洞樁法對(duì)既有橋樁影響分析及施工技術(shù)研究

盧彬彬，李現(xiàn)朋

（1、中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津 300308；2、中鐵隧道股份有限公司 鄭州 450000）

0 引言

隨著城市的迅速發(fā)展，地鐵成為城市建設(shè)中不可缺少的部分［1］。在城市中修建地鐵將不可避免地下穿或側(cè)穿橋梁等建筑，因此在地鐵建設(shè)及運(yùn)營(yíng)階段需對(duì)橋梁等建筑采取有效的施工及保護(hù)措施，避免建筑發(fā)生沉降、傾斜甚至開裂，造成重大損失［2］。洞樁法結(jié)合蓋挖法及暗挖法的特點(diǎn)，可以有效控制地表沉降、并由于施工效率高、結(jié)構(gòu)形式靈活、空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)，在城市地鐵中得到廣泛的應(yīng)用［3］。由于洞樁法施工力系轉(zhuǎn)換頻繁，因此洞樁法施工對(duì)臨近橋梁的影響研究極為重要。

針對(duì)地鐵車站洞樁法施工對(duì)臨近橋梁的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了多方面的研究。李藝博［4］通過理論分析鄭州市洞樁法隧道側(cè)穿高架橋的變形規(guī)律，對(duì)洞樁法施工方案進(jìn)行優(yōu)化。林森等人［5］通過洞樁法施工過程對(duì)挖掘空間及橋梁基礎(chǔ)之間土體注漿加固，并用有限元模型模擬注漿前后橋梁內(nèi)力變化情況。張志勇［6］通過數(shù)值模擬分析北京地鐵16 號(hào)線紅蓮南里站施工對(duì)南馬連道蓮花河跨河橋的影響，并制定合理的施工工序。岳健等人［7］通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究洞樁法隧道開挖過程對(duì)地下街群樁的影響。趙亮等人［8-10］也進(jìn)行了類似的研究。

洞樁法的施工過程主要包括4 個(gè)階段：導(dǎo)洞施工階段、樁柱施工階段、扣拱施工階段、主體施工階段［11］，不同的施工階段對(duì)橋樁產(chǎn)生不同的力學(xué)作用。結(jié)合廣州地鐵13 號(hào)線某地鐵站站下穿既有人行天橋工程，研究洞樁法施工過程人行天橋沉降變形規(guī)律，并提出相關(guān)保護(hù)措施，為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 總體工程概況

廣州地鐵13號(hào)線某地鐵站位于東風(fēng)路下方，倉(cāng)邊路東側(cè)。車站為地下兩層島式車站，采用洞樁法施工。車站上方設(shè)置3 條小導(dǎo)洞，小導(dǎo)洞凈寬5.4 m，洞內(nèi)凈高度4.8 m，拱頂覆土約12.7 m，位于強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，局部拱頂分部有較厚的中粗砂層。小導(dǎo)洞拱頂采用小導(dǎo)管或大管棚超前支護(hù)。

車站北側(cè)有一處跨東風(fēng)路人行天橋，天橋長(zhǎng)約40 m，主橋?yàn)楹附愉撓淞洪T型鋼架，樁基采用φ1 200 mm鉆孔樁，長(zhǎng)12 m。人行天橋南側(cè)樁基與車站小導(dǎo)洞沖突2 m，且位于車站扣拱拱頂正上方，后期施工風(fēng)險(xiǎn)極大。洞樁法施工工序如圖1所示。

圖1 施工工序Fig.1 Construction Process

1.2 施工現(xiàn)狀

廣州地鐵13 號(hào)線某地鐵站設(shè)置3 個(gè)豎井及橫通道，其中1#豎井和橫通道緊鄰人行天橋，1#豎井采用倒掛井壁法施工，橫通道采用暗挖法施工，上2層下3層分部開挖。1#豎井和橫通道施工過程中對(duì)人行天橋已造成22 mm 沉降，東風(fēng)路作為廣州市快速主干路，此處人行天橋作為倉(cāng)邊路東側(cè)唯一行人通道，影響意義極大。根據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)《城市橋梁隧道結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范：DBJ∕T 15-213—2021》［12］確定車站暗挖開挖作業(yè)對(duì)外部橋梁結(jié)構(gòu)的影響等級(jí)為特級(jí)。在施工車站主體小導(dǎo)洞時(shí)，對(duì)橋樁進(jìn)行截樁，并支頂處理，存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。車站總平面如圖2所示。

圖2 車站總平面Fig.2 Station Master Plan

2 設(shè)計(jì)措施

小導(dǎo)洞作為洞樁法邊樁的施工空間，在洞樁法施工過程中必須達(dá)到小導(dǎo)洞洞通的節(jié)點(diǎn)任務(wù)。所以在小導(dǎo)洞施工時(shí)需截?cái)嗯c人行天橋橋樁沖突的部分，截?cái)? m 長(zhǎng)橋樁后會(huì)降低樁基承載力，不可避免地造成橋樁的沉降。

人行天橋現(xiàn)狀橋樁南北側(cè)各2 根直徑1.2 m 的鉆孔樁，樁長(zhǎng)12 m，進(jìn)入中風(fēng)化巖1 m，橋樁單樁承載力為100 t，即1000 kN。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范：JGJ 94—2008》［13］式⑴計(jì)算可得，人行天橋截樁后樁基承載力為823 kN，不滿足當(dāng)初設(shè)計(jì)的1 000 kN承載力的要求。

式中：R為樁基承載力（kN）；qp為樁基極限端阻力（kPa）；Ap為樁端面積（m2）；up為樁身周長(zhǎng)（m）；qsi為樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力（kPa）；lni為樁周第i層土厚度（m）。

因此，設(shè)計(jì)考慮在南側(cè)應(yīng)急車道位置增加2 m×5 m承臺(tái)并進(jìn)行鋼管柱托換，承臺(tái)下設(shè)32 根間距0.5 m×0.5 m、長(zhǎng)度約8～10 m 的鋼花管樁加固處理。共設(shè)計(jì)32根鋼花管，總的補(bǔ)強(qiáng)承載力特征值為648 kN。經(jīng)托換加固后補(bǔ)充的與原有樁剩余的承載力合計(jì)為：2×823+648=2 294 kN，合計(jì)大于原設(shè)計(jì)承載力（2 根樁）2 000 kN，為此驗(yàn)算整體工況滿足承載力要求。車站與橋樁剖面位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 車站與人行天橋剖面關(guān)系Fig.3 Sectional Relationship between Station and Pedestrian Bridge

巖土工程的三大問題為：強(qiáng)度問題、變形問題和穩(wěn)定性問題。以上驗(yàn)算僅考慮了強(qiáng)度問題，基于工程的復(fù)雜性，對(duì)于變形問題和穩(wěn)定性問題難以進(jìn)行公式量化的計(jì)算，因此在設(shè)計(jì)之后需要進(jìn)行定性的手段進(jìn)行分析工程施工過程中的沉降和穩(wěn)定性問題。

3 施工技術(shù)

人行天橋保護(hù)采用微型鋼管樁+地層注漿加固+承臺(tái)支頂?shù)男问剑唧w施工流程如下：微型鋼管樁施工?地層注漿加固?混凝土承臺(tái)施工?型鋼及鋼管柱安裝。

3.1 微型鋼管樁施工

⑴鋼管制作焊接：鋼管采用φ42 mm 的無縫鋼管，按照設(shè)計(jì)要求確定單節(jié)下料長(zhǎng)度為2 m，滿足橋下限高的作業(yè)條件；鋼管料提前在施工場(chǎng)地完成加工，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，管節(jié)之間采用套管連接牢固。

⑵測(cè)量放線：根據(jù)設(shè)計(jì)要求的間距、排距及設(shè)計(jì)提供的標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量放線。確定鋼管樁施工區(qū)域，鋼管樁300 mm×500 mm矩形布置，進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化地層不小于1 m。

⑶人工探孔：使用小型挖機(jī)對(duì)地面硬化層破除，再由人工采用洛陽鏟進(jìn)行人工探測(cè)地下管線情況，取土探孔深度均大于3 m，避免了鉆孔作業(yè)對(duì)周邊管線的影響。

⑷鉆孔作業(yè)：首先鉆孔機(jī)安放在指定位置，防止傾斜；鉆桿抬至鉆機(jī)旁，按照測(cè)量放線鉆桿垂直定位，水管與鉆桿接在一起，啟動(dòng)鉆機(jī)與水管，慢慢鉆進(jìn)；每鉆進(jìn)深2 m連接1次鉆桿，直至得到設(shè)計(jì)有效深度。

⑸鋼管安裝：首先清理樁孔內(nèi)的虛渣，并將孔內(nèi)泥漿全部排出，孔底沉渣厚度不得大于50 mm。待孔清洗后在孔內(nèi)安裝預(yù)先制作好的鋼管，管節(jié)之間采用套管連接牢固，鋼管露出地面200 mm，便于后續(xù)接入注漿管。

3.2 地層注漿加固

微型鋼管樁施工完成后，進(jìn)行地層注漿加固，按照要求現(xiàn)場(chǎng)選用水泥漿作為加固漿液，水泥漿采用專用機(jī)械進(jìn)行拌制，水灰比控制在0.6～1.0 之間；注漿管由注漿機(jī)支節(jié)接入鋼管頭的注漿球閥，接口采用絲口連接，注漿管采用橡膠管輸送。

由于1 次注漿難以得到?jīng)_盈系數(shù)要求，現(xiàn)場(chǎng)采用多次間隔注漿3～5 次，注漿壓力為0.3～0.5 MPa，以確保地層加固效果。

在注漿過程中，安排專人進(jìn)行洞內(nèi)及地表管線變形監(jiān)測(cè)，未發(fā)現(xiàn)異常。

3.3 混凝土承臺(tái)施工

承臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)置于原路面以上，首先在地面放出承臺(tái)底標(biāo)高，按此澆注混凝土墊層，制安承臺(tái)基礎(chǔ)鋼筋，承臺(tái)鋼筋安裝采用定位架控制鋼筋的保護(hù)層和鋼筋間距。定位架采用3 cm×3 cm 方形鋼管制作，通過在定位架上按照設(shè)計(jì)間距焊接定位卡來控制鋼筋的保護(hù)層。然后安裝模板，模板采用15 mm 竹膠板+10 cm×10 cm 方木組成，模板固定采用φ42 鋼管作為豎向肋管及斜撐鋼管，每組2根，間距500 mm一組，地面錨固φ32 鋼筋提供后綴反力。最后安裝預(yù)埋鋼板，灌注混凝土，完成承臺(tái)施工。

3.4 型鋼及鋼管柱安裝

⑴型鋼構(gòu)件制安：南側(cè)橋梁底部支頂位置為斜面，為保證支頂鋼管支頂體系順利傳力，在梁底設(shè)置楔型型鋼，地面應(yīng)平整，實(shí)測(cè)梁底相關(guān)尺寸，計(jì)算得知梁底坡度為33%，型鋼采用I300 工字鋼，按該坡度需下料890 mm 工字鋼4 根，將工字鋼按對(duì)角氣割成兩半，便可滿足坡度要求，隨后將割除的工字鋼兩兩進(jìn)行雙拼焊接成1 組，共設(shè)置4 組?，F(xiàn)場(chǎng)通過臨時(shí)腳手架，利用叉車將型鋼升至梁底，按提前測(cè)量放線定位部位與橋梁底部進(jìn)行滿焊。型鋼構(gòu)建制安如圖4所示。

圖4 型鋼構(gòu)件制安Fig.4 Steel Structure Installation

⑵鋼管柱安裝：鋼管在現(xiàn)場(chǎng)按尺寸下料好后，兩端焊接2 cm 鋼板，鋼管直徑為630 mm，壁厚16 mm，焊接鋼板直徑為650 mm，加工完成后采用隨車吊運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，平放在地面，在頂部端頭鋼板上開孔，采用鎖扣及鋼絲繩作為吊裝繩具，依靠5 t叉車調(diào)離地面至豎直向下狀態(tài)，人工輔助放入承臺(tái)上，頂部進(jìn)入型鋼底部，與型鋼緊貼后，進(jìn)行焊接成整體。承臺(tái)上采用16 mm膨脹螺栓進(jìn)行錨固固定鋼管。天橋支頂保護(hù)效果如圖5所示。

圖5 天橋支頂保護(hù)Fig.5 Overpass Roof Protection

4 洞樁法施工對(duì)橋樁的影響分析

本節(jié)通過三維有限元計(jì)算方法，進(jìn)行分析洞樁法在不同施工階段對(duì)人行天橋造成的影響，得出定性判斷的數(shù)據(jù)來證明設(shè)計(jì)措施的合理性。

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

采用地層-結(jié)構(gòu)模型模擬實(shí)際工況，豎井和橫通道開挖完畢后將位移清零，截?cái)嗳诵刑鞓驑驑逗筮M(jìn)行導(dǎo)洞開挖，導(dǎo)洞貫通后施工邊樁，最后進(jìn)行開挖主體頂部并進(jìn)行扣拱。

模型中場(chǎng)地地層根據(jù)勘察鉆孔資料進(jìn)行適當(dāng)歸并而得，且偏向不利的地層組合狀況。地層自上而下依次為：素填土、淤泥質(zhì)土、中粗砂、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖等。模型的大?。ㄩL(zhǎng)×寬×高）為120 m×100 m×40 m?？紤]巖土體為半無限體，模型以外不再考慮變形，即設(shè)定為固定邊界。因此對(duì)模型底部約束Z方向位移，模型前后面約束Y方向位移，左右面約束X方向位移。模型頂面考慮地面活動(dòng)荷載和其他相應(yīng)荷載，如圖6所示。

圖6 三維模型Fig.6 Three-dimensional Model

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)模型及邊界條件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。圖7為車站開挖完畢后對(duì)橋樁的位移影響云圖。

圖7 橋樁沉降Fig.7 Bridge Pile Settlement

根據(jù)計(jì)算分析，車站在扣拱開挖過程中對(duì)人行天橋的影響最大，引起的南側(cè)橋梁樁基最大沉降為-26.040 mm，由于橋梁周邊承臺(tái)樁基礎(chǔ)也發(fā)生沉降，北側(cè)墩臺(tái)與南側(cè)墩沉降差為23.840 mm。橋樁沉降計(jì)算結(jié)果小于沉降設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)30 mm 的限值，橋樁北側(cè)距離車站拱部邊線還有7 m 的水平距離，車站開挖對(duì)北側(cè)橋樁影響較小，所以會(huì)造成南北側(cè)橋樁差異沉降遠(yuǎn)大于3 mm的標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果。

4.3 地下水位變化影響分析

車站1#豎井及橫通道施工過程中造成了地下水位的下降，地下水位下降使得土體有效應(yīng)力增大，土體產(chǎn)生壓縮變形，造成地表及橋樁發(fā)生一定量的附加沉降。采用三維模型模擬降水2 m時(shí)對(duì)橋樁造成的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 降水對(duì)橋樁沉降影響云圖Fig.8 Cloud Map of the Influence of Precipitation on Bridge Pile Settlement

地下水位下降2 m 時(shí)，人行天橋橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最大水平位移量為+7.790 mm，最大豎直沉降位移量為-27.407 mm?？梢?，地下水位下降會(huì)對(duì)人行天橋樁基礎(chǔ)產(chǎn)生一定程度的影響。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

施工期在地面布置了2 處橋樁監(jiān)測(cè)點(diǎn)和3 處支頂應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.9 Layout of Monitoring Points

施工期間連續(xù)對(duì)橋梁進(jìn)行了1.5 個(gè)月的監(jiān)測(cè)，直到車站導(dǎo)洞施工完畢，橋梁沉降區(qū)域穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖10 所示。

圖10 橋樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.10 Statistical Chart of Bridge Pile Monitoring Data

人行天橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)沉降最大的是JC002測(cè)點(diǎn)為-7.88 mm，JC001、JC002差異沉降值為-0.01%，支頂應(yīng)力最大值為42.75 kPa。橋樁沉降數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于三維建模計(jì)算的26.04 mm，分析原因?yàn)楸敬维F(xiàn)場(chǎng)工況為導(dǎo)洞開挖，最不利位置為扣拱工況，該工況尚未發(fā)生，從應(yīng)力計(jì)數(shù)值分析可知，橋樁在主動(dòng)沉降過程中，支頂起到了主動(dòng)頂升的作用，減緩了橋樁沉降的速率。

6 結(jié)論

本文針對(duì)廣州地鐵13 號(hào)線某車站站洞樁法施工對(duì)人行天橋的影響進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

⑴車站采用洞樁法施工，最不利工況為扣拱開挖時(shí)期，經(jīng)三維計(jì)算天橋橋樁最大水平位移為+6.722 mm，最大沉降為-26.040 mm。整體沉降小于控制值30 mm，車站施工過程中不會(huì)對(duì)天橋造成較大影響。

⑵在車站豎井和橫通道施工期間造成了地下水位的下降，不可避免地增加了天橋沉降的速率。鑒于地下水位下降對(duì)人行天橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的影響，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制靠近人行天橋結(jié)構(gòu)的地下水位的變化，從數(shù)值分析結(jié)果推斷，地下水位下降幅度控制值為不大于2.0 m。同時(shí)在靠近人行天橋附近預(yù)設(shè)一定數(shù)量的回灌井。

⑶人行天橋南端的樁基礎(chǔ)共設(shè)置2根樁，因?qū)Ф撮_挖進(jìn)行了截樁處理，但因在南端的應(yīng)急車道上設(shè)置了托換的微型樁、承臺(tái)和鋼管柱，經(jīng)復(fù)核計(jì)算經(jīng)托換處理后的橋樁承載力滿足要求，從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看出，在橋樁沉降的過程中鋼管柱起到了主動(dòng)的頂升作用。

⑷水對(duì)洞樁法施工的影響至關(guān)重要，施工過程中應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視地下水水量和水質(zhì)，重視地層中殘留水及滲漏水的處理，必要時(shí)對(duì)水的成分進(jìn)行鑒定，判定水的來源和地層損失情況，發(fā)現(xiàn)流砂等不良現(xiàn)象應(yīng)立即采取有效補(bǔ)救措施。

⑸洞樁法施工工序繁雜，每個(gè)施工工序都會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生一定影響，本文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅反應(yīng)了導(dǎo)洞施工對(duì)環(huán)境的影響，而扣拱開挖現(xiàn)場(chǎng)并沒有進(jìn)行，因此缺少相應(yīng)數(shù)據(jù)支撐。