李 波

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

近年來，隨著新建地鐵下穿既有橋梁工程的大量涌現(xiàn)，如何保證地鐵施工過程中既有橋梁的安全至關(guān)重要。地鐵隧道盾構(gòu)施工法因具有對(duì)周圍環(huán)境影響小、施工安全快速等優(yōu)點(diǎn)已成為地鐵建設(shè)的主流施工方法［1］。盾構(gòu)施工由于超挖、頂推力、盾尾空隙、注漿等因素的影響，不可避免使地層產(chǎn)生位移［2］，從而降低了既有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)承載力，同時(shí)引起附加變形、差異沉降以及側(cè)向位移。地層變形達(dá)到一定程度后就會(huì)危及鄰近結(jié)構(gòu)物的安全［3-4］。如何預(yù)測盾構(gòu)穿越既有結(jié)構(gòu)所引起的地層位移，確保既有結(jié)構(gòu)的正常使用和盾構(gòu)的順利掘進(jìn)，是盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)與施工中的關(guān)鍵技術(shù)問題［5］。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)［6-9］分別對(duì)地鐵盾構(gòu)下穿房建樁基、公路橋梁樁基和普通鐵路樁基等實(shí)際工程進(jìn)行了分析，并歸納總結(jié)了盾構(gòu)施工對(duì)樁基的影響機(jī)理。文獻(xiàn)［10］對(duì)地鐵盾構(gòu)下穿京津城際高速鐵路段路基研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)下穿段一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行注漿加固，可有效控制施工引起的路基沉降。然而，對(duì)于盾構(gòu)下穿高速鐵路橋梁樁基的實(shí)例研究較少。本文結(jié)合南京城軌線工程，對(duì)盾構(gòu)下穿京滬高速鐵路橋梁樁基的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算分析盾構(gòu)施工對(duì)橋梁樁基的影響，同時(shí)提出施工防護(hù)措施，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

南京至高淳城際快速軌道祿口機(jī)場至南京南站工程(簡稱城軌線)，長約34.9 km，其中高架段長約16.3 km。本次下穿京滬高速鐵路橋梁段位于勝太路站～南京南站區(qū)間，線路由西南向東北穿行，在下穿大片臨建片區(qū)及規(guī)劃龍西立交至機(jī)場路后沿道路向北行進(jìn)，于里程ZDK33+625—ZDK33+650(左線)從京滬高速鐵路跨秦淮新河特大橋37～39號(hào)墩之間穿越，隧道埋深26～28 m。左線隧道洞身距樁基最小凈距僅6.4 m，右線隧道與樁基最小凈距為8 m，如圖1所示。由于高速鐵路對(duì)線路的平順性要求高(兩軌面差異沉降不得大于5 mm，相鄰兩墩臺(tái)工后沉降差不得大于5 mm)，且隧道外邊緣至高鐵橋梁樁基的凈距小，因此研究盾構(gòu)法施工隧道對(duì)京滬高速鐵路橋梁樁基的影響規(guī)律，確保盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行和京滬高速鐵路的正常運(yùn)營十分必要。

圖1 盾構(gòu)隧道與鐵路橋梁樁基的位置關(guān)系

隧道穿越橋墩處巖性從上至下主要有:①-2b2-3素填土，由軟～可塑狀粉質(zhì)黏土組成;③-1b1-2粉質(zhì)黏土，可塑～硬塑，中壓縮性;③-2b2-3粉質(zhì)黏土，軟～可塑，中壓縮性;K1g-2強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯呈砂土狀;K1g-3中風(fēng)化粉砂巖，風(fēng)化較弱，巖石較完整。

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

采用Abaqus軟件建立橋梁樁基、土體和隧道的三維有限元模型，分析模型沿隧道縱向取30 m，橫向取100 m，土體厚度為40 m。模型中土體、管片結(jié)構(gòu)、注漿層和承臺(tái)樁基均采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬。樁基和土體分別采用線彈性材料和彈塑性材料模擬，樁土間摩擦效應(yīng)采用面—面接觸單元模擬，土體的本構(gòu)關(guān)系服從Mohr-Coulomb彈塑性屈服準(zhǔn)則［11］。邊界采用位移邊界，頂板為自由邊界，側(cè)面僅約束水平位移，底部僅約束垂直位移。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

盾構(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)采用綜合地層損失來模擬。參照已有施工經(jīng)驗(yàn)，以0.5%地層損失率作為直線段正常施工時(shí)的取值，此時(shí)工作面徑向位移經(jīng)換算為8 mm。土體、承臺(tái)和樁基礎(chǔ)的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.3 盾構(gòu)施工過程模擬

盾構(gòu)施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，盾構(gòu)法施工主要分為3個(gè)階段:第1階段是土體開挖階段，旋轉(zhuǎn)盾構(gòu)機(jī)前端的全斷面切削刀盤來切削開挖面的土體，通過殺死盾構(gòu)機(jī)處所在單元來模擬開挖土體，同時(shí)施加150 kPa的均布頂進(jìn)力;第2階段是襯砌(管片)拼裝、注漿階段，盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)一定長度(即襯砌或管片的寬度)后，進(jìn)行襯砌(管片)的拼裝及盾尾注漿，通過設(shè)置10 cm厚的等代層來模擬漿體材料，此時(shí)，由于盾構(gòu)密封艙的脫離，隧道洞室表面的土壓力主要由從盾尾向襯砌環(huán)外圍注入的漿體壓力來平衡;第3階段是盾尾脫離階段，填充在襯砌(管片)和土層間的注漿材料逐漸凝固，強(qiáng)度不斷增加，此時(shí)通過增加襯砌單元來模擬。

在施工過程中，隨著盾構(gòu)與樁基間距離的不斷變化，盾構(gòu)施工會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生持續(xù)的影響。在不同施工階段，盾構(gòu)施工對(duì)樁基的影響機(jī)理和程度均有所不同。

3 計(jì)算結(jié)果分析

樁基布置見圖3。其中，角點(diǎn)1、2靠近左線隧道開挖線，因4個(gè)角點(diǎn)變形規(guī)律相似。本文選取左右線隧道之間距隧道最近的38號(hào)橋墩處具有代表性(對(duì)盾構(gòu)施工的影響最為敏感)的樁基進(jìn)行分析，探究盾構(gòu)施工過程中樁頂周圍土體及樁基位移的變化規(guī)律。

圖3 樁基布置

3.1 樁基沉降分析

沉降較大的1號(hào)樁頂部及其周圍土體節(jié)點(diǎn)的沉降值隨隧道開挖步的變化趨勢如圖4所示。

圖4 沉降值隨隧道開挖步的變化趨勢

由圖4可知，土體節(jié)點(diǎn)沉降的發(fā)展規(guī)律與樁基類似，但土體節(jié)點(diǎn)沉降量始終大于樁基，且1～3步的沉降量增幅較4～6步大。樁基和土體的沉降差異說明它們之間產(chǎn)生了滑移，這種滑移隨著開挖步數(shù)的增加而逐漸增大，最終滑移量約為1.27 mm。

3.2 樁基側(cè)移分析

側(cè)移量較大的1號(hào)樁的頂部、中部、底部的x方向(順橋向)位移隨隧道開挖步的變化情況如圖5所示。

圖5 1號(hào)樁x向位移隨隧道開挖步的變化趨勢

由圖5可知，樁基底部向遠(yuǎn)離隧道方向偏移(位移為正值)，樁頂部向靠近隧道方向偏移(位移為負(fù)值)，樁基頂部產(chǎn)生的位移最大。這是由于該隧道埋深較大，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)對(duì)土體的擠壓使隧道兩側(cè)的土體向遠(yuǎn)離隧道的方向移動(dòng)，從而引起樁基底部發(fā)生遠(yuǎn)離隧道的側(cè)移，而隧道開挖引起隧道上覆土體向隧道內(nèi)移動(dòng)，土體的移動(dòng)帶動(dòng)樁基的上半部分發(fā)生靠近隧道的側(cè)移。另外，左線開挖結(jié)束時(shí)，1號(hào)樁頂部的x向位移為－2.25 mm;右線開挖結(jié)束時(shí)，其x向位移為－1.31 mm，說明左線隧道開挖對(duì)樁基的影響較大，這是因?yàn)樽缶€隧道距離樁基較近。

受盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)力的影響，樁基還將在y方向(盾構(gòu)掘進(jìn)方向)產(chǎn)生側(cè)移。1號(hào)樁在不同開挖步y(tǒng)方向的側(cè)移如圖6所示。

圖6 樁基y向側(cè)移隨隧道開挖步的變化趨勢

由圖6可知，1號(hào)樁頂部的位移大于中下部，可見樁基在y方向也會(huì)發(fā)生傾斜。在隧道開挖過程中，隨著盾構(gòu)機(jī)的靠近，樁基y向位移增大，頂進(jìn)力對(duì)樁基的影響變大;隨著盾構(gòu)機(jī)的遠(yuǎn)離，樁基y向位移逐漸減小，頂進(jìn)力的影響逐漸變小。

3.3 樁基內(nèi)力分析

隧道開挖過程中，樁基和土體之間產(chǎn)生了沉降差，其對(duì)樁基會(huì)產(chǎn)生一定的附加力。隧道開挖后1～4號(hào)樁的樁身附加軸力如圖7所示。

圖7 樁基附加軸力分布

由圖7可知，隨著隧道的開挖，樁身軸力均有增大，軸力增幅最大處約在樁長9～16 m的位置，且1號(hào)和2號(hào)樁的附加軸力較大，在樁身15 m左右的位置其軸力分別增至164 kN和180 kN。盾構(gòu)施工引起的樁基附加軸力會(huì)對(duì)橋梁的地基帶來不利影響。

4 防護(hù)措施

由上述盾構(gòu)施工對(duì)樁基的影響分析可知，盾構(gòu)施工會(huì)引起樁基沉降和側(cè)移，使樁身的軸力增大。其擾動(dòng)作用會(huì)引起橋墩的變位，從而給高速鐵路的安全運(yùn)營帶來風(fēng)險(xiǎn)。因此，除了在盾構(gòu)施工過程中嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)的施工參數(shù)和減少土體擾動(dòng)外，在施工前也必須采取主動(dòng)防護(hù)措施，盡量消除盾構(gòu)施工對(duì)高速鐵路橋梁樁基的影響。

常用的主動(dòng)防護(hù)措施主要有地層注漿加固、隔離防護(hù)樁阻隔、樁基托換和結(jié)構(gòu)頂升等。由于設(shè)置隔離防護(hù)樁的風(fēng)險(xiǎn)最易控制，本項(xiàng)目選用此措施。在隧道與橋梁樁基之間設(shè)置一排鉆孔灌注隔離樁，采用分批次跳躍施工。隔離樁直徑1.0 m，間距1.5 m，距隧道外邊緣凈距0.5 m，隔離防護(hù)樁的樁身伸入隧道底以下1 m，防護(hù)長度沿隧道線路方向超出鐵路橋梁樁基6 m左右。隔離防護(hù)樁的樁頂設(shè)置1.1 m×0.8 m冠梁，冠梁間采用0.4 m厚鋼筋混凝土梁支撐，冠梁及橫撐加強(qiáng)了各隔離樁之間的聯(lián)系，從而形成剛性隔離墻，能有效阻隔隧道施工對(duì)橋梁樁基的擾動(dòng)。

在設(shè)置隔離防護(hù)樁及隧道盾構(gòu)施工全過程中，對(duì)38號(hào)橋墩墩底和墩頂?shù)目v橫向位移及沉降進(jìn)行了監(jiān)測，其中墩底值為承臺(tái)4個(gè)角點(diǎn)監(jiān)測的平均值。選取38號(hào)橋墩墩底和墩頂?shù)目v橫向位移及沉降最大值，對(duì)其設(shè)置隔離防護(hù)樁前、后的理論計(jì)算值和監(jiān)測值進(jìn)行了對(duì)比，見表2。

表2 38號(hào)墩墩底和墩頂縱橫向位移及沉降最大值 mm

由表2可以看出，設(shè)置隔離防護(hù)樁能大大降低盾構(gòu)施工對(duì)橋墩縱橫向位移的影響，橋墩的沉降也得到較好的控制。設(shè)置隔離防護(hù)樁后橋墩位移和沉降的監(jiān)測值與理論計(jì)算值吻合較好，驗(yàn)證了隔離防護(hù)樁的有效性。

5 結(jié)論

1)隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，樁基和土體不但會(huì)產(chǎn)生沉降，而且相互之間還存在沉降差。隨著隧道的開挖，其沉降差逐漸增大。

2)隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，樁基發(fā)生傾斜，樁基底部向遠(yuǎn)離隧道方向偏移，樁基頂部向靠近隧道方向偏移，且樁基頂部產(chǎn)生的位移最大。距隧道越近，樁基受開挖的影響越大。

3)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層擾動(dòng)使樁基和土體之間產(chǎn)生沉降差，從而導(dǎo)致樁基產(chǎn)生附加力，承載力降低。

4)對(duì)設(shè)置隔離防護(hù)樁前后橋墩位移和沉降的理論計(jì)算值和監(jiān)測值進(jìn)行了對(duì)比，設(shè)置隔離防護(hù)樁后的理論計(jì)算值與監(jiān)測值吻合較好，說明設(shè)置隔離防護(hù)樁能有效減小盾構(gòu)施工對(duì)橋梁樁基的擾動(dòng)。

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