地鐵施工對(duì)鄰近橋梁樁基影響研究

宗振宇

（天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，天津 300380）

隨著我國(guó)城市規(guī)模擴(kuò)大，為改善交通狀況，以地鐵為代表的軌道交通得到了空前發(fā)展。在城市中修建地鐵，會(huì)不可避免地鄰近或穿越既有橋梁，地下施工造成開(kāi)挖面土方臨空卸載，周邊地層原有應(yīng)力狀態(tài)失去平衡，橋梁基礎(chǔ)周邊約束地層產(chǎn)生變形，對(duì)橋梁基礎(chǔ)承載造成不利影響[1～10]。本文分析地鐵鄰近施工對(duì)橋梁基礎(chǔ)影響范圍，明確橋梁允許變形控制指標(biāo)，指導(dǎo)施工。

1 工程概況

北京地鐵27號(hào)線二期工程學(xué)院橋站—西土城站區(qū)間以學(xué)院橋站大里程端為起點(diǎn)，沿學(xué)院路向南敷設(shè)，在西土城站與地鐵10號(hào)線換乘。西土城站為島式站臺(tái)，總長(zhǎng)212.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬25 m、高22.25 m，覆土厚度11.86~12.56 m，底板最大埋深34.81 m，三層三跨直墻拱形結(jié)構(gòu)，車(chē)站基坑采用暗挖PBA工法（4導(dǎo)洞）施工，兩側(cè)區(qū)間均采用盾構(gòu)法施工，隧道拱頂覆土21.0~27.9 m，底板埋深27.0~33.9 m。車(chē)站地下一層側(cè)墻及中板施工完成后盾構(gòu)先行過(guò)站。

西土城車(chē)站主體側(cè)穿的學(xué)知橋TZ0~TZ1軸為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁。TZ0樁徑1 m、長(zhǎng)24 m，樁底標(biāo)高22.8 m；TZ1樁徑1.5 m、長(zhǎng)25 m，樁底標(biāo)高18.3 m；車(chē)站結(jié)構(gòu)外墻與TZ0、TZ1水平距離分別為3.93、8.25 m，車(chē)站結(jié)構(gòu)底板與樁底豎向距離分別為8.67、3.9 m（橋樁底在上）。西側(cè)換乘通道自TZ0~TZ1軸下方正交穿越，結(jié)構(gòu)外墻與TZ0、TZ1水平距離分別為4.22、7.92 m，結(jié)構(gòu)底板與樁底豎向距離分別為5.22、9.72 m（橋樁底在下），1#橫通道近鄰學(xué)知橋，通道初支外側(cè)距橋樁1.24 m，5#豎井側(cè)穿TZ5軸，與TZ5水平距離4.14 m，結(jié)構(gòu)底板與樁底豎向距離13.64 m（橋樁底在下）。學(xué)知橋TZ2~TZ5為預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁，TZ5樁徑1.5 m、長(zhǎng)29 m，樁底標(biāo)高16.9 m。

區(qū)間地質(zhì)狀況依次為人工填土，第四紀(jì)沖洪積層（粉質(zhì)黏土③層、粉土③1層、粉細(xì)砂③2、層粉質(zhì)黏土④層、卵石⑤層、細(xì)中砂⑤1層、卵石⑦層）。

區(qū)間主要賦存有上層滯水（一）：含水層巖性主要為雜填土①層、粉土填土①1層、粉土③1層，穩(wěn)定水位為41.58 m，埋深為7.80 m；潛水（二）：含水層巖性主要為粉細(xì)砂③2層、粉土③1層、粉土④1層，穩(wěn)定水位為35.24～35.61 m，埋深為13.80～14.20 m；層間潛水（三）：含水層巖性主要為卵石⑤層、卵石⑦層、細(xì)中砂⑦1層、細(xì)中砂⑧2層、卵石⑨層，穩(wěn)定水位為20.08～20.51 m，埋深為28.90～29.40 m。

2 地鐵對(duì)橋梁的影響分析

2.1 影響范圍

根據(jù)受擾動(dòng)后土體內(nèi)摩擦角滑裂面內(nèi)的破壞棱體，按設(shè)計(jì)要求在正常施工狀態(tài)下，區(qū)間隧道盾構(gòu)施工對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響范圍為學(xué)知橋東橋全橋結(jié)構(gòu)；車(chē)站主體結(jié)構(gòu)、1#橫通道及西側(cè)換乘通道施工對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響范圍為T(mén)Z0、TZ1軸下部結(jié)構(gòu)及TZ0~TZ2軸上部結(jié)構(gòu)，5#豎井施工對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響范圍為T(mén)Z5軸下部結(jié)構(gòu)及TZ2~TZ5、TZ5~TZ8軸上部結(jié)構(gòu)。見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 車(chē)站主體與TZ0軸樁基礎(chǔ)相對(duì)位置關(guān)系

圖2 1#橫通道施工對(duì)TZ0軸基礎(chǔ)影響范圍

2.2 橋梁基礎(chǔ)容許變形

采用Midas Civil有限元軟件，應(yīng)用空間桿系單元，將學(xué)知橋東橋鋼-混組合梁、雙柱預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁劃分為若干個(gè)節(jié)點(diǎn)、單元，計(jì)算各種不均勻沉降工況時(shí)的內(nèi)力，進(jìn)行承載能力極限狀及正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算。見(jiàn)圖3和表1。

圖3 計(jì)算模型

表1 主要計(jì)算工況

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，地鐵鄰近施工橋梁應(yīng)滿足的控制技術(shù)指標(biāo)：

1）TZ0~TZ2軸及TZ5~TZ8軸簡(jiǎn)支T梁縱橋向相鄰軸差異沉降控制值為10 mm；TZ2~TZ5軸鋼-混組合梁縱橋向相鄰軸差異沉降控制值為5 mm；

2）TZ2、TZ5軸蓋梁橫橋向兩墩柱差異沉降控制值2 mm；

3）TZ0軸橋臺(tái)橫橋向兩端不均勻沉降控制值為6 mm；TZ8軸橋臺(tái)橫橋向東端與相鄰西橋結(jié)構(gòu)縫處差異沉降控制值6 mm；

4）橋梁?jiǎn)螠y(cè)點(diǎn)最大沉降控制值15 mm；

5）橋臺(tái)及墩柱新增傾斜≯1/1 500。

2.3 地鐵引起的橋梁樁基沉降

2.3.1 鄰近橋梁地鐵施工措施

1#暗挖橫通道在拱頂初支外2.0 m、初支內(nèi)0.5 m，加固鄰近建筑物側(cè)土體，橫通道與樁基之間、樁底2 m，樁基前后5 m范圍內(nèi)土體進(jìn)行深孔注漿加固，橫通道采用臺(tái)階法施工，在上臺(tái)階核心土范圍外的掌子面設(shè)置止?jié){墻，厚300 mm，采用C25噴射混凝土，設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)，根據(jù)地層條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定注漿壓力，保證深孔注漿效果。

西側(cè)換乘通道CRD法施工，采用深孔注漿超前加固結(jié)構(gòu)周邊2 m范圍土體，縱向加固范圍為換乘通道全長(zhǎng)。開(kāi)挖過(guò)程中掌子面遇到砂層及時(shí)進(jìn)行注漿加固，及時(shí)進(jìn)行初支背后注漿，嚴(yán)格控制注漿壓力，必要時(shí)進(jìn)行多次注漿，施工過(guò)程中加強(qiáng)管線及橋樁監(jiān)測(cè)和巡視，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整施工參數(shù)。

區(qū)間盾構(gòu)隧道，從洞內(nèi)徑向注漿加固隧道鄰近橋樁一側(cè)土體，同時(shí)對(duì)鄰近橋樁一側(cè)采用?150 mm內(nèi)外雙排復(fù)合錨桿樁進(jìn)行注漿加固。

2.3.2 地鐵鄰近橋梁樁基施工數(shù)值分析

在實(shí)際工程應(yīng)用中，很多情況下地下工程無(wú)法進(jìn)行原位試驗(yàn)，數(shù)值模擬方法能近似得到一些工程變化規(guī)律。采用有限元軟件Midas GTS NX按實(shí)際施工工序模擬。僅對(duì)TZ0~TZ3軸進(jìn)行代表性分析，橋面相對(duì)地層剛度較大，為提高計(jì)算速度和計(jì)算精度，將橋面重力換算到相應(yīng)橋墩頂面，梁?jiǎn)卧M橋梁樁基，不考慮地下水影響及施工和運(yùn)營(yíng)荷載，僅考慮材料自重。見(jiàn)圖4。

圖4 區(qū)間隧道、車(chē)站主體及西側(cè)換乘通道施工對(duì)TZ0~TZ3軸橋梁樁基影響模型

TZ0軸群樁樁長(zhǎng)24 m，1#、2#、3#樁基距離地鐵施工逐漸變遠(yuǎn)。見(jiàn)圖5。

圖5 TZ0軸橋樁分布

樁身沉降樁頂最大，沿樁身到樁底逐漸減小，樁頂與樁底豎向位移相差不大。樁深10 m以上樁身豎向位移基本上均勻分布，10 m以下樁身沉降差減小明顯。1#樁附近地表沉降-23.78 mm，樁身沉降-14.61 mm，2#樁附近地表沉降-21.38 mm，樁身沉降-13.13 mm，3#樁附近地表沉降-19.12 mm，樁身沉降-17.15 mm，考慮地層沉降和樁身沉降本身存在一定連續(xù)性，樁基與周?chē)貙又g產(chǎn)生差異沉降，會(huì)造成樁側(cè)摩阻力損失甚至出現(xiàn)負(fù)摩阻，樁基沉降，承載力降低。見(jiàn)圖6。

圖6 TZ0軸樁體沉降

樁身應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，施工前，每根樁的樁身應(yīng)力基本上沿樁身均勻分布，群樁之間應(yīng)力分布相差不大，符合施工前群樁承載均衡狀態(tài)。隨著鄰近地鐵車(chē)站施工，引發(fā)地層豎直和水平位移，隧道水平軸上方豎直位移方向向下，受開(kāi)挖卸載影響，水平軸下方土體豎直位移方向向上，致使樁基有隆起趨勢(shì)。受擾動(dòng)后土體內(nèi)摩擦角滑裂面位置逐漸向樁底變化，樁基周邊地層發(fā)生沉降變形，不考慮地下水向施工區(qū)域滲流的影響，隨著與地下施工距離增大，地層沉降變形減小，鄰近樁基礎(chǔ)與周邊地層之間產(chǎn)生負(fù)摩擦力或者地層松弛喪失摩阻力。1#、2#、3#樁身應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，由頂部向樁底變大發(fā)展，在樁深20 m（樁長(zhǎng)24 m）范圍達(dá)到最大，其中1#樁增大了663.27 kPa，2#樁增大了462.4 kPa，3#樁增大了516.47 kPa，而后靠近隧道底部地層范圍樁基應(yīng)力相比20 m處增大趨勢(shì)減小，距離地鐵施工越近，樁身應(yīng)力變化幅度越大，群樁承載狀態(tài)產(chǎn)生差異變化，應(yīng)在此變化范圍加強(qiáng)深孔注漿控制。見(jiàn)圖7。

圖7 TZ0軸樁基施工前后樁身正應(yīng)力變化

樁頂受承臺(tái)約束影響，產(chǎn)生相同水平位移。樁身水平位移在樁頂最大，由于群樁上部受承臺(tái)共同約束作用，沿著樁身向樁底逐漸減小，在樁身-20 m以下趨于穩(wěn)定。樁身-20 m處水平位移：1#樁0.99 mm、2#樁0.60 mm、3#樁0.08 mm，距離隧道越近，受影響越大。見(jiàn)圖8。

圖8 TZ0軸樁體水平位移

地層水平變形傳遞到鄰近樁基，樁基與地層開(kāi)始相互作用直至到達(dá)新的力學(xué)平衡狀態(tài)，表現(xiàn)為樁基彎曲、傾斜，樁體彎矩變化。樁深20 m附近，1#樁施工前彎矩為1.24 kN·m，施工后為73.56 kN·m；樁深15 m附近，3#樁施工前彎矩為9.25 kN·m，施工后為63.12 kN·m，表現(xiàn)為承臺(tái)下方樁體產(chǎn)生較大彎矩內(nèi)力，群樁因地層位移、樁體與地層相互作用，樁體產(chǎn)生水平變形、豎直變形，承載狀態(tài)形成差異化，承載能力下降。見(jiàn)圖9。

圖9 TZ0軸樁體彎矩

1#施工豎井及橫通道、車(chē)站主體、盾構(gòu)區(qū)間隧道、西側(cè)換乘通道施工階段橋墩頂點(diǎn)豎向沉降見(jiàn)圖10。

圖10 TZ0~TZ3軸橋樁施工前后橋墩頂點(diǎn)沉降

結(jié)合橋梁樁基可容許變形能力對(duì)比分析可知：

1）隨著區(qū)間隧道、車(chē)站主體和西側(cè)換乘通道的依次施工，TZ0~TZ3軸的豎向沉降值逐漸增大，TZ0軸達(dá)到14.42 mm；TZ3軸達(dá)到7.60 mm；

2）TZ0與TZ1軸之間的最大差異沉降達(dá)到4.24 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)值10 mm；TZ0軸橫向橋臺(tái)的最大差異沉降為2.26 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)值6 mm；

3）施工過(guò)程中橋墩的最大水平位移為3.19 mm，墩柱的傾斜度為0.64，小于控制標(biāo)準(zhǔn)值1/1 500。

車(chē)站橫通道及導(dǎo)洞完成，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)TZ0沉降2.15 mm，TZ1沉降2.08 mm；車(chē)站第一層施工，TZ0累計(jì)沉降8.42 mm，TZ1累計(jì)沉降6.76 mm；完成鄰近橋樁樁底注漿加固，車(chē)站與鄰近橋樁之間土體已注漿加固完成，相比數(shù)值計(jì)算結(jié)果偏小，證實(shí)了深孔注漿等措施的可行性。

3 結(jié)論

1）考慮現(xiàn)實(shí)中橋墩、橋臺(tái)可能已存在沉降，重點(diǎn)對(duì)全橋墩柱及橋臺(tái)沉降及相關(guān)差異沉降、全橋墩柱及橋臺(tái)新增傾斜、主體結(jié)構(gòu)及附屬構(gòu)造（支座、錨栓、限位設(shè)施、伸縮縫裝置）的外觀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與橋梁基礎(chǔ)變位控制指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

2）地下工程施工，考慮地層沉降和樁身沉降本身存在連續(xù)性，樁基與周?chē)貙又g產(chǎn)生差異沉降，會(huì)造成樁側(cè)摩阻力損失甚至出現(xiàn)負(fù)摩阻，樁基沉降樁頂最大，沿樁身到樁底逐漸減小，接近地下施工范圍樁基本身產(chǎn)生較大差異沉降，樁身正應(yīng)力也在此范圍增幅較大。

3）樁頂受承臺(tái)約束影響，產(chǎn)生相同水平位移。樁基水平位移在樁頂最大，沿著樁基向樁底逐漸減小，受周邊地層水平位移影響，承臺(tái)下方接近地下施工范圍樁基之間產(chǎn)生較大彎矩內(nèi)力，樁基之間產(chǎn)生較大差異彎矩，不利樁體偏心承載狀態(tài)。

4）對(duì)樁基受施工擾動(dòng)范圍地層采取加固、隔離措施，確保措施效果，可減小樁基與地層間差異變形。改良底層達(dá)到強(qiáng)度后開(kāi)挖，注漿效果取決于漿體質(zhì)量、注漿壓力以及巖土體的裂隙發(fā)育程度。施工條件的各異性以及巖土體內(nèi)部裂隙發(fā)育的未知性，導(dǎo)致加固效果的不確定性，因此注漿體參數(shù)是橋梁變形重要影響因素，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)注漿范圍及注漿順序進(jìn)行注漿施工，出現(xiàn)局部位移過(guò)大，立即調(diào)整注漿，以使地表沉降控制在規(guī)定范圍之內(nèi)。□■