劉鶴冰，何 達(dá)

(中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

1 工程概述

通惠河北路(東便門—四環(huán))是北京市城市快速道路系統(tǒng)中15條放射線之一,屬于市重點(diǎn)工程。該項(xiàng)目中修建的左轉(zhuǎn)Z10匝道橋,跨越地鐵復(fù)八線和八通線這兩條線路的地面明線部分。橋梁基礎(chǔ)采用混凝土承臺(tái)加30 m長(zhǎng)的鉆孔灌注樁修建。鉆孔灌注樁距離地鐵遮陽棚邊的最近距離為1.7 m,距離地鐵明線軌道最近距離僅為6.0 m。橋梁基礎(chǔ)與地鐵平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 橋梁基礎(chǔ)與地鐵平面位置關(guān)系

由于地鐵復(fù)八線和八通線地鐵已經(jīng)運(yùn)營(yíng),車輛通行頻繁,輸送人員較多,根據(jù)《北京地鐵工務(wù)維修規(guī)則》，軌道沉降不得大于15 mm,施工如果引起較大沉降,超過標(biāo)準(zhǔn),有可能影響到地鐵的正常運(yùn)行,從而造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。為了避免造成不良后果,設(shè)計(jì)針對(duì)本工點(diǎn)進(jìn)行了專門的研究,采用三維有限元仿真分析的方法,對(duì)挖孔灌注樁開挖的全過程進(jìn)行模擬。通過改變樁基施工順序和施工方法找到一種最合理的開挖方式,明確施工中關(guān)鍵工序,為現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)計(jì)控制地面沉降提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持,根據(jù)施工監(jiān)測(cè)結(jié)果,設(shè)計(jì)滿足了地鐵沉降的要求,成功地達(dá)到了施工(匝道橋)和運(yùn)營(yíng)(地鐵線路)兩不誤的要求。

2 樁基施工對(duì)地鐵線路影響的研究

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況和采取的施工措施,選用三維有限元程序?qū)痘┕さ母鱾€(gè)階段進(jìn)行了模擬,通過對(duì)比和分析來判斷影響既有線路沉降的主要因素,從而選取最合適的工法進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

研究采用ANSYS有限元程序進(jìn)行數(shù)值模擬。擬定鉆孔灌注樁的直徑為1.5 m,根據(jù)影響范圍為開挖直徑5倍的原則[1],取土體的計(jì)算邊界與鉆孔灌注樁邊緣相距7.5 m。因此土體的計(jì)算范圍確定為長(zhǎng)54 m、寬45 m、高40 m。地鐵路基、鉆孔灌注樁、鋼套筒(為防止出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象,在鉆孔端部設(shè)置10 mm厚鋼套筒)和地層土體均采用SOLIDE45實(shí)體單元,屈服條件采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。建好的三維有限元模型如圖2所示。

圖2 三維有限元模型

2.2 圍巖參數(shù)

樁基影響范圍內(nèi)的圍巖,按成因年代可劃分為人工堆積層、第四紀(jì)沉積層兩大類,細(xì)分后可劃分成4個(gè)主要地層。各層圍巖的分布范圍可參考圖3,圍巖力學(xué)參數(shù)見表1。

圖3 圍巖分布

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算荷載

根據(jù)荷載類型可將荷載分成恒載和活載兩部分。其中恒載為土體自重；活載為車輛荷載和泥漿壓力。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2],車輛荷載可采用掃頻計(jì)算的方法得到。當(dāng)動(dòng)載系數(shù)取1.2時(shí),車輛荷載可按33 kPa的均布?jí)毫ψ饔迷谲壍烂嫔?承臺(tái)和地鐵線路關(guān)系見圖1。

鉆孔過程中,泥漿護(hù)壁對(duì)鉆孔的約束作用,可等效成按梯度變化的側(cè)向壓應(yīng)力作用在鉆孔壁上。泥漿壓應(yīng)力可按公式(1)計(jì)算

σp=γgh

(1)

式中σp——泥漿的側(cè)壁壓應(yīng)力，Pa；

γ——泥漿的密度，kg/m3,取水密度的1.2倍；

h——計(jì)算位置距泥漿面的高度，m。

2.4 開挖步和計(jì)算工況

2.4.1 計(jì)算工況

由于北承臺(tái)和南承臺(tái)相距27 m,大于5倍的樁基直徑7.5 m,因此先挖北承臺(tái)下的樁基還是先挖南承臺(tái)下的樁基對(duì)最終計(jì)算結(jié)果影響不大。鉆孔灌注樁的位置如圖4所示。為了研究鉆孔樁開挖順序?qū)Φ乇砦灰频挠绊?采用2組計(jì)算工況分析,即按樁號(hào)1、2、3、4、5、6的順序開挖和按照樁號(hào)4、3、2、1、5、6的順序開挖。為了研究鋼套筒長(zhǎng)度對(duì)地表位移的影響,分別取鋼套筒長(zhǎng)度為5、10、15 m(列為工況3、2、4)對(duì)以上工況進(jìn)行分析。整個(gè)樁基的施工過程分成4種計(jì)算工況進(jìn)行模擬。這4種計(jì)算工況見表2。

表2 計(jì)算工況

2.4.2 開挖步

樁基開挖時(shí),以10 m長(zhǎng)的土體開挖作為一個(gè)開挖步,每根樁長(zhǎng)30 m,故1根樁分3次挖完。開挖時(shí),第1段土體(0～10 m)開挖需考慮的施工內(nèi)容有：土體開挖、鋼套筒支護(hù)、施加泥漿壓力并為上一次挖好的樁灌注混凝土；第2段土體(10～20 m)和第3段土體(20～30 m)開挖只考慮土體開挖和施加泥漿壓力這兩個(gè)施工內(nèi)容。計(jì)算中共有6根灌注樁需要開挖,故需要18個(gè)開挖步模擬開挖過程。再加上初始應(yīng)力場(chǎng)和最后一根樁灌注混凝土這兩個(gè)應(yīng)力狀態(tài)的計(jì)算,因此共需20個(gè)計(jì)算步才能完成整個(gè)樁基施工過程的模擬。計(jì)算中采用“死”、“生”單元的方法,實(shí)現(xiàn)土體的開挖和鋼套筒、混凝土的支護(hù)[3]。

2.4.3 計(jì)算結(jié)果

按照上面所述的計(jì)算工況和開挖步計(jì)算,可以得到4種工況下的路基位移和樁壁徑向位移。具體的計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同工況下路基位移和樁壁位移比較 mm

從表3中可以看出,工況1的路基位移沉降最大；工況2、3、4的路基位移沉降較小,但相差不大。這說明先在遠(yuǎn)端施工灌注樁更有利于控制位移沉降。工況2、3、4都是在離地鐵線路較遠(yuǎn)的地方先施工,只是鋼套筒的長(zhǎng)度不一樣,因此路基位移沉降在這3種計(jì)算工況中差異不明顯。但工況3的樁壁徑向要比工況2、工況4的大。其原因是地面以下第1層土體的物理性質(zhì)較差,彈性模量E=9.8 MPa,距地表11.26 m。工況3的鋼套筒長(zhǎng)度為5 m,未能穿透第1層土體,因此鉆孔灌注樁的側(cè)壁位移較大；工況2的鋼套筒長(zhǎng)度為10 m,雖然鋼套筒的長(zhǎng)度也未能穿透第1層土體,但鋼套筒已有足夠的長(zhǎng)度,能較好地限制樁的側(cè)壁位移,所以該施工方法的側(cè)壁位移不大；工況4的鋼套筒為長(zhǎng)度15 m,鋼套筒雖然穿透第1層土體并插入第2層土體中,但第2層土體的物理性質(zhì)較好,彈性模量E=25 MPa,所以工況4的側(cè)壁位移并沒有比工況2的側(cè)壁位移減少許多,但工況4的施工復(fù)雜程度和工程造價(jià)要高于工況2。

根據(jù)4種工況的位移分析比較,采用工況2(先遠(yuǎn)后近開挖,鋼套筒10 m)所提供的施工方法進(jìn)行施工。該施工方法既能保證鉆孔灌注樁的施工不對(duì)既有地鐵線路的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生較大的影響,又能盡可能地降低施工造價(jià)。

3 匝道橋樁基設(shè)計(jì)

根據(jù)研究結(jié)果和三維有限元分析,施工設(shè)計(jì)最終采用30 m鉆孔灌注樁。為防止出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象,需采用比重為1.2泥漿液體進(jìn)行灌注,并在鉆孔端部用10 mm厚鋼套筒進(jìn)行支護(hù),樁基根據(jù)研究成果按4、3、2、1、5、6先遠(yuǎn)后近的順序施工,同時(shí)加強(qiáng)既有地鐵線路的監(jiān)控,以確保對(duì)既有地鐵線路影響最小。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控

圖4 位移控制點(diǎn)位置

現(xiàn)場(chǎng)施工樁基過程中,由于地鐵路基面的位移隨樁基開挖進(jìn)程而不斷發(fā)生變化。因此施工單位專門對(duì)路基面上一些關(guān)鍵位置進(jìn)行位移監(jiān)測(cè),以便確保施工對(duì)既有地鐵線路的影響在可以控制的范圍內(nèi),并根據(jù)監(jiān)控結(jié)果指導(dǎo)下一步施工,施工中選取了4個(gè)路基面上的關(guān)鍵點(diǎn)作為位移控制點(diǎn)。通過讀取4個(gè)控制點(diǎn)在工況2下每個(gè)開挖步的位移值,得到控制點(diǎn)位移隨開挖步發(fā)展的變化規(guī)律。各控制點(diǎn)的位置見圖4,控制點(diǎn)位移隨開挖步發(fā)展的變化規(guī)律見圖5。

圖5 豎向位移隨開挖步變化曲線

從圖5中可以看出,隨開挖過程各控制點(diǎn)的豎向位移都在增大。其中控制點(diǎn)1、2的豎向位移大于控制點(diǎn)3、4的豎向位移。這說明北承臺(tái)4根灌注樁開挖對(duì)地表位移的影響要大于南承臺(tái)2根灌注樁開挖的影響；北承臺(tái)下4根鉆孔灌注樁的施工對(duì)路基位移影響最大,是控制路基位移沉降的關(guān)鍵工序。復(fù)八線線路最大位移沉降值約為8 mm,八通線線路最大位移沉降值約為4 mm,豎向位移滿足軌道最大沉降不超過15 mm的要求[4],線路橫向位移較小,很難準(zhǔn)確量測(cè),樁基施工沒有對(duì)地鐵復(fù)八線和八通線的正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響,工程取得圓滿成功。

5 結(jié)論

由于根據(jù)樁基開挖對(duì)既有地鐵線路影響的難點(diǎn)進(jìn)行專項(xiàng)研究,在確保地鐵線路的運(yùn)營(yíng)安全的基礎(chǔ)上,成功地進(jìn)行了樁基施工,本工點(diǎn)的設(shè)計(jì)和施工主要有以下結(jié)論。

(1)采用有效的措施,合理的施工順序可以最大限度地減少樁基施工對(duì)既有線的影響,本次設(shè)計(jì)和施工有效地控制了既有地鐵線路的豎向位移,對(duì)其運(yùn)營(yíng)沒有造成影響。

(2)數(shù)值分析對(duì)本工點(diǎn)的設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)作用,計(jì)算結(jié)果和施工監(jiān)測(cè)結(jié)果比較吻合。由于定性地判斷了樁基施工過程和順序?qū)Φ罔F線路的影響,從而使設(shè)計(jì)和施工能夠從宏觀角度對(duì)樁基施工過程進(jìn)行把握,極大降低了風(fēng)險(xiǎn)。

(3)監(jiān)測(cè)在本項(xiàng)目施工中,有效地指導(dǎo)了施工,使設(shè)計(jì)單位和施工單位能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果檢驗(yàn)設(shè)計(jì)和施工是否能夠滿足既有地鐵沉降要求,以便及時(shí)修改設(shè)計(jì),避免事故的發(fā)生。

[1]關(guān)寶樹.隧道力學(xué)概論[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1993：49-54.

[2]翟 輝,劉維寧.地鐵列車引起的低頻地表響應(yīng)及減振措施研究[J].都市快軌交通,2005(4)：101-105.

[3]黃 斌,楊 敏,熊巨華.不同樁型情況下的樁基差異沉降三維有限元分析[J].建筑科學(xué)，2005(2)：31-55.

[4]吳 波,高 波，等.城市地鐵小間距隧道施工性態(tài)的力學(xué)模擬與分析[J].中國公路學(xué)報(bào),2005(3)：84-89.

[5]楊 正.地鐵工程的風(fēng)險(xiǎn)控制[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(12)：25-27.

[6]北京地鐵運(yùn)營(yíng)公司.北京地鐵工務(wù)維修規(guī)則(試行)(2002)[S].

[7]GB50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].