隔離樁墻和盾構(gòu)施工對(duì)高鐵橋墩影響分析

伍偉林，鄒 育

（1佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司 廣東 佛山 528000；2、中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610031）

0 引言

中國(guó)已運(yùn)營(yíng)的高鐵里程位列世界第一，鐵路橋梁作為高鐵線(xiàn)路的重要部分，其對(duì)變形非常敏感。近些年隨著我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展，地鐵下穿高鐵橋梁的工程也逐漸增加［1-2］。為了減少盾構(gòu)隧道施工過(guò)程對(duì)高鐵橋梁的影響，目前采用的措施較多［3-4］，最常用的方法為隔離保護(hù)法?；糗妿洠?］采用Plaxis 有限元軟件分析了板+樁組合結(jié)構(gòu)加固的地基在盾構(gòu)隧道下穿過(guò)程中的安全性；王國(guó)富［6］研究分別采用框架結(jié)構(gòu)、三軸攪拌樁結(jié)構(gòu)及隔離墻結(jié)構(gòu)主動(dòng)預(yù)支護(hù)技術(shù)情況下，盾構(gòu)下穿高架橋過(guò)程中地表沉降、橋樁變形以及管片應(yīng)力；趙曉勇［7］研究了隔離樁措施可降低施工對(duì)群樁的影響，并得到了隔離樁的最優(yōu)設(shè)置范圍。但這些研究較少涉及隔離樁施工過(guò)程對(duì)現(xiàn)有橋樁變形的影響，同時(shí)在實(shí)際工程中受到施工凈空的限制，剛性隔離樁的鋼筋籠需要分節(jié)下料，增大了塌孔的風(fēng)險(xiǎn)。

隨著涉鐵項(xiàng)目越來(lái)越多，權(quán)屬單位對(duì)涉鐵項(xiàng)目的管控越來(lái)越嚴(yán)，方案審批中更側(cè)重于盾構(gòu)施工過(guò)程對(duì)鐵路的影響，而忽略了保護(hù)措施本身施工的影響。本文依托地鐵盾構(gòu)隧道側(cè)穿高鐵橋梁樁基礎(chǔ)工程實(shí)例，結(jié)合三維有限元模擬結(jié)果，分析柔性隔離墻在盾構(gòu)施工過(guò)程和旋噴樁加固過(guò)程對(duì)高鐵橋梁變形的影響。

1 工程概況

某地鐵區(qū)間隧道采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，隧道管片外徑為6.2 m，其左右線(xiàn)和出入場(chǎng)線(xiàn)共4條盾構(gòu)隧道斜下穿城際鐵路高架橋。隧道與城際鐵路夾角為59°～64°，與鐵路橋樁平面最小凈距為6.23 m，下穿鐵路段盾構(gòu)隧道主要位于黏性土和強(qiáng)中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖中，隧道埋深15.0～18.6 m，相互關(guān)系如圖1 所示。高鐵橋梁為簡(jiǎn)支橋、跨度32.6 m，橋梁凈高約5.6 m，19#、20#、21#、22#、23#橋墩墩長(zhǎng)7.5 m，承載為6 樁群樁基礎(chǔ)，樁徑1.25 m，樁長(zhǎng)32～36 m，樁底進(jìn)入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖大于15 m。整個(gè)施工過(guò)程，鐵路橋墩水平位移、豎向沉降的變形控制值為2 mm。

圖1 地鐵隧道與鐵路平面和剖面關(guān)系Fig.1 Plane and Sectional Relationship between Subway Tunnel and Railway

本工程中，地鐵四線(xiàn)盾構(gòu)側(cè)穿城際鐵路高架橋，隧道與橋樁平面最小凈距約1倍洞徑。鑒于橋下凈空僅5.6 m，常規(guī)的剛性隔離樁難以實(shí)施，以下針對(duì)旋噴樁柔性隔離墻進(jìn)行分析。

2 模型和地層參數(shù)

2.1 模型建立

有限元模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=100 m×60 m×50 m，模型邊界距離橋梁墩身樁基距離均超過(guò)20 m，模型底部距離樁基底部最小距離14 m。除橋梁樁基采用一維樁單元+界面單元、樁端單元外，其他結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元。

旋噴樁柔性隔離墻按沿隧道線(xiàn)路方向超出橋梁承臺(tái)兩端各9.3 m（1.5 倍洞徑）設(shè)計(jì)，與隧道凈距為1.0 m，進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥巖中不小于1.0 m。根據(jù)旋噴樁施工后隔離效果，將旋噴樁等效為1 條0.6 m×30 m 長(zhǎng)條形隔離墻。

2.2 地層參數(shù)

土體采用彈塑性模型，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用Mohr-Cou?lomb 準(zhǔn)則，計(jì)算時(shí)對(duì)較薄的夾層土進(jìn)行簡(jiǎn)化，各土層參數(shù)如表1所示。

表1 土層計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation Parameters of Soil Layer

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 未設(shè)置旋噴樁隔離墻時(shí)隧道施工對(duì)鐵路橋墩的影響分析

3.1.1 橋墩變形云圖

在4 條隧道先后開(kāi)挖過(guò)程中，鐵路橋墩受影響最大的為入場(chǎng)線(xiàn)左側(cè)的22#橋墩樁基，最大變形Y向（順橋向）0.839 mm，最大豎向位移0.837 mm，均小于2 mm，滿(mǎn)足鐵路橋墩變形控制要求，如圖2所示。

圖2 22#橋墩位移云圖（未設(shè)置旋噴樁隔離墻時(shí)）Fig.2 22# Nephogram of Displacement of Pier（When the Separation Wall of Rotary Jet Piles is not Set）

3.1.2 橋墩變形趨勢(shì)

當(dāng)隧道距離橋墩較遠(yuǎn)時(shí)，盾構(gòu)施工對(duì)鐵路橋墩的影響較小，可以忽略盾構(gòu)施工對(duì)橋梁變形的影響；當(dāng)盾構(gòu)刀盤(pán)掘進(jìn)到鐵路橋墩范圍時(shí)，橋墩變形迅速增大，此時(shí)盾構(gòu)施工對(duì)鐵路橋墩變形影響最大；當(dāng)隧道盾尾遠(yuǎn)離橋墩時(shí)，盾構(gòu)施工對(duì)橋墩的影響逐漸變?nèi)?，橋墩變形趨于穩(wěn)定，如圖3所示。

圖3 22#橋墩頂部中點(diǎn)位移隨隧道開(kāi)挖的變形曲線(xiàn)（未設(shè)置旋噴樁隔離墻時(shí)）Fig.3 Deformation Curve of 22# Pier Top Midpoint Displacement with Tunnel Excavation（When the Separation Wall of Rotary Jet Piles is not Set）

3.2 設(shè)置旋噴樁隔離墻時(shí)隧道施工對(duì)鐵路橋墩的影響分析

3.2.1 橋墩變形云圖

如圖4 所示，設(shè)置旋噴樁隔離樁后，4 條隧道先后開(kāi)挖過(guò)程中變形最大的仍為入場(chǎng)線(xiàn)左側(cè)22#橋墩樁基，最大變形Y向（順橋向）0.342 mm，最大豎向位移0.45 mm。

圖4 22#橋墩位移云圖（設(shè)置旋噴樁隔離墻時(shí)）Fig.4 22# Nephogram of Displacement of Pier（When Setting the Separation Wall of Rotary Jet Piles）

相對(duì)于未采用隔離保護(hù)措施，橋墩水平變形量減少60%，橋墩豎向變形量減少46%，證明柔性隔離墻能夠起到控制橋墩變形的作用。

3.2.2 橋墩變形

設(shè)置旋噴樁隔離樁后，盾構(gòu)隧道施工對(duì)鐵路橋墩變形的影響規(guī)律與未采用隔離保護(hù)措施情況類(lèi)似，在盾構(gòu)刀盤(pán)靠近橋墩時(shí)，橋墩的變形加快，但變形速率和變形量急劇減少（見(jiàn)圖5）。

圖5 22#橋墩頂部中點(diǎn)位移隨隧道開(kāi)挖的變形曲線(xiàn)（設(shè)置旋噴樁隔離墻時(shí)）Fig.5 Deformation Curve of 22# Pier Top Midpoint Displacement with Tunnel Excavation（When Setting the Separation Wall of Rotary Jet Piles）

4 旋噴樁施工對(duì)橋樁的影響計(jì)算

4.1 旋噴樁的模擬

由于整體模型尺寸較大，為方便計(jì)算，將模型簡(jiǎn)化為單個(gè)橋墩兩側(cè)的旋噴樁施工，選擇22#橋墩，兩側(cè)設(shè)置4 根旋噴樁，與橋樁凈距分別為5.3 m 和4.6 m。旋噴樁采用實(shí)體單元，通過(guò)改變樁徑范圍內(nèi)的土體屬性模擬成樁過(guò)程。旋噴樁注漿施工將近似地簡(jiǎn)化為在旋噴樁相應(yīng)的位置，直徑為0.6 m 的半圓柱面上施加朝向樁基的壓力。

當(dāng)噴嘴出口壓力為10～30 MPa 時(shí)，在噴射流軸線(xiàn)上離噴嘴不同距離的壓力水頭用下式表示：

式中：H1為距離噴嘴出口為L(zhǎng)時(shí)的軸流壓力水頭（m）；H0為噴嘴出口的壓力水頭（m）；d為噴嘴直徑（mm）；L為離噴嘴出口的距離，L段為（50～300）d（m）。

旋噴樁施工注漿壓力控制在20 MPa 時(shí)，旋噴注漿對(duì)土體的壓力近似取215 kPa。

4.2 旋噴樁施工計(jì)算影響分析

橋墩的變形與旋噴樁的施工壓力有較大關(guān)系，通過(guò)設(shè)置不同的旋噴樁施工壓力，可得到橋墩變形與旋噴樁施工壓力之間的關(guān)系，隨著旋噴樁的壓力增大，橋墩變形也逐漸變大，如圖6所示。

圖6 橋墩變形與旋噴樁施工壓力的關(guān)系Fig.6 Relationship between Pier Deformation and Construction Pressure of Jet Grouting Pile

當(dāng)注漿壓力在20 MPa 時(shí)，橋墩變形達(dá)到1.6 mm；當(dāng)注漿壓力在30 MPa 時(shí)，橋墩變形達(dá)到4.5 mm，超過(guò)高鐵橋梁變形控制值。

旋噴樁為了達(dá)到加固的效果，旋噴樁的壓力需要達(dá)到20～30 MPa，此時(shí)旋噴樁施工過(guò)程引起的橋墩變形已經(jīng)大于盾構(gòu)施工引起的橋墩變形量，為此采用旋噴樁作為高鐵橋墩的隔離樁不合適。

5 盾構(gòu)隧道下穿鐵路控制措施

當(dāng)不采取主動(dòng)隔離保護(hù)措施時(shí)，鐵路橋梁的變形全部依靠盾構(gòu)自身施工管理［8］。鑒于工期安排，左右線(xiàn)盾構(gòu)隧道計(jì)劃晚出入線(xiàn)2 年施工，本文施工管理僅討論出入線(xiàn)施工對(duì)鐵路的影響。

5.1 盾構(gòu)施工管理

⑴ 出入線(xiàn)隧道先后下穿高鐵，前后間距要求大于100 m，避免兩條隧道同時(shí)施工對(duì)高鐵橋梁產(chǎn)生疊加的影響。

⑵對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全面檢修，確保盾構(gòu)機(jī)的性能，保持良好的盾尾密封效果，保證盾構(gòu)勻速連續(xù)掘進(jìn)，避免下穿過(guò)程中停機(jī)。

⑶ 盾構(gòu)穿越鐵路橋孔前，應(yīng)以下穿鐵路前方100 m 作為試驗(yàn)段，建立地面沉降與盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)之間的關(guān)系，為下穿鐵路時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定提供最直接的依據(jù)。

⑷盾構(gòu)管片增設(shè)注漿孔，盾構(gòu)掘進(jìn)5 環(huán)后及時(shí)進(jìn)行二次注漿，減少地層沉降。

⑸在施工的全過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的量測(cè)監(jiān)控，并在鐵路橋涵兩側(cè)布置視頻點(diǎn)，采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和信息化施工。

⑹建立與鐵路運(yùn)營(yíng)主管單位的聯(lián)絡(luò)機(jī)制和應(yīng)急保護(hù)措施，一旦監(jiān)測(cè)變形超限或盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)異常，迅速通知參建各方、鐵路運(yùn)營(yíng)主管單位及相關(guān)部門(mén)。

⑺施工期間對(duì)高速鐵路進(jìn)行限速，下穿點(diǎn)前后1 km范圍內(nèi)的列車(chē)運(yùn)營(yíng)時(shí)速由200 km∕h降低為80 km∕h。

5.2 盾構(gòu)參數(shù)控制

結(jié)合試驗(yàn)段盾構(gòu)參數(shù)，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)速度控制在15～30 mm∕min，推力控制在1 100～1 600 t，土倉(cāng)壓力控制在1.3～2.0 bar，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制在1.0～2.0 rpm，同時(shí)扭矩控制在2 500～3 500 kN·m，泡沫用量30～50 L；同步注漿理論方量4.8 m3，實(shí)際注漿量控制在6～8 m3，注漿壓力0.2～0.3 MPa；二次注漿根據(jù)地面沉降監(jiān)測(cè)情況及時(shí)補(bǔ)漿，注漿壓力0.2～0.3 MPa。

5.3 橋墩測(cè)點(diǎn)變形分析

出線(xiàn)盾構(gòu)先施工，在3 月22 日進(jìn)入鐵路橋墩影響范圍內(nèi)，3 月25 日正下穿鐵路橋梁，在3 月28 日通過(guò)鐵路安全影響區(qū)；入線(xiàn)盾構(gòu)后施工，在3 月29 日進(jìn)入鐵路橋墩影響范圍內(nèi)，4 月1 日正下穿鐵路橋梁，在4月4日通過(guò)鐵路安全影響區(qū)。

盾構(gòu)施工過(guò)程，橋墩的水平位移和豎向位移如圖7所示，其中右側(cè)水平位移為正。

圖7 盾構(gòu)下穿鐵路期間橋墩位移變形趨勢(shì)Fig.7 Displacement and Deformation Trend of Pier during Shield Tunneling through Railway

由于實(shí)際地層差異和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的波動(dòng)，高橋墩最大水平位移為1.23 mm，最大豎向沉降為1.05 mm，大于理論計(jì)算值，但都小于《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程：TB 10182—2017》［9］控制值2 mm。

盾構(gòu)施工引起土體應(yīng)力釋放，橋墩會(huì)朝著盾構(gòu)一側(cè)發(fā)生偏移。由圖7?可見(jiàn)，當(dāng)兩線(xiàn)盾構(gòu)隧道同時(shí)位于橋墩一側(cè)時(shí)，盾構(gòu)施工對(duì)鐵路橋邊的水平位移產(chǎn)生疊加的影響，水平位移逐漸增大；當(dāng)兩線(xiàn)隧道位于橋墩兩側(cè)時(shí)，后施工的盾構(gòu)有利于減緩先施工盾構(gòu)引起的橋墩水平位移值，如21#橋墩隨著入線(xiàn)盾構(gòu)靠近，橋墩的水平位移逐漸變小，因此盾構(gòu)隧道從鐵路橋墩兩跨穿越更有利于水平位移的控制。

由圖7?可見(jiàn)，盾構(gòu)施工過(guò)程中，橋墩的沉降值逐漸變大，當(dāng)盾構(gòu)距離橋墩越來(lái)越近時(shí)，橋墩的沉降值逐漸變大；當(dāng)盾構(gòu)距離橋墩越來(lái)越遠(yuǎn)時(shí)，橋墩的沉降值逐漸減少，為此盾構(gòu)隧道距離橋墩越遠(yuǎn)越有利于橋墩的沉降控制。

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合盾構(gòu)下穿高鐵橋梁的工程實(shí)例，通過(guò)對(duì)柔性隔離墻在盾構(gòu)施工過(guò)程和旋噴樁加固過(guò)程對(duì)高鐵橋梁變形的影響，得到以下結(jié)論：

⑴柔性隔離墻能有效減少盾構(gòu)施工過(guò)程對(duì)鐵路橋墩變形的影響。

⑵旋噴樁噴射壓力較大，旋噴樁隔離墻施工過(guò)程引起的鐵路橋墩變形超過(guò)文獻(xiàn)［9］要求，不宜采用旋噴樁對(duì)鐵路進(jìn)行隔離保護(hù)。

⑶由于實(shí)際地層的差異和盾構(gòu)施工參數(shù)的不斷變化，施過(guò)程引起的橋墩變形會(huì)比數(shù)值模擬大，方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮該部分的偏差。

⑷當(dāng)盾構(gòu)所處地層較好，且距離鐵路橋樁較遠(yuǎn)時(shí)，可通過(guò)采用合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和施工管理能控制盾構(gòu)施工引起的鐵路橋墩變形，保證鐵路的安全。