地鐵高架橋樁基施工對鄰近構(gòu)筑物的影響及控制

徐毅夫 劉維正 譚博 王鋒 肖洪波 劉博

1.中建五局土木工程有限公司， 長沙 410116； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 長沙 410075

地鐵線路日益網(wǎng)絡(luò)化，規(guī)模不斷擴(kuò)大。由于城市建設(shè)中建筑用地有限，在既有構(gòu)筑物附近進(jìn)行高架橋樁基施工的情況愈發(fā)常見，樁基近接施工距離越來越近，對鄰近構(gòu)筑物的影響越來越突出。因此，預(yù)測樁基礎(chǔ)施工對鄰近構(gòu)筑物的影響，研究控制既有構(gòu)筑物變形的工程措施具有重要意義。

橋梁樁基與鄰近建（構(gòu)）筑物的相互影響可分為兩類：一類是新建建（構(gòu)）筑物對橋梁樁基的影響，另一類是新建橋梁樁基對既有建（構(gòu)）筑物的影響。

第一類問題出現(xiàn)較早，研究也較多。文獻(xiàn)［1］分析盾構(gòu)隧道施工對樁基變形和承載力的影響，提出采用全方位高壓旋噴注漿工法加固樁基。文獻(xiàn)［2-3］結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測對盾構(gòu)隧道下穿橋涵引起的地表變形、控制標(biāo)準(zhǔn)及施工對策進(jìn)行了全面研究。文獻(xiàn)［4］提出下穿樁群前試挖、超前小導(dǎo)管預(yù)加固地層、制定應(yīng)急措施、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)四項(xiàng)隧道下穿施工變形控制方法。文獻(xiàn)［5-6］通過數(shù)值模擬研究隧道穿越群樁基礎(chǔ)的樁基托換技術(shù)，探討橋梁結(jié)構(gòu)荷載傳遞機(jī)制。

對第二類問題也有一些研究。文獻(xiàn)［7］結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬，分析基坑開挖對周圍土體、地上建筑和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形的影響。文獻(xiàn)［8］依據(jù)樁基與既有隧道的距離，對橋樁施工影響分區(qū)進(jìn)行了劃分。文獻(xiàn)［9］采用數(shù)值分析的方法研究了隧道埋深、水平凈距、樁基半徑等因素對樁基近接施工的影響。文獻(xiàn)［10］模擬了樁基施工全過程，分析了樁基近接對既有隧道位移和應(yīng)力的影響。文獻(xiàn)［11］針對鉆孔灌注樁施工對隧道結(jié)構(gòu)及位移的影響，提出了隔離保護(hù)措施。文獻(xiàn)［12］對樁基荷載效應(yīng)和隧道縱向變形進(jìn)行研究，總結(jié)了隧道縱向變形的影響因素。

本文以新建長沙地鐵1號線北延線上跨鐵路框架橋和芙蓉北路空心板橋的橋臺為工程背景，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測，分析不同鉆孔順序和加固措施下樁基施工對既有框架橋和橋臺的影響，總結(jié)受力和變形規(guī)律，并提出相應(yīng)的加固保護(hù)措施。

1 工程概況

長沙地鐵1 號線北延線青馮區(qū)間（青竹湖路站—馮蔡路站）采用高架橋形式沿芙蓉北路中央敷設(shè)。該路段芙蓉北路穿越既有繞城高速公路、石長鐵路西北聯(lián)絡(luò)線和正線，形成立交體系。地鐵區(qū)間高架橋采用（55 + 85 + 49）m連續(xù)梁上跨既有公鐵立交，B19#承臺尺寸為6.7 m × 10.5 m × 3.0 m，下設(shè)6 根直徑1.8 m 鉆孔灌注樁，樁長68.0 m，樁心距3.8 m。

鄰近的既有構(gòu)筑物由北往南分別為：芙蓉北路空心板橋的橋臺、西北聯(lián)絡(luò)線框架橋（跨度8.0 m）、正線框架橋（跨度15.5 m）。新建B19#橋墩承臺邊緣一側(cè)距橋臺最小距離約0.94 m，另一側(cè)距西北聯(lián)絡(luò)線框架橋最小距離為1.53 m，見圖1。其中：E1—E6 為既有橋臺的樁基。

圖1 B19#橋墩樁基與鄰近構(gòu)筑物位置關(guān)系

西北聯(lián)絡(luò)線框架橋的邊墻及頂板厚均為0.7 m，底板厚1.0 m，頂部覆土厚約0.5 m。正線框架橋邊墻厚0.9 m，頂板厚0.7 m，底板厚1.0 m。西北聯(lián)絡(luò)線框架橋和正線框架橋凈距為1.18 m。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立與參數(shù)選取

使用MIDAS/GTS 建立計(jì)算模型（圖2），新建B19#橋墩樁基采用鉆孔灌注樁，承臺現(xiàn)澆施工，樁基施工段自上而下主要穿越素填土、殘積砂質(zhì)黏土和全風(fēng)化花崗巖。

圖2 計(jì)算模型

既有樁基采用線彈性模型模擬，新建樁基采用實(shí)體單元模擬。既有樁基和新建樁基均采用C35 混凝土。樁土接觸單元采用無厚度的Goodman 單元模擬。新建B19#橋墩和承臺均采用C40 混凝土，框架橋采用C30混凝土。計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.2 工況設(shè)計(jì)（見表2）

表2 不同工況的鉆孔順序和加固情況

2.3 測線和測點(diǎn)布置

緊靠樁基平行于橋臺布置地表沉降測線A-A'，在西北聯(lián)絡(luò)線框架橋靠樁基側(cè)布置框架橋縱向沉降測線B-B'，見圖1。另外，在橋臺上布置縱向沉降測線，在既有樁基上布置水平位移和彎矩測點(diǎn)。

2.4 模型驗(yàn)證

采用所建模型對文獻(xiàn)［13］中的類似工程地質(zhì)條件隧道水平位移進(jìn)行計(jì)算。隧道水平位移模擬計(jì)算值與文獻(xiàn)［13］實(shí)測值對比見圖3。

圖3 隧道水平位移模擬計(jì)算值與文獻(xiàn)［13］實(shí)測值對比

由圖3可知，模擬計(jì)算值與實(shí)測值基本吻合，說明所建模型和參數(shù)選取合理。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地層沉降

從工況2 整體沉降圖中提取z向斷面，見圖4?？芍貙映两荡笾鲁蔝 形分布，向上延伸至地表。沉降大小與距樁基距離成反比。樁基附近地層沉降較大，地層最大沉降出現(xiàn)于樁基處，其值為23.8 mm。

圖4 工況2 z向斷面沉降

不同工況測線A-A'地表沉降曲線對比見圖5?？芍?，不同工況地表沉降均呈凹槽形，工況1、工況2、工況3 施工對土體的擾動(dòng)程度依次減弱，最大沉降分別為24.2、23.8、21.7 mm，工況4最大沉降13.2 mm。與未采取注漿加固措施的工況1、工況2、工況3 相比，工況4 地表最大沉降分別減少45.4%、44.5%、39.2%。這說明跳樁法施工與注漿加固可有效減少地表沉降。

圖5 不同工況下地表沉降曲線

3.2 既有橋臺變形

不同工況下橋臺沉降曲線見圖6?？芍孩俨煌r均是橋臺中心（樁基施工處）沉降較大，兩側(cè)沉降較小，工況1—工況4樁基施工處與橋臺兩端最大差異沉降分別為7.2、6.9、6.3、3.5 mm。與工況3 相比，工況4 樁基施工處與橋臺兩端的最大差異沉降減少了44.4%。②工況1—工況4 橋臺最大沉降分別為12.26、11.30、10.12、5.21 mm。與工況3 相比，工況4橋臺最大沉降減少了48.5%。

圖6 不同工況橋臺縱向沉降曲線

3.3 既有樁基水平位移和受力

不同工況下既有樁基水平位移變化曲線見圖7。以橋臺中心為0 點(diǎn)，橫坐標(biāo)負(fù)值表示遠(yuǎn)離新建樁基方向?？芍?，不同工況樁基水平位移均集中于橋樁上部10 m，最大水平位移出現(xiàn)在樁頂，遠(yuǎn)離新建樁基方向。既有樁基E3、E4 水平位移較大，最大達(dá)到6.42 mm。這是由于E3、E4 距新建橋墩樁基更近，受樁基施工影響大。加固后（工況4），既有樁基E3 水平位移最大值從工況3 的5.25 mm 降至3.59 mm，降幅31.6%。工況3 水平位移小于工況1 和工況2，說明跳樁鉆孔對既有樁基的影響小于排式鉆孔和連續(xù)鉆孔。

圖7 不同工況下既有樁基水平位移變化曲線

不同工況下既有樁基彎矩變化曲線見圖8。其中：彎矩為正表示受拉，為負(fù)表示受壓。

圖8 不同工況下既有樁基彎矩變化曲線

由圖8 可知：①6 根既有樁基彎矩分布規(guī)律相似，隨埋深增大，均由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值。E3 彎矩最大，其值為535 kN·m，出現(xiàn)在埋深14 m 處。②工況3 中E3 最大彎矩略小于工況1和工況2。與工況3最大彎矩（492.4 kN·m）相比，工況4 最大彎矩（359.5 kN·m）減少了27.0%，說明注漿加固能明顯減小既有樁基的彎矩。

3.4 框架橋的應(yīng)力和變形

不同工況下測線B-B'西北聯(lián)絡(luò)線框架橋縱向沉降曲線見圖9?？芍嚎蚣軜蛑胁砍两递^大，兩端沉降較小。工況1—工況4 框架橋中部和兩端最大差異沉降分別為5.0、4.9、4.7、3.2 mm。與工況3 相比，工況4 最大差異沉降減少了31.9%。工況1—工況4最大沉降分別為11.03、10.12、8.65、4.61 mm。與工況3相比，工況4最大沉降減少了46.7%。

圖9 不同工況下西北聯(lián)絡(luò)線框架橋縱向沉降曲線

工況2西北聯(lián)絡(luò)線框架橋和正線框架橋最大主應(yīng)力分布見圖10。其中：受拉為正，受壓為負(fù)?？梢钥闯?，最大拉應(yīng)力（3.54 MPa）出現(xiàn)于正線框架橋頂面，最大壓應(yīng)力（1.35 MPa）位于西北聯(lián)絡(luò)線框架橋的底面。

圖10 工況2框架橋最大主應(yīng)力分布

對于C30 鋼筋混凝土，需考慮混凝土的拉應(yīng)力及壓應(yīng)力。GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定混凝土拉、壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值分別為1.43、14.3 MPa。

不同工況下框架橋最大主應(yīng)力見表3。

表3 不同工況下框架橋最大主應(yīng)力

由表3可知：不采取加固措施的三種工況，最大拉應(yīng)力均超過規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)值。與工況3 相比，采取注漿加固措施的工況4 最大拉應(yīng)力減少64.4%，滿足規(guī)范要求，說明注漿加固效果顯著。

4 變形控制措施和實(shí)施效果

4.1 變形控制措施

根據(jù)以上分析，實(shí)際施工時(shí)采取跳樁鉆孔和三項(xiàng)控制措施：①袖閥管注漿加固；②樁基反循環(huán)鉆進(jìn)成孔；③實(shí)時(shí)監(jiān)測和反饋。

1）袖閥管注漿加固

樁基施工前對樁基周邊土體注漿加固。注漿時(shí)注意控制注漿壓力，并對鐵路框架橋和公路橋進(jìn)行監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)異常立即停止施工。

設(shè)置A、B、C 三種注漿孔，注漿范圍為樁基邊緣以外不小于2.5 倍樁徑，A、B、C 三種注漿孔深度分別為18、8、18 m。袖閥管注漿采用DN50 型厚4 mm 的PVC（Polyvinyl Chloride）管，上設(shè)溢漿孔，溢漿孔環(huán)向間距30 cm，開孔數(shù)不小于4 孔。注漿孔呈梅花形布置，間距（排距×孔距）為1.0 m × 1.0 m。注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿。

2）樁基反循環(huán)鉆進(jìn)成孔

樁長68 m，為避免塌孔樁基施工采用反循環(huán)鉆進(jìn)成孔，長鋼護(hù)筒跟進(jìn)至砂質(zhì)黏土層。

主要施工步驟：

①清除雜物，設(shè)置泥漿沉淀池，用黏土、純堿添加劑等制作優(yōu)質(zhì)泥漿。

②測量放線，埋設(shè)護(hù)筒。護(hù)筒采用厚10 mm 的Q235A 鋼板卷制而成，護(hù)筒內(nèi)徑比鉆孔樁的樁徑大20 cm。

③鉆機(jī)就位及鉆孔。利用鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)造漿，造漿量為樁用混凝土體積的2倍。

④反循環(huán)清孔，注意保持孔內(nèi)水頭，防止坍孔。

⑤鋼筋籠制作和吊裝、灌注水下混凝土等。

⑥泥漿補(bǔ)充。鉆進(jìn)過程中若有泥漿損耗，應(yīng)予以補(bǔ)充。

3）實(shí)時(shí)監(jiān)測

結(jié)合工程現(xiàn)場條件，采用徠卡自動(dòng)全站儀實(shí)時(shí)監(jiān)測。根據(jù)TB 10314—2021《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定，框架橋豎向位移預(yù)警值為±4.8 mm，控制值為±8.0 mm；橋臺水平位移預(yù)警值為±4.2 mm，控制值為±7 mm。

順鐵路方向在兩個(gè)框架橋內(nèi)部每5 m 布置1 個(gè)監(jiān)測斷面，共布置7 個(gè)斷面。西北聯(lián)絡(luò)線框架橋每個(gè)斷面布置框架橋變形監(jiān)測點(diǎn)4 個(gè)、軌道變形監(jiān)測點(diǎn)1 個(gè)，正線框架橋每個(gè)斷面布置框架橋變形監(jiān)測點(diǎn)4 個(gè)、軌道變形監(jiān)測點(diǎn)2個(gè)，見圖11。

圖11 監(jiān)測方案

4.2 實(shí)施效果

2023年4月13 日至5月18日新建B19#橋墩的樁基施工。為分析新建19#橋墩樁基施工對框架橋和芙蓉北路空心板橋橋臺位移的影響規(guī)律，取西北聯(lián)絡(luò)線框架橋斷面1、斷面4的8個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)（XB1-1—XB1-4、XB4-1—XB4-4）和橋臺位移監(jiān)測點(diǎn)（QT-1—QT-7）進(jìn)行分析?？蚣軜蚝蜆蚺_位移時(shí)程曲線見圖12。其中：水平位移為負(fù)表示背離新建樁基方向，為正表示朝向新建樁基方向。

圖12 框架橋和橋臺位移時(shí)程曲線

由圖12可知：①樁基施工前框架橋和橋臺位移較小，開始施工時(shí)位移逐漸增大?？蚣軜蚴紫嚷∑?，隨著樁基施工逐漸沉降。最大沉降出現(xiàn)在測點(diǎn)XB1-3處，其值為-3.59 mm。框架橋豎向位移在-3.59 ～1.18 mm變化，小于預(yù)警值，滿足變形控制要求。②橋臺水平位移最大值為-1.97 mm，出現(xiàn)在測點(diǎn)QT-2 處，橋臺水平位移在-1.97 ～ 1.52 mm，小于預(yù)警值，滿足變形控制要求。對于XB1-3 和QT-2 水平位移較大的測點(diǎn)需加強(qiáng)監(jiān)測，以便及時(shí)調(diào)整施工方案。

5 結(jié)論

本文以新建長沙地鐵1號線北延線上跨鐵路框架橋和芙蓉北路空心板橋的橋臺為工程背景，通過模擬分析得到以下結(jié)論：

1） 樁基施工時(shí)，地層沉降、框架橋和橋臺最大沉降均出現(xiàn)于樁基施工處，地層沉降大致呈U 形，向上延伸至地表，沉降大小與距樁基距離成反比。未加固時(shí)框架橋和橋臺位移均超出限值。

2） 三種鉆孔順序中跳樁鉆孔對沉降變形的控制效果最好。跳樁鉆孔，比加固前相比，注漿加固后框架橋和橋臺的最大沉降分別減少了46.7%和48.5%，框架橋中部和兩端最大差異沉降減少了31.9%，樁基施工處和橋臺兩端最大差異沉降減少了44.4%。西北聯(lián)絡(luò)線框架橋最大拉應(yīng)力減少64.4%，框架橋和橋臺的安全性得到較大提高。

3） 樁基施工時(shí)采取袖閥管注漿加固、樁基反循環(huán)鉆進(jìn)成孔和實(shí)時(shí)監(jiān)測三種變形控制措施。經(jīng)監(jiān)測，框架橋豎向位移在-3.59 ～ 1.18 mm，橋臺水平位移在-1.97 ～ 1.52 mm，均小于預(yù)警值，滿足變形控制要求。