地鐵盾構(gòu)隧道側(cè)穿高鐵橋群樁設(shè)置隔離樁影響分析

趙曉勇

(1. 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司, 710043 西安；2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室， 710043， 西安∥高級工程師)

1 工程概況

高鐵橋樁對沉降變形的要求非常高，地鐵盾構(gòu)施工會引起臨近土體的擾動，產(chǎn)生地層變形，在樁附近會引起樁側(cè)摩阻力的減小，甚至可能產(chǎn)生負(fù)摩阻力，進而引起橋樁沉降、水平變形增大，因此，臨近高鐵橋樁施工風(fēng)險非常高。目前,分析隧道施工對周邊環(huán)境影響采取的方法主要有數(shù)值模擬和理論分析法。由于實際工程的復(fù)雜性，理論分析時一般需進行理想簡化，計算跟實際工程差別較大。采用數(shù)值模擬方法可以依據(jù)實際工程建立模型，模擬實際開挖工況，研究臨近地鐵隧道的群樁沉降、水平變形等特征。

某地鐵區(qū)間沿青峰路走行，采用盾構(gòu)法施工，線間距14.6～15.0 m，覆土深約10 m。受車站站位影響，區(qū)間隧道出車站后約34 m處，區(qū)間右線側(cè)穿蘭新高鐵倉房溝中路特大橋39號墩，距離最近樁基凈距約5.1 m；區(qū)間左線側(cè)穿40號墩，距離最近樁基凈距約2.6 m。高鐵橋與區(qū)間盾構(gòu)隧道關(guān)系如圖1所示。

圖1 高鐵橋與地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道關(guān)系圖

2 模型和地層參數(shù)

2.1 模型建立

區(qū)間盾構(gòu)隧道外徑6.2 m，鋼筋混凝土管片厚度0.35 m，盾構(gòu)頂覆土約10 m。側(cè)穿高鐵橋39、40號橋墩的群樁樁基，每處橋墩設(shè)置11根樁基，4+3+4布置形式，樁徑1.2 m，承臺尺寸12.6 m×8.4 m×3.5 m，位于地面下1.5 m。承臺長邊與盾構(gòu)隧道軸線夾角約35°，其中，39號墩樁長39 m，40號墩樁長40 m，均為鉆孔灌注樁，樁基設(shè)計為摩擦端承樁。

在滿足計算要求的前提下，對模型進行適當(dāng)簡化。模型上側(cè)取至實際地表，下側(cè)取至樁基以下15 m，模型前后、左右兩側(cè)取至39、40號樁基兩側(cè)不小于10 m。最終模型尺寸為90 m×72 m×60 m，如圖2和圖3所示。

橋墩、承臺材料選擇線彈性模型，樁基采用樁梁單元，盾構(gòu)管片采用板單元。土層為彈塑性模型，摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則。前后、左右邊界視為鏈桿支座，下邊界條件視為鉸支座。

圖2 3D數(shù)值模型

圖3 隧道與樁基承臺空間關(guān)系

2.2 地層參數(shù)選取

土體采用彈塑性模型，強度準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。土層中部分夾層，計算時適當(dāng)進行簡化。根據(jù)詳細(xì)勘察報告，各土層參數(shù)如表1所示。

2.3 模型施加荷載

模型按土體自重施加重力荷載，以模擬隧道施工土體的初始應(yīng)力。39、40號橋墩及承臺均按照實際尺寸選取，考慮兩處橋墩上部結(jié)構(gòu)荷載，僅考慮其承受的豎向恒載標(biāo)準(zhǔn)值，橋墩頂施加荷載為：

P=19 853 kN/20.64 m2=962 kPa

3 計算分析

模擬實際盾構(gòu)隧道開挖施工情況，先施工區(qū)間左線隧道，后施工區(qū)間右線。計算結(jié)果表明，橋樁、承臺受隧道施工的影響，40號承臺的最大沉降變形超過4 mm，不能滿足運營期間高鐵橋的沉降變形要求?？紤]到本橋上部結(jié)構(gòu)距離地面較高，橋下具備施工樁基條件，因此考慮采取設(shè)置隔離樁控制變形的措施。在其他條件相同情況下，分別對設(shè)置隔離樁和不設(shè)置隔離樁措施進行計算，分析對橋墩和樁基的影響。

表1 土層計算參數(shù)表

隔離樁采用φ 600 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁，為考慮盡量減小隔離樁施工對既有高鐵橋樁的影響，鉆孔灌注樁距離盾構(gòu)隧道外側(cè)凈距為0.5 m，設(shè)置范圍為既有高鐵橋樁投影在隧道中線范圍內(nèi)兩側(cè)各1.5倍的盾構(gòu)直徑(39號墩距離個別樁基范圍較遠(yuǎn)時，取近側(cè)樁基)。隔離樁設(shè)置情況如圖4所示。

圖4 隔離樁設(shè)置圖

3.1 橋樁、承臺豎向沉降分析

設(shè)置隔離樁后，樁基、橋墩和承臺最終豎向沉降云圖如圖5所示。

為了研究施工過程對橋墩的影響，選取橋墩關(guān)鍵點位進行分析，關(guān)鍵點位選擇如圖6所示。

以下以距離隧道施工距離較近的40號橋墩為例，提取設(shè)置隔離樁前后的計算結(jié)果，分析盾構(gòu)施工期間其變形的影響，結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7可見，左、右線施工完成后，承臺范圍內(nèi)的位移為-4.30～+1.31 mm，墩頂中心位置最大變形為-1.64 mm。由于承臺和群樁基礎(chǔ)與隧道軸線存在夾角，盾構(gòu)施工過程中導(dǎo)致樁基和承臺產(chǎn)生不均勻沉降，墩頂最不利位置位移-2.4 mm。距離盾構(gòu)隧道近側(cè)的樁基和承臺位置變形大，遠(yuǎn)側(cè)變形小。由于承臺剛度比較大，在群樁效應(yīng)作用下，近隧道側(cè)樁基發(fā)生沉降，遠(yuǎn)離隧道側(cè)承臺則產(chǎn)生了一定的隆起變形。

圖5 設(shè)置隔離樁后豎向沉降云圖

圖6 關(guān)鍵點位圖

圖7 不設(shè)隔離樁時40號墩關(guān)鍵點豎向位移

由圖8可見，設(shè)置隔離樁后，承臺的沉降變形為-1.36～0.75 mm，墩頂中心位置最大沉降變形為-0.41 mm。樁基承臺沉降相比未設(shè)置隔離樁，變形減少了60%以上。設(shè)置隔離樁后，最終變形滿足控制要求，這也表明采取隔離樁措施對控制群樁基礎(chǔ)的變形效果非常明顯。

圖8 設(shè)置隔離樁后40號墩關(guān)鍵點豎向位移

3.2 橋樁水平變形分析

取橋樁垂直于盾構(gòu)隧道軸線方向的豎向位移，計算結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 群樁水平變形云圖

圖10 40號墩距離盾構(gòu)最近基樁的水平位移(A點)

由圖9可見，群樁中距離盾構(gòu)最近的基樁變形最大，距離越遠(yuǎn)的基樁變形越小，39號橋墩樁基(距離隧道6.2 m)比40號墩(距離隧道2.6 m)樁基，其水平變形普遍降低了32%以上，距離隧道直徑1.0D凈距時，盾構(gòu)隧道施工對群樁樁基的平均影響降低40%以上。因此，條件允許情況下，在方案設(shè)計時，應(yīng)盡可能增加盾構(gòu)隧道與群樁樁基的凈距。

由圖10可見，未設(shè)置隔離樁時，基樁最大水平位移5.23 mm。設(shè)置隔離樁后，基樁最大水平位移3.16 mm。合理采取隔離樁措施，對高鐵橋樁起到了顯著的保護作用，使樁基最大水平位移降低了40%以上。

群樁受承臺剛度及土體變形的影響，盾構(gòu)隧道施工過程中基樁變形最不利位置位于盾構(gòu)隧道中心部位附近，在盾構(gòu)隧道底部以上位置的基樁變形相對較大，以下影響普遍較小。因此，應(yīng)重點關(guān)注盾構(gòu)底部以上部位基樁變形。從兼顧經(jīng)濟性角度出發(fā)，采取土體改良加固措施時，應(yīng)重點針對盾構(gòu)底部以上部分土體。

4 隔離樁設(shè)置范圍合理性分析

為了研究隔離樁不同設(shè)置范圍、設(shè)置距離和樁長起到的保護效果，以優(yōu)化設(shè)計施工，達(dá)到安全、相對經(jīng)濟的效果，現(xiàn)對不同情況下設(shè)置隔離樁的效果進行分別研究。

4.1 隔離樁設(shè)置范圍不同的影響分析

將高鐵橋群樁基礎(chǔ)垂直于隧道軸線投影，上文已經(jīng)計算了投影范圍以外1.5D時對橋樁的影響，為了研究不同隔離樁設(shè)置范圍的效果，進行定量分析，將隔離樁設(shè)置范圍分別調(diào)整為1.0D、0.5D進行計算，取較為典型的B點沉降變形為研究對象，計算結(jié)果如圖11所示。

圖11 隔離樁不同設(shè)置范圍的影響分析

由圖11可見，設(shè)置隔離樁后，隧道施工對橋樁的影響大大降低了。設(shè)置隔離樁范圍越大，高鐵橋受到的影響越小。隔離樁設(shè)置范圍從0.5D增大到1.0D，高鐵橋樁沉降變形相比減少了約31%。但是，橋樁設(shè)置范圍繼續(xù)增加到1.5D后，對橋樁的影響與1.0D相比基本穩(wěn)定，變化不大。說明當(dāng)隔離樁范圍增加到1.0D以上時，對橋樁的保護作用變得有限。因此，從控制高鐵群樁的變形角度來說，設(shè)置范圍取1.0D～1.5D是比較合理的，可以有效發(fā)揮隔離樁的作用，超出此范圍，則隔離樁起到的保護作用就比較有限，經(jīng)濟性差。

4.2 隔離樁設(shè)置距離不同的影響分析

盾構(gòu)隧道距離39號橋墩群樁基礎(chǔ)5.1 m，保持其他條件不變，將隔離樁距離隧道的距離設(shè)置為1.5 m、2.5 m、3.5 m，分別計算其對橋樁的影響，提取典型位置承臺角部F點的沉降變形為研究對象，計算結(jié)果如圖12所示。

圖12 隔離樁不同設(shè)置距離的影響分析

由圖12可見:不設(shè)隔離樁時，區(qū)間隧道施工對承臺產(chǎn)生的最大位移為-1.58 mm;設(shè)置隔離樁后，產(chǎn)生的最大位移降低至-0.69 mm，減少了56%以上。隔離樁設(shè)置距離隧道越遠(yuǎn)，距離高鐵橋樁越近，隧道施工對高鐵橋樁產(chǎn)生的影響越大。所以，從設(shè)置隔離樁改善既有橋樁的變形考慮，在滿足施工需要時，隔離樁的設(shè)置應(yīng)盡量靠近施工隧道，這樣對既有高鐵橋基礎(chǔ)的影響就越小。

4.3 隔離樁設(shè)置深度不同對橋樁影響分析

為了確定合理的隔離樁深度，分別考慮將隔離樁深度由隧道底部以下1 m，調(diào)整為隧道底部以下3 m、5 m，以及樁底設(shè)在盾構(gòu)中心位置(隧道底部以上3.2 m)，分別進行計算，提取典型部位B點的沉降變形，計算結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同隔離樁長的計算結(jié)果

由圖13可見，隔離樁設(shè)置越長，關(guān)鍵點位B點的變形越小。當(dāng)隔離樁深度設(shè)置在隧道中心位置時，對高鐵橋樁的保護作用變得有限，說明此時隔離樁長度欠缺，未起到有效的保護作用。當(dāng)設(shè)置在隧道底部以下1 m時，B點最大沉降變形為-1.36 mm，與設(shè)置在隧道中心處相比，沉降變形減少了65%以上。當(dāng)設(shè)置在隧道底以下3 m時，變形趨勢進一步減小，B點最大沉降變形為-0.57 mm，與設(shè)置在隧道中心和底下1 m位置處相比，沉降變形分別減少59%和85%，隔離樁作用效果較為明顯。隔離樁繼續(xù)加長至底部以下5 m時，控制沉降變形減小作用非常有限。從減小對既有橋樁沉降變形效果看，隔離樁設(shè)置在隧道底以下1 m及以上可以起到較好的效果，同時，設(shè)置在隧道底部以下3 m以上時起到的效果變得有限，再繼續(xù)增加隔離樁長作用不大。因此，從工程效果和經(jīng)濟性綜合考慮，隔離樁的合理深度應(yīng)在施工盾構(gòu)隧道底部以下1～3 m，不應(yīng)設(shè)置在隧道底部以上，以免起不到預(yù)期效果；也不宜超出隧道底部以下3 m，以免造成浪費。

5 結(jié)語

本文結(jié)合工程實際，對地鐵盾構(gòu)隧道側(cè)穿高鐵橋群樁基礎(chǔ)的施工過程進行了影響分析，在不滿足變形要求時，通過采取隔離樁措施可降低對群樁的影響。對不同隔離樁參數(shù)設(shè)置進行了對比分析，得到如下結(jié)論：

1)當(dāng)承臺和群樁基礎(chǔ)與隧道軸線存在夾角時，樁基和承臺產(chǎn)生不均勻沉降，承臺剛度會影響群樁的變形。距離盾構(gòu)隧道近的基樁和承臺一般為沉降變形，遠(yuǎn)側(cè)由于群樁作用效應(yīng)和承臺剛度影響，可能會產(chǎn)生隆起變形，產(chǎn)生不均勻沉降。

2)盾構(gòu)隧道施工過程中導(dǎo)致基樁變形最不利位置位于盾構(gòu)隧道底部以上部位，而在以下部位基樁變形普遍較小。因此，施工中應(yīng)重點關(guān)注隧道底部以上部位基樁變形。

3)隔離樁最優(yōu)設(shè)置范圍為樁基垂直于隧道軸線投影范圍以外1.0D～1.5D(D為隧道直徑)，樁基距離隧道距離遠(yuǎn)時取小值，距離近時取大值。隔離樁設(shè)置范圍為1.0D時，可將隔離樁的作用充分發(fā)揮出來，又較為經(jīng)濟；增大至1.5D時，雖然也會進一步減小其影響，但起到的作用相對較小。

4)設(shè)置隔離樁距離隧道越近，距離高鐵橋樁越遠(yuǎn)，隧道施工對高鐵橋樁產(chǎn)生的影響越小。因此，在滿足施工需要時，隔離樁的設(shè)置應(yīng)盡量靠近施工隧道。

5)隔離樁設(shè)置深度宜取隧道底部以下1～3 m，效果最優(yōu)。隔離樁長度再增大，作用效果不明顯。隔離樁設(shè)置在隧道底以下1 m與設(shè)置在盾構(gòu)中心處相比，引起的橋墩承臺變形減少,效果明顯。