卵石地層、存在地下水的特點(diǎn)，而關(guān)于緊貼樁底盾構(gòu)施工案例研究較少。

考慮以上情況，以下穿小月河橋的新機(jī)場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間隧道工程為背景，研究盾構(gòu)區(qū)間下穿小月河橋施工過(guò)程中橋面、蓋梁及橋樁位移變化規(guī)律特征；揭示盾構(gòu)區(qū)間下穿小月河橋施工過(guò)程中橋樁差異沉降；分析盾尾徑向注漿加固對(duì)下穿橋樁的影響。

1 工程概況

北京地鐵27號(hào)線(昌平線南延)學(xué)院橋站～西土城站區(qū)間設(shè)計(jì)起點(diǎn)、終點(diǎn)里程分別為K41+185.000、K42+494.932，區(qū)間全長(zhǎng)約1 309.932 m，為盾構(gòu)法+礦山法區(qū)間。拱頂覆土18.1～27.9 m，底板埋深24.9～33.9 m。區(qū)間線路平面最小曲線半徑R=1 000 m，線間距為9～17 m。線縱向?yàn)閱蚊嫦缕略O(shè)計(jì)，坡度為6.2‰，兩端車(chē)站附近坡度為0.2‰。

圖2 小月河橋與盾構(gòu)隧道剖面位置關(guān)系圖

小月河橋梁長(zhǎng)度25 m，全寬26 m，上部結(jié)構(gòu)由14片中主梁和2片邊主梁組成的單孔預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋，下部結(jié)構(gòu)采用排柱式輕型橋臺(tái)，墩柱D=1.0 m,長(zhǎng)度 2 m，下接D=1.2 m 鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng) 23 m。

區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)位于橋梁樁基礎(chǔ)正下方，區(qū)間北側(cè)橋樁與樁基礎(chǔ)的最小垂直凈距0.333 m，區(qū)間南側(cè)與樁基礎(chǔ)最小垂直凈距0.027 m。

場(chǎng)地地下水位埋深29.4 m，盾構(gòu)區(qū)間主體結(jié)構(gòu)底板埋深32.57 m，盾構(gòu)區(qū)間主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入地下水。

小月河橋與盾構(gòu)區(qū)間的平剖面位置關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 小月河橋與盾構(gòu)隧道平面位置關(guān)系圖

2 數(shù)值計(jì)算分析

針對(duì)北京地鐵27號(hào)線(昌平線南延)學(xué)院橋站—西土城站區(qū)間下穿小月河橋施工，根據(jù)設(shè)計(jì)及地質(zhì)資料，采用Midas/GTS軟件建模分析。在考慮到本工程盾構(gòu)施工步序較多且在節(jié)約篇幅的基礎(chǔ)上選取盾構(gòu)施工步序中有代表性的8個(gè)工況。

(1)初始地應(yīng)力分析。

(2)橋梁施工完成后的地應(yīng)力分析。

(3)右線隧道接近北側(cè)橋樁加固區(qū)。

(4)右線隧道穿過(guò)北側(cè)橋樁并接近南側(cè)橋樁加固區(qū)。

(5)右線隧道離開(kāi)南側(cè)橋樁加固區(qū)。

(6)左線隧道接近北側(cè)橋樁加固區(qū)。

(7)左線隧道穿過(guò)北側(cè)橋樁并接近南側(cè)橋樁加固區(qū)。

(8)左線線隧離開(kāi)南側(cè)橋樁加固區(qū)。

(9)雙線隧道開(kāi)挖完成。

土體、橋樁及盾構(gòu)材料參數(shù)如表1所示，模型如圖3所示。

表1 材料參數(shù)

圖3 三維整體模型圖

參閱既有資料并結(jié)合業(yè)主提供的 10 號(hào)線穿越小月河引起的橋梁基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)，通過(guò)建模計(jì)算，分析得出 27 號(hào)線穿越小月河橋應(yīng)滿足的橋梁控制技術(shù)指標(biāo)：簡(jiǎn)支T梁縱橋向相鄰軸差異沉降控制值為8 mm；同一邊蓋梁相鄰樁基礎(chǔ)位置差異沉降控制值2 mm；橋梁?jiǎn)螠y(cè)點(diǎn)最大沉降控制值15 mm邊蓋梁新增傾斜不大于1/1 500。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 土層位移分析

土層位移計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4可知，右線貫通時(shí)，地層最大豎向沉降約為13.411 mm，發(fā)生位置位于盾構(gòu)隧道正上方；最大豎向隆起約為7.575 mm，發(fā)生位置位于盾構(gòu)隧道底部。由圖5可知，雙線貫通時(shí)，地層最大豎向沉降約為13.606 mm，發(fā)生位置位于右線盾構(gòu)隧道正上方；最大豎向隆起約為7.325 mm，發(fā)生位置位于盾構(gòu)隧道底部。

圖4 右線貫通后土層豎向位移云圖

圖5 雙線隧道開(kāi)挖完成后土層豎向位移云圖

最大沉降位置和最大隆起位置基本穩(wěn)定在右線盾構(gòu)隧道的正上方和底部，且雙線貫通較右線單線貫通數(shù)據(jù)大，分析原因可能是隨著左線盾構(gòu)隧道的二次擾動(dòng)引起右線隧道正上方沉降增大，底部隆起增大。

3.2 小月河橋橋面變形分析

為節(jié)約篇幅，僅列出階段3～階段8工況位移圖，小月河橋橋面的位移如圖6所示。

地鐵區(qū)間隧道施工過(guò)程中，小月河橋橋面的沉降逐漸增加，右線靠近時(shí)，橋面的沉降為0.864 mm，右線通過(guò)時(shí)，橋面的最大沉降達(dá)到2.751 mm，右線貫通后，橋面的最大沉降達(dá)到2.991 mm。繼續(xù)施工左線隧道，在左線盾構(gòu)靠近小月河橋時(shí)，橋面的沉降為43.336 mm，在左線隧道通過(guò)小月河橋北側(cè)橋樁時(shí)，橋面的最大沉降達(dá)到4.455 mm，雙線隧道貫通后，橋面的最大沉降達(dá)到4.728 mm。左線盾構(gòu)通過(guò)后橋面沉降較右線通過(guò)后增大1.737 mm，左線盾構(gòu)隧道的施工引起橋面沉降增大比例為58.07%。

3.3 小月河橋蓋梁沉降分析

因篇幅有限，僅列出階段3～階段8工況位移圖，小月河橋蓋梁的位移如圖7所示。

地鐵區(qū)間隧道施工過(guò)程中，小月河橋蓋梁的沉降逐漸增加，在右線盾構(gòu)靠近小月河橋時(shí)，蓋梁的沉降為0.855 mm，右線通過(guò)時(shí)，蓋梁的最大沉降達(dá)到2.804 mm，右線隧道貫通后，蓋梁的最大沉降值達(dá)到了3.000 mm。繼續(xù)施工左線隧道，在左線盾構(gòu)靠近小月河橋時(shí)，蓋梁的沉降為3.324 mm，在左線隧道通過(guò)小月河橋北側(cè)橋樁時(shí)，橋墩的最大沉降達(dá)到4.410 mm，雙線隧道貫通后，蓋梁的最大沉降達(dá)到4.688 mm。

3.4 小月河橋橋樁沉降分析

為節(jié)約篇幅，僅列出階段3～階段8工況位移圖，小月河橋橋樁的豎向位移如圖8所示。

地鐵區(qū)間隧道施工過(guò)程中，小月河橋橋樁的沉降逐漸增加，在右線盾構(gòu)靠近小月河橋時(shí)，橋樁的沉降為1.904 mm，在右線隧道通過(guò)小月河橋北側(cè)橋樁時(shí)，橋樁的最大沉降達(dá)到6.724 mm，右線隧道貫通后，橋樁的最大沉降達(dá)到了6.836 mm。繼續(xù)施工左線隧道，左線靠近時(shí)，橋樁的沉降為6.980 mm，左線通過(guò)時(shí)，橋樁的最大沉降達(dá)到7.301 mm。雙線隧道貫通后，橋樁的最大沉降達(dá)到7.330 mm。

3.5 小月河橋橋樁水平位移分析

為節(jié)約篇幅，僅列出階段3～階段8工況位移圖，小月河橋橋樁的水平位移如圖9所示。

圖6 橋面豎向位移

圖7 橋墩豎向位移

圖8 橋樁豎向位移

地鐵區(qū)間隧道施工過(guò)程中，小月河橋橋樁的水平位移逐漸增加，在右線盾構(gòu)靠近小月河橋時(shí)，橋樁的水平位移為0.203 mm，在右線隧道通過(guò)小月河橋北側(cè)橋樁時(shí)，橋樁的水平位移達(dá)到0.939 mm，右線隧道貫通后，橋樁水平位移達(dá)到了0.954 mm。繼續(xù)施工左線隧道，在左線盾構(gòu)靠近小月河橋時(shí)，橋樁的水平位移為0.970 mm，在左線隧道通過(guò)小月河橋北側(cè)橋樁時(shí)，橋樁的水平位移達(dá)到1.656 mm，雙線隧道貫通后，橋樁的水平位移達(dá)到1.650 mm。

圖9 橋樁水平位移

圖10 橋樁附加彎矩

3.6 小月河橋橋樁應(yīng)力分析

階段3～階段8工況位移圖，小月河橋橋樁的附加彎矩如圖10所示。由圖10可知，地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過(guò)程中，小月河橋橋樁的附加彎矩逐漸增加，在右線盾構(gòu)靠近小月河橋時(shí)，橋樁的彎矩為26.935 kN·m，右線通過(guò)時(shí)，橋樁的最大彎矩達(dá)到40.046 kN·m，右線隧道貫通后，橋樁的最大彎矩達(dá)到了39.432 kN·m。繼續(xù)施工左線隧道，左線靠近時(shí)，橋樁的彎矩為42.320 kN·m，左線通過(guò)時(shí)，橋樁的最大彎矩達(dá)到42.718 kN·m。雙線隧道貫通后，橋樁的最大彎矩達(dá)到42.733 kN·m。

橋樁附加彎矩最大值42.733 kN·m，經(jīng)計(jì)算可知附加彎矩計(jì)算配筋面積298.76 mm2遠(yuǎn)小于按最小配筋率計(jì)算配筋面積3 654.91 mm2，即橋樁附加彎矩對(duì)樁身影響不大，不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生破壞影響。

3.7 小月河橋樁差異沉降分析

3.7.1 橋樁差異沉降分析

提取上述數(shù)值模擬階段8承橋樁豎向位移數(shù)據(jù)，對(duì)橋樁橫向差異沉降進(jìn)行分析，為便于表達(dá)，對(duì)沉降位置進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)方式如圖11所示。例如：1表示小月河橋第1個(gè)橋樁位置1；1-2表示第1和第2個(gè)橋樁樁頂位置的差異沉降位。

圖11 橋樁位置編號(hào)

橫橋向橋樁差異沉降如表2所示，小月河橋在盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過(guò)程中的橫向差異沉降最大值為1.752 9 mm，發(fā)生在第1和第2個(gè)橋樁之間的差異沉降。

表2 橋樁差異沉降

小月河橋在盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過(guò)程中的縱向差異沉降最大值為0.954 9 mm，是第6個(gè)和第7個(gè)橋樁之間的差異沉降。

3.7.2 蓋梁橫橋向差異沉降分析

小月河橋在盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過(guò)程中的橫向差異沉降最大值為1.247 5 mm，經(jīng)計(jì)算蓋梁新增傾斜不大于 1/1 500。

4 徑向加固措施分析

4.1 橫橋向橋樁

小月河橋樁和2號(hào)橋樁樁頂及樁底沉降如圖12 所示。橋樁沉降最大值發(fā)生在右線隧道上方的4號(hào)和10號(hào)橋樁。全線貫通后，右線隧道上方的橋樁沉降有所增加，但左線隧道上方的1號(hào)和7號(hào)橋樁沉降較大。

圖12 1號(hào)和2號(hào)橋樁樁頂、樁底沉降

未加固情況下，橋樁樁頂最大沉降為-8.159 2 mm，加固后樁頂沉降最大為-6.416 7 mm，減小了21.35%；未加固情況下橋樁樁底最大沉降值為-9.991 4 mm，加固后樁底沉降最大值為-7.328 7 mm，減小了26.64%。

未加固情況下，相鄰橋樁樁頂沉降差異最大值為發(fā)生在11號(hào)和12號(hào)橋樁之間，其值為2.589 5 mm，超過(guò)了橋樁樁頂沉降控制值；加固后相鄰橋樁樁頂沉降差異最大值為發(fā)生在5號(hào)和6號(hào)橋樁之間，其值為1.756 5 mm,滿足控制要求。

4.2 典型點(diǎn)橋樁全過(guò)程分析

施工階段8-17和38-47為右隧道0#橋樁加固區(qū)，由圖13中橋樁的沉降曲線可以看出，隧道下穿加固區(qū)域期間時(shí)，未加固情況下，橋樁4樁底沉降為6.737 6 mm，橋樁1樁底沉降為2.611 5 mm；加固情況下，橋樁4樁底沉降為4.505 1 mm，橋樁1樁底沉降為1.846 2 mm。加固后橋樁4樁底沉降降低了33.13%，橋樁1樁底沉降降低了29.30%。

圖13 樁1及樁4樁底沉降全過(guò)程分析

5 結(jié)論

對(duì)盾構(gòu)區(qū)間下穿小月河橋進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究了盾構(gòu)隧道施工后小月河橋橋面、蓋梁及橋樁的位移和橋樁受力情況，得出如下結(jié)論。

(1)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中小月河橋橋面、蓋梁及橋樁最大沉降值滿足控制標(biāo)準(zhǔn)；橋樁水平位移滿足控制標(biāo)準(zhǔn)；橋樁附加彎矩較小，不會(huì)對(duì)橋樁造成破壞。

(2)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中小月河橋蓋梁及橋樁橫橋向及縱橋向差異沉降滿足控制標(biāo)準(zhǔn)；最大相鄰差異沉降1.752 9 mm，不會(huì)對(duì)大橋產(chǎn)生破壞影響。

(3)盾構(gòu)隧道施工引起地層應(yīng)力的重分布，當(dāng)雙線盾構(gòu)隧道施工完成后一段時(shí)間內(nèi)，周?chē)貙討?yīng)力再次處于平衡狀態(tài)。

(4)盾尾徑向后注漿加固下，橋樁樁頂沉降差異滿足控制要求，橋樁樁底豎向位移從6.737 6 mm減少到4.505 1 mm，降低33.13%。