砂泥巖地層雙線盾構(gòu)隧道近距側(cè)穿鐵路橋樁基施工優(yōu)化分析*

汪海波,吳 悅,徐才厚,楊永慶,盧文東,羅柯柯

(1.中鐵十局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司,廣東 廣州 511493;2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 613000)

0 引言

近年來,我國城鎮(zhèn)化水平穩(wěn)步提升,地下空間開發(fā)利用尤其在軌道交通領(lǐng)域取得了長足發(fā)展。伴隨著地下軌道交通建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)張,穿越或近接諸如橋梁等既有結(jié)構(gòu)物的情形越來越常見[1-5]。在這種作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大、控制要求高的復(fù)雜環(huán)境中,如何有效保障施工安全與施工進(jìn)度,是一個(gè)頗具考驗(yàn)的工程問題。

針對這一問題,眾多學(xué)者開展了相關(guān)研究。丁智等[6]總結(jié)了橋樁與地鐵隧道的相互近接施工影響及保護(hù)措施;王國富等[7]為改善盾構(gòu)隧道近距離下穿高架橋加固效果,提出了框架、三軸攪拌樁及隔離墻主動(dòng)預(yù)支護(hù)技術(shù);奚曉廣等[8]從結(jié)構(gòu)變形傳遞角度闡述了盾構(gòu)超近距離穿越對高架橋墩的影響;郭現(xiàn)釗[9]通過理論分析與工程類比,介紹了區(qū)間隧道下穿施工引起的鐵路橋梁及承臺沉降情況;郭玉海等[10]借助數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn),得出了適用于下穿高架橋梁的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù);楊曉杰等[11]基于有限差分法,揭示了淺埋暗挖隧道近距離穿越基礎(chǔ)施工引起的樁基承載力變化規(guī)律。目前上述研究在盾構(gòu)近距穿越橋樁方面已取得了豐碩成果,但以砂泥巖地層雙線盾構(gòu)隧道為對象,分析其近接樁基施工優(yōu)化的研究仍較為罕見。

鑒于此,依托成都軌道交通13號線一期工程中間風(fēng)井—公園大道站區(qū)間,針對該區(qū)間長距離穿越砂泥巖地層且近距離側(cè)穿成昆鐵路貨運(yùn)專線橋,提出了一套相適應(yīng)的施工設(shè)計(jì)方案,并結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測,展開了有關(guān)隧道開挖順序與加固措施的優(yōu)化研究,驗(yàn)證了施工方案可行性,對類似雙線盾構(gòu)隧道近接橋樁工程具有實(shí)踐參考意義。

1 工程與地質(zhì)條件

1.1 區(qū)間側(cè)穿鐵路橋概況

成都軌道交通13號線一期工程三公區(qū)間中間風(fēng)井—公園大道站區(qū)間起于中間風(fēng)井,沿成龍大道北側(cè)下方鋪設(shè),穿過DN2 400排水管、繞城高速、成龍大道人行天橋、成龍大道橋、側(cè)穿成昆鐵路貨運(yùn)專線橋橋樁,下穿高壓燃?xì)夤芎筮M(jìn)入公園大道站。其中區(qū)間隧道通過成昆鐵路橋時(shí)為小間距施工,盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)大且橋墩沉降控制要求高,是本工程施工面臨的重難點(diǎn)之一。

成昆鐵路貨運(yùn)專線橋全長1 655.70m,主跨采用68m系桿拱跨越成龍路,采用雙線T形空心橋臺及基礎(chǔ)采用摩擦樁型基礎(chǔ)。1號墩橋樁長35m、樁徑為1.5m,2號墩橋樁長37m、樁徑為1.5m。隧道埋深約為11.6m,隧道距離鐵路橋樁最小凈距為6.56m,區(qū)間隧道與成昆鐵路貨運(yùn)專線橋相對位置如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道與成昆鐵路貨運(yùn)橋相對位置

1.2 砂泥巖地層風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

根據(jù)勘察報(bào)告顯示,區(qū)間隧道側(cè)穿成昆鐵路橋施工段的地層主要包括中風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖及中風(fēng)化砂巖。中風(fēng)化泥巖為極軟巖,層厚3.2～18.9m,是隧道盾構(gòu)施工的主要地層,該層屬弱透水層,在長期地質(zhì)作用下,泥巖軟化、崩解,局部沿泥巖結(jié)構(gòu)面發(fā)生差異風(fēng)化,形成泥巖軟弱夾層,在盾構(gòu)施工過程中易出現(xiàn)刀盤結(jié)餅現(xiàn)象,甚至引起開挖面失穩(wěn)坍塌;強(qiáng)風(fēng)化砂巖結(jié)構(gòu)破碎,層厚0.8～7.0m,具有遇水膨脹和失水開裂收縮的特性,但該層涵蓋較少,對隧道施工影響較小;中風(fēng)化砂巖均勻性及連續(xù)性較好,層厚4.5～16.8m,較堅(jiān)硬,部分處于隧道盾構(gòu)施工范圍,風(fēng)險(xiǎn)性相對較小。

2 施工設(shè)計(jì)方案

三公區(qū)間中間風(fēng)井—公園大道站區(qū)間隧道需長距離穿越砂泥巖地層,且近距離側(cè)穿成昆鐵路貨運(yùn)專線橋,施工難度大,施工工藝要求高。為保證該段工程成功實(shí)施,針對本工程風(fēng)險(xiǎn)源及地層特點(diǎn),采取以下技術(shù)措施。

1)合理選擇盾構(gòu)類型 ①基于成都地鐵施工經(jīng)驗(yàn),選用2臺盾構(gòu)機(jī),刀盤開口率均為34%,保證在對前方土體形成足夠支撐的前提下減小刀盤與砂泥巖間的摩擦;②刀盤刀具含有碳化鎢和二氧化鈷合金材料,切削軌跡部分重疊,有效切削砂泥巖質(zhì)渣土;③螺旋輸送機(jī)葉片及筒體堆焊安裝有鋼板襯塊,提高輸送機(jī)耐磨性;④盾構(gòu)機(jī)配備有泡沫系統(tǒng)、膨潤土系統(tǒng)和外循環(huán)水系統(tǒng)等碴土改良系統(tǒng),增強(qiáng)碴土流動(dòng)性。

2)靈活調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù) ①降低刀盤轉(zhuǎn)速,減輕與砂巖的碰撞沖擊,減小盾構(gòu)掘進(jìn)對地層的擾動(dòng);②適當(dāng)降低掘進(jìn)速度,保證良好的盾構(gòu)姿態(tài)與掘進(jìn)方向;③降低螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速,添加聚合物,減小砂巖對螺旋輸送機(jī)的磨損;④適當(dāng)加大同步注漿量,動(dòng)態(tài)及時(shí)二次補(bǔ)充注漿,控制橋樁沉降。

3)嚴(yán)格執(zhí)行穿越施工步驟 ①穿越前,利用地質(zhì)雷達(dá)地下勘探,掌握地下障礙物情況。管片姿態(tài)須調(diào)整到位,避免向上抬頭、蛇行擺動(dòng);②盾構(gòu)應(yīng)勻速、連續(xù)穿越橋區(qū),在穿越范圍內(nèi)不停機(jī);③合理控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù),保持開挖面的平衡與穩(wěn)定;④盾構(gòu)通過后及時(shí)注漿,注意注漿量與注漿壓力變化。

4)增設(shè)隔離樁(見圖2) 在成昆鐵路橋樁與區(qū)間雙線盾構(gòu)隧道間設(shè)置隔離樁隔斷地層沉降槽,隔離樁采用鉆孔灌注樁,直徑0.8m,樁間距1.4m,樁長度深入至區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)底板以下4m,距離隧道結(jié)構(gòu)約1.2m布置,在樁頂設(shè)寬0.8m、高0.8m冠梁,將所有灌注樁連為整體。隔離樁施作時(shí)加大樁體跳作間隔,減少對地層擾動(dòng)。

圖2 區(qū)間盾構(gòu)隧道側(cè)穿鐵路橋加固措施

5)沿洞周注漿加固(見圖2) 在管片上增設(shè)注漿孔、預(yù)埋注漿管,根據(jù)地質(zhì)及掘進(jìn)情況,選擇合適時(shí)機(jī)對左、右線隧道周邊一定范圍內(nèi)(上半斷面1m)地層進(jìn)行洞內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)注漿加固,及時(shí)填充盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層空隙或松散區(qū)域。漿液采用水泥漿液,注漿壓力≤0.5MPa。

6)加強(qiáng)監(jiān)控量測 盾構(gòu)穿越鐵路橋時(shí),必須實(shí)時(shí)對橋梁結(jié)構(gòu)與地面變形進(jìn)行監(jiān)控,并將量測數(shù)據(jù)及時(shí)反饋于現(xiàn)場施工,確保施工安全與工程順利推進(jìn)。

3 數(shù)值模擬

在數(shù)值模擬階段,采用有限差分軟件FLAC3D,基于以下各項(xiàng)假定建立雙線盾構(gòu)隧道-鐵路橋-地層三維數(shù)值模型。

1)為避免模型邊界效應(yīng)干擾,取模型長150m(x方向)、寬50m(y方向)、高55m(z方向)。其中隧道管片外徑8.3m、厚0.4m;鐵路橋0號墩含8根樁,1,2號橋墩含12根樁,樁基上設(shè)置有橋面板。樁基礎(chǔ)采用pile結(jié)構(gòu)單元,樁單元與周圍巖土間力學(xué)效應(yīng)由剪切彈簧及法向彈簧模擬[12]。整體數(shù)值模型如圖3所示,各結(jié)構(gòu)材料物理參數(shù)如表1所示。

表1 各結(jié)構(gòu)材料物理參數(shù)

圖3 三維數(shù)值模型(單位:m)

2)模型砂泥巖地層呈勻質(zhì)水平層狀分布,服從莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則,各巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3)模型上表面自由,四周均為法向邊界約束;荷載方面除自重外,在橋面板設(shè)置10kPa均布荷載。

4)模型中應(yīng)用fish循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)隧道開挖,模擬過程如下:先鈍化待開挖土體,再激活對應(yīng)位置盾殼單元,并激活盾尾處管片單元與注漿等代層單元,如此循環(huán)作業(yè)直至隧道側(cè)穿過鐵路橋樁基。

5)考慮到距隧道較遠(yuǎn)的2號墩受影響有限,模型僅在0,1號墩上設(shè)置特征監(jiān)測點(diǎn)(A～E),如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)布置

3.1 施工順序優(yōu)化

區(qū)間隧道左右線近距側(cè)穿鐵路橋樁基條件存在差異,采取不同施工順序會(huì)對周圍樁基礎(chǔ)產(chǎn)生不同疊加影響?；跀?shù)值模型的建立,改變區(qū)間雙線隧道開挖順序,得到左右線同時(shí)開挖、右線先開挖與左線先開挖時(shí)各監(jiān)測樁基x方向位移與y方向彎矩隨埋深變化曲線,分別如圖5,6所示。

圖5 樁基側(cè)向位移隨埋深變化

由圖5可知,位于兩隧道一側(cè)的0號墩A,B樁在管片注漿壓力與上覆土重力等影響下隨埋深逐漸向同側(cè)偏移。其中,先開挖右線隧道與雙線隧道同時(shí)開挖較先開挖左線隧道產(chǎn)生的變形量更小,這是因?yàn)?號墩距左線更近,左線先開挖時(shí)已形成初次較大擾動(dòng),右線再開挖時(shí)在周圍土體松散情況下更易加大樁基偏位程度。位于兩隧道間的1號墩C,E樁沿x方向位移隨埋深呈單峰型分布,最大擠壓位移產(chǎn)生在隧道中心所在附近深度,D樁則在兩側(cè)隧道開挖中側(cè)向變形相對較小。其中,對于靠近左線的C樁而言,先開挖右線隧道時(shí)最接近于樁基初始中心線位置;對于靠近右線的E樁而言,先開挖左線隧道時(shí)側(cè)向位移情況最優(yōu)。綜合本工程各樁基側(cè)向位移表現(xiàn),先開挖左線時(shí)樁基整體變形量最大,同時(shí)開挖與先開挖右線時(shí)樁基位移變化在施工中更易控制。

由圖6可知,左線先開挖、同時(shí)開挖、右線先開挖引起的A樁最大y方向彎矩依次減小,分別為177.72,118.13,111.4kN·m。B樁亦是右線先開挖時(shí)最優(yōu),最大彎矩相比于左線先開挖時(shí)減小約44.7%。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),兩隧道間樁基彎矩遠(yuǎn)大于在兩隧道一側(cè)樁基,但施工順序?qū)υ搮^(qū)域樁基彎矩影響較小,3種開挖順序下兩隧道間樁基彎矩分布規(guī)律一致且相對彎矩差距不大。

圖6 樁基彎矩隨埋深變化

3.2 加固措施比選

施工順序優(yōu)化分析表明,采用右線先行開挖時(shí)樁基受力變形最佳。為進(jìn)一步提高近接樁基施工時(shí)地層穩(wěn)定性,根據(jù)施工設(shè)計(jì)方案,建立壁后注漿、鉆孔灌注樁隔離、注漿+隔離樁3種加固工況,得到圖7所示各工況在右線先行開挖下的地表沉降。

圖7 地表沉降云圖

由圖7可知,采用注漿+隔離樁措施總體加固效果最好,地表沉降與地表隆起最大值較無加固工況分別減小了7.8%,8.6%。相比于采用單措施工況,綜合加固措施兼有注漿地層強(qiáng)化作用與隔離樁阻斷效應(yīng),不僅有效減小了雙線隧道穿越區(qū)段地表危險(xiǎn)沉降量、縮小了地表較大沉降范圍,還能改善雙線隧道中夾巖隆起現(xiàn)象。

4 現(xiàn)場實(shí)測

在現(xiàn)場施工中,基于數(shù)值模擬結(jié)果并考慮到工期經(jīng)濟(jì)性、場地制約要求等因素,中間風(fēng)井—公園大道站區(qū)間雙線盾構(gòu)隧道確定采用先右、后左開挖順序,并以注漿+隔離樁綜合方案加固。為監(jiān)控下穿施工時(shí)鐵路橋變化,在成昆鐵路貨運(yùn)專線橋墩頂處安裝壓差式靜力水準(zhǔn)儀與傾角儀(見圖8a,8b),分別進(jìn)行橋墩豎向位移與水平位移自動(dòng)監(jiān)測。當(dāng)自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)預(yù)警時(shí),采用L形棱鏡(見圖8c)對既有線鐵路橋墩位移進(jìn)行豎向、縱向、橫向人工監(jiān)測復(fù)核。各儀器監(jiān)測點(diǎn)平面布置如圖9所示。

圖8 現(xiàn)場測量儀器

圖9 測點(diǎn)平面布置

鑒于既有線鐵路屬于國家重點(diǎn)運(yùn)輸線路,參考TB 10314—2021《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》,本工程采用監(jiān)測控制基準(zhǔn)為:當(dāng)豎向位移靜態(tài)累計(jì)值為-4.8～1.8mm、水平位移靜態(tài)累計(jì)值為-4.2～4.2mm時(shí),判定處于安全狀態(tài)。按下穿期間每天12次,其余每天1～4次監(jiān)測頻率,匯總整體監(jiān)測數(shù)據(jù),得到表3所示橋墩各項(xiàng)位移最值結(jié)果。

表3 橋墩位移監(jiān)測結(jié)果

由表3可知,橋墩豎向位移與水平位移基本穩(wěn)定,未超過預(yù)警指標(biāo)且均<1mm。這表明區(qū)間隧道通過鐵路橋期間,鐵路處于安全狀態(tài),鐵路保護(hù)范圍內(nèi)施工作業(yè)未違規(guī),鐵路監(jiān)測設(shè)備未損壞。因此,針對本工程砂泥巖地層雙線盾構(gòu)隧道近距側(cè)穿鐵路橋樁基的施工設(shè)計(jì)方案可行有效。

5 結(jié)語

1)針對砂泥巖地層與近接橋樁風(fēng)險(xiǎn)性,結(jié)合工程實(shí)際,提出了關(guān)于盾構(gòu)選型、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、穿越施工加固與監(jiān)測等方面的建議與措施。

2)雙線隧道中,距離樁基更近的隧道先行開挖時(shí),對該樁基側(cè)向位移控制最不利,位于兩隧道一側(cè)的樁基彎矩亦受靠近隧道先行開挖的影響最大。兩隧道間樁基彎矩水平遠(yuǎn)大于兩側(cè)樁基,但施工順序?qū)υ搮^(qū)域樁基彎矩影響較小。本工程中先開挖右線時(shí)樁基結(jié)構(gòu)整體變形、應(yīng)力情況最優(yōu)。

3)注漿+隔離樁綜合加固措施適宜用于盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿橋樁工程,注漿強(qiáng)化作用與隔離樁阻斷效應(yīng)協(xié)同改善了地表危險(xiǎn)沉降值、地表較大沉降范圍與隧道間夾巖隆起現(xiàn)象。

4)現(xiàn)場監(jiān)測中橋墩豎向位移與水平位移基本穩(wěn)定,未超過預(yù)警指標(biāo)且均<1mm,表明工程施工設(shè)計(jì)方案實(shí)際控制效果良好。