砂卵石地層盾構(gòu)側(cè)穿高架橋樁基的施工控制技術(shù)*

王建偉

(1.中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司, 250013, 濟(jì)南； 2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司， 250014, 濟(jì)南 ∥正高級(jí)工程師)

地鐵建設(shè)不可避免地近接或穿越既有的樁基、管線和隧道[1-3]，盾構(gòu)下穿高架橋時(shí)會(huì)引發(fā)土體松動(dòng)，導(dǎo)致土體初始平衡應(yīng)力重新分布，因此難免會(huì)對(duì)橋梁樁基產(chǎn)生影響，而最主要的影響體現(xiàn)在承載力層面上。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為盾構(gòu)下穿施工對(duì)樁基承載力的影響主要是由于水平位移及豎向位移增大等問(wèn)題導(dǎo)致的。文獻(xiàn)[5]提出了一種樁基承載能力損失的計(jì)算方法，分析了樁基承載力損失的影響因素，主要包括土層力學(xué)性質(zhì)、盾構(gòu)施工控制水平、樁基初始荷載水平、樁底與盾構(gòu)隧道頂部距離等。

本文以成都地鐵5號(hào)線科園站—高升橋站區(qū)間盾構(gòu)側(cè)穿二環(huán)路高架橋?yàn)楣こ瘫尘?，提出與該工程相適應(yīng)的4種加固保護(hù)技術(shù)。通過(guò)數(shù)值模擬探討了不同保護(hù)措施對(duì)變形的控制效果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況驗(yàn)證了加固保護(hù)技術(shù)在雙洞近距離側(cè)穿樁基工程中的適應(yīng)性。

1 工程概況

該工程的盾構(gòu)隧道在Y(Z)DK26+700.000～750.000處側(cè)穿二環(huán)高架橋328#樁基及兩側(cè)副橋樁基。高架橋主橋樁基的直徑為1.5 m，樁長(zhǎng)25 m；副橋樁基的直徑為1.2 m，樁長(zhǎng)18.5 m。隧道外輪廓與樁基間的最小凈距約為1.139 m。區(qū)間隧道與建筑物的相對(duì)關(guān)系如圖1所示。

a) 隧道與主橋的樁基關(guān)系

b) 隧道與副橋的樁基關(guān)系

該場(chǎng)地在施工前為市政道路，交通繁忙。地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層和第四系全新統(tǒng)沖洪積層的粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、細(xì)砂及卵石層。盾構(gòu)施工參數(shù)和土層物理力學(xué)參數(shù)分別如表1～2所示。

表1 盾構(gòu)施工參數(shù)

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 盾構(gòu)側(cè)穿高架樁基加固模擬分析

2.1 建立計(jì)算模型

為了保證既有構(gòu)筑物的安全及區(qū)間隧道的順利施工，擬采取以下保護(hù)措施：對(duì)距離隧道水平間距3 m以內(nèi)的樁基進(jìn)行鋼管隔離樁施工；對(duì)施工影響范圍內(nèi)樁基進(jìn)行袖閥管預(yù)注漿加固?；谑ゾS南原理，充分考慮邊界效應(yīng)的影響，采用計(jì)算軟件建立的三維模型如圖2所示。模型主體包括既有二環(huán)高架橋面、橋墩、承臺(tái)和樁基礎(chǔ)，以及科園站—高升橋站盾構(gòu)區(qū)間。具體的計(jì)算范圍在x方向?yàn)?44.2 m，在y方向?yàn)?0.0 m，在z方向?yàn)?0.0 m。

圖2 數(shù)值模擬模型

模型計(jì)算中，地面建筑物及盾構(gòu)襯砌采用線彈性模型，地層土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。根據(jù)科園站—高升橋站區(qū)間在詳細(xì)勘察階段的巖土工程勘察設(shè)計(jì)參數(shù)建議值，模型除了采用表2的參數(shù)外，還選取了結(jié)構(gòu)體系物理力學(xué)參數(shù),如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)體系物理力學(xué)參數(shù)

2.2 盾構(gòu)側(cè)穿高架橋樁基的模擬結(jié)果分析

為控制既有橋梁樁基的安全性，該工程采用了鋼管隔離樁、袖閥管注漿加固和洞內(nèi)注漿加固等施工技術(shù)。本文選取無(wú)任何加固措施、洞內(nèi)注漿加固、鋼管隔離樁加固、袖閥管注漿加固、綜合加固(同時(shí)采用上述3種施工技術(shù))這5種情況的實(shí)施效果進(jìn)行對(duì)比。

2.2.1 地表沉降對(duì)比分析

依據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，本文選取3條地表測(cè)線進(jìn)行觀測(cè)。如圖3所示，選取第1條測(cè)線(CX2)的觀測(cè)起點(diǎn)為M、終點(diǎn)為N，MN間長(zhǎng)度為145 m，并選取CX2兩側(cè)各20 m的平行線CX1、CX3作為第2、3條測(cè)線。圖4為5種施工工藝下的各測(cè)線對(duì)應(yīng)的地表沉降情況。從圖4可以看出，鋼管隔離樁加固、袖閥管注漿加固以及綜合加固3種技術(shù)引起的地表沉降出現(xiàn)兩處駝峰。CX1左側(cè)樁基存在地層加固，減緩了地表變形，使得盾構(gòu)隧道左線駝峰大于右線；類似地，CX2的盾構(gòu)隧道左右線均有地層加固，沉降峰值相差小；CX3出現(xiàn)右線駝峰大于左線駝峰的現(xiàn)象。

圖3 地表沉降的3條測(cè)線

a) CX1

b) CX2

c) CX3

由圖4可以看出，4種加固方案均有效改善了所加固區(qū)域附近地表的沉降變形。其改善效果呈現(xiàn)一定規(guī)律：洞內(nèi)注漿加固<鋼管隔離樁加固<袖閥管注漿加固<綜合加固。在3條測(cè)線的對(duì)比分析中發(fā)現(xiàn)，與袖閥管注漿加固相比，綜合加固引起的地表沉降更為明顯，這說(shuō)明過(guò)多的加固措施將引起圍巖土體擾動(dòng)，使其失去良好的整體性。

2.2.2 承臺(tái)變形對(duì)比分析

選取3個(gè)承臺(tái)的各個(gè)角點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖5)，分析綜合加固方案的沉降規(guī)律。盾構(gòu)近距離側(cè)穿二環(huán)路高架橋，承臺(tái)的沉降差異明顯，如表4所示。在無(wú)加固措施時(shí)，相對(duì)于2#承臺(tái)和3#承臺(tái)，1#承臺(tái)的沉降差異最為顯著，沉降差值最大達(dá)到5.553 mm，超出了一級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)的控制范圍(5 mm)；此外，針對(duì)承臺(tái)沉降差值的改善效果而言，洞內(nèi)注漿加固措施最為顯著，其次為綜合加固技術(shù)。

圖5 承臺(tái)測(cè)點(diǎn)選取

表4 5種施工方式的承臺(tái)沉降差對(duì)比

綜合加固方案的沉降規(guī)律如圖6所示。由圖6可知,1#承臺(tái)靠近盾構(gòu)隧道的測(cè)點(diǎn)所產(chǎn)生的沉降明顯大于其他測(cè)點(diǎn)，沉降的差異將引起橋面傾斜，嚴(yán)重影響高架橋運(yùn)行安全；2#承臺(tái)亦是當(dāng)隧道掘近時(shí)出現(xiàn)了沉降值陡增,由于該承臺(tái)兩側(cè)均有保護(hù)措施，產(chǎn)生沉降的差異較?。?#承臺(tái)由于受到擾動(dòng)小，沉降差異亦小。

a) 1#承臺(tái)

b) 2#承臺(tái)

c) 3#承臺(tái)

為對(duì)比分析各個(gè)工況保護(hù)效果，本文引入承臺(tái)傾斜度這一參數(shù)?；诔两涤^測(cè)結(jié)果作適當(dāng)計(jì)算即可獲取承臺(tái)傾斜度。如圖7所示，已知結(jié)構(gòu)上相鄰的兩點(diǎn)A、B(點(diǎn)間距b可量測(cè))，θ為承臺(tái)產(chǎn)生的傾斜角，通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量得到A、B的沉降值ΔSA、ΔSB，則承臺(tái)傾斜度的計(jì)算公式為：

tanθ=ΔS/b=|ΔSA-ΔSB|/b

(1)

圖7 承臺(tái)局部?jī)A斜計(jì)算示意圖

如表5所示，與無(wú)加固措施相比，4種加固措施對(duì)承臺(tái)傾斜度的改善效果排序?yàn)椋盒溟y管注漿加固<鋼管隔離樁加固<綜合加固<洞內(nèi)注漿加固。

表5 5種施工方式的承臺(tái)傾斜度對(duì)比

2.2.3 樁基變形對(duì)比分析

圖8為選取的樁基觀測(cè)點(diǎn)，用以進(jìn)一步研究不同施工工況下各樁基的變形規(guī)律。以1#承臺(tái)樁的側(cè)向變形為例，如圖9所示，無(wú)加固措施下各樁基的水平側(cè)向位移達(dá)到了預(yù)警值(12 mm)，實(shí)施加固技術(shù)后各樁基的側(cè)向位移得以顯著降低。其中，綜合加固技術(shù)在控制樁基的側(cè)向位移幅度上具有良好效果。改善效果呈現(xiàn)一定規(guī)律：鋼管隔離樁加固<洞內(nèi)注漿加固<袖閥管注漿加固<綜合加固。另外，由于本工程先實(shí)施右線隧道施工，后實(shí)施左線隧道施工，所以雖然在左線施工時(shí)變形出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，但各樁基的累計(jì)側(cè)向位移均偏向右線隧道。這說(shuō)明樁基受到先行開(kāi)挖盾構(gòu)隧道的影響更為明顯。

圖8 樁基觀測(cè)點(diǎn)

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

3.1 地表沉降實(shí)測(cè)分析

該工程盾構(gòu)側(cè)穿二環(huán)路高架橋施工時(shí)采用了綜合加固技術(shù)。如圖10所示，監(jiān)測(cè)得到的地表沉降變形存在雙駝峰現(xiàn)象，其實(shí)際沉降值均小于一級(jí)指標(biāo)(5～10 mm)，滿足安全要求。

3.2 承臺(tái)沉降變形實(shí)測(cè)分析

在盾構(gòu)的掘進(jìn)過(guò)程中，對(duì)承臺(tái)沉降變形采用全站儀監(jiān)測(cè)拱頂沉降。選取3個(gè)橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)位(見(jiàn)圖5中CT1-3、CT2-3、CT3-3)分別代表副橋1#承臺(tái)、主橋2#承臺(tái)和副橋3#承臺(tái)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果隨時(shí)間變化曲線如圖11所示。依據(jù)承臺(tái)沉降位移控制值，均滿足要求(見(jiàn)表6)。從圖11和表6可以看出，實(shí)測(cè)與模擬一致，驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖9 5種施工方式下1#承臺(tái)樁的水平位移對(duì)比

圖10 地表豎向沉降實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

圖11 實(shí)測(cè)承臺(tái)沉降位移曲線

表6 承臺(tái)沉降分析 單位：mm

4 結(jié)論

1) 盾構(gòu)側(cè)穿高架橋樁基時(shí)，地表沉降槽位于樁基承臺(tái)處，最危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)殡p洞之間的樁基礎(chǔ)位置。局部施工保護(hù)技術(shù)均能有效阻隔隧道-圍巖-樁基-地表的變形傳遞;局部的加固技術(shù)將引起地表相應(yīng)區(qū)域沉降差異，即出現(xiàn)左右線高低雙駝峰現(xiàn)象，有效提高了施工安全。

2) 本文所述的4種加固技術(shù)均能有效改善所加固區(qū)域附近的地表沉降變形，其改善效果呈現(xiàn)一定規(guī)律：洞內(nèi)注漿加固<鋼管隔離樁加固<袖閥管注漿加固<綜合加固。另外，過(guò)多的加固措施將引起圍巖土體擾動(dòng)，導(dǎo)致土體失去良好的整體性，進(jìn)而降低樁基的承載力。

3) 當(dāng)隧道掘近至樁基礎(chǔ)時(shí)，相應(yīng)橋墩出現(xiàn)沉降值陡增的情況，同時(shí)沉降傾斜度達(dá)到峰值，此時(shí)的施工風(fēng)險(xiǎn)最大。針對(duì)承臺(tái)沉降差值，洞內(nèi)注漿加固的改善效果最為顯著，其次為綜合加固技術(shù)。4種加固技術(shù)對(duì)于承臺(tái)傾斜度的改善效果為：袖閥管注漿加固<鋼管隔離樁加固<綜合加固<洞內(nèi)注漿加固。