陳　江，陳思明，傅金陽，朱雙廳，陽軍生

(1.中南大學(xué)　土木工程學(xué)院，湖南　長沙　410075；2. 中鐵建設(shè)投資集團有限公司，廣東　深圳　518055；3.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江　杭州　410075)

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盾構(gòu)側(cè)穿鄰近橋樁施工影響及加固措施研究

陳江1，陳思明2，傅金陽1，朱雙廳3，陽軍生1

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410075；2. 中鐵建設(shè)投資集團有限公司，廣東深圳518055；3.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州410075)

摘要：結(jié)合長沙地鐵1號線下穿新中路立交橋的實際工程，采用數(shù)值計算和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，分析旋噴樁對盾構(gòu)側(cè)穿鄰近橋樁時的加固效果。經(jīng)計算和實測數(shù)據(jù)對比，表明由于對樁基進行旋噴樁的隔離加固，使得地表的橫向沉降槽與傳統(tǒng)的橫向沉降槽有明顯區(qū)別；同時靠近橋樁的地層水平位移明顯減少。此外，由于旋噴樁的保護樁基作用，大大減少了盾構(gòu)掘進對地表以及橋墩沉降的影響。

關(guān)鍵詞：隧道工程；旋噴樁；數(shù)值計算；樁基；現(xiàn)場監(jiān)測

0引言

隨著大城市地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵穿越高層建筑和橋梁的次數(shù)越來越多，而且淺層地表經(jīng)常埋置各種管線，如排污管、軍事電纜等等，地鐵隧道不可避免地從大型建筑物基礎(chǔ)的下部或側(cè)邊近距離穿越。特別是在雜填土和砂卵石地層中，盾構(gòu)施工對地層產(chǎn)生的擾動會造成影響，引起地表和建筑物的沉降，甚至發(fā)生建筑物的裂縫和路面倒塌。特別是隧道下穿立交橋時，對盾構(gòu)的掘進參數(shù)的控制和建筑物的加固措施，提出了更高的要求。因此開展這方面的研究非常有意義，既能確保盾構(gòu)順利穿越，又能保證橋梁的運行安全。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對在盾構(gòu)下穿臨近樁基及其采取加固保護效果進行了分析和研究。蘭宇等[1]研究表明在不加固情況下，采用旋噴樁對地層進行加固后，橋墩沉降能夠得到較好的控制；張頂立等[2]研究了城市隧道開挖對地表建筑群的影響，得出隔離樁能夠阻斷地層變形引起的應(yīng)力傳遞，從而控制地層變形；吳昌將等[3]認為在隔離樁的保護作用下，隧道開挖產(chǎn)生的地表與建筑物的沉降可以得到有效的減少；孫國慶[4]提出采取基礎(chǔ)注漿加固和跟蹤注漿方式能有效控制建筑物沉降的意見。李兆平[5]等認為對巖體進行預(yù)注漿加固，提高了隧道施工安全性；王俊[6]、朱雙廳[7-8]等提出采用旋噴樁加固和袖閥管注漿對橋梁樁基進行加固和保護，加固效果良好。

在國外，Lee[9]等提出隧道施工對橋樁的影響范圍比以前的研究范圍要大得多，為旋噴樁的加固范圍提供了參考依據(jù)。Kun[10]提出根據(jù)地質(zhì)條件來對樁基采取旋噴柱加固或者普通的注漿加固措施。

本文以長沙市地鐵1號線下穿新中路立交橋為研究背景，選取了L4橋墩所在的YDK24+330典型斷面，以測斜管和地表沉降觀測資料為依據(jù)，分析旋噴樁的隔斷加固效果。

1工程概況

長沙地鐵1號線涂家沖站-鐵道學(xué)院站區(qū)間Y(Z)DK23+900.000～24+650.000段下穿新中路立交橋，長約750 m。區(qū)間左右線均采用盾構(gòu)法施工，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)徑為5.4 m，外徑6.0 m，采用300 mm 厚C50鋼筋混凝土管片襯砌。新中路立交橋L匝道L04混凝土橋墩，直徑為1.2 m，其基礎(chǔ)為直徑1.2 m 的摩擦端承樁。隧道與橋樁水平凈距離約為6.32 m。此處隧道覆土厚度約為18.5 m。

盾構(gòu)穿越L04混凝土橋墩附近的地層上半部大多粉質(zhì)黏土，下半部分通過粗砂、卵石層，自穩(wěn)能力差，透水性強，地下水位較高，掌子面容易產(chǎn)生涌水、涌砂，造成細顆粒物質(zhì)大量流失，引起開挖面失穩(wěn)、地面沉降甚至塌陷，同時圍巖均分布有高強度、大粒徑的卵石，容易造成超挖和排碴困難，對盾構(gòu)設(shè)備磨損嚴重，施工風(fēng)險極高。

為了保證盾構(gòu)施工時，L4橋樁的安全，施工前預(yù)先打設(shè)3排φ800@500三重管旋噴樁,起到隔離保護的作用。旋噴樁頂部到達盾構(gòu)頂板以上不小于6 m，底部距離盾構(gòu)底板以下不小于3 m，起到加固土體和隔離保護的作用,見圖1。

圖1　YDK24+330斷面示意圖 (單位：mm)Fig.1　Schematic diagram of cross-section YDK24+330 (unit：mm)

2數(shù)值計算

2.1模型參數(shù)選取

根據(jù)所選取YDK24+330(L4柱)典型斷面，模型采用三維8節(jié)點單元C3D8R，土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型。因為混凝土在強度破壞之前，線性關(guān)系良好，所以本文混凝土襯砌結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，運用ABAQUS軟件進行計算分析[11]。為保證模型邊界不受隧道開挖的影響，沿X方向共取100 m；沿Y方向取60 m；沿隧道軸線Z方向40 m。模型左右兩側(cè)約束X水平方向位移，模型前后兩側(cè)約束Z方向位移，底部約束3個方向位移。土體和管片均采用實體單元模擬，見圖2。本文為了對比分析，分別就兩種情況進行了計算，分別是：工況1未加旋噴樁雙隧道依次開挖，工況2旋噴樁隔離加固后雙隧道依次開挖。模型計算參數(shù)選取來自長沙地鐵1號線的地勘報告，如表1所示。

表1　模型計算參數(shù)

圖2　劃分網(wǎng)格后的三維模型 Fig.2　Three-dimensional meshed model

2.2隧道開挖過程的有限元數(shù)值計算

(1)確定模型的影響范圍，根據(jù)地質(zhì)勘探報告結(jié)果確定地層性質(zhì)；并依照設(shè)計參數(shù)確定管片及旋噴樁參數(shù)。

(2)確定邊界條件，加橋樁荷載和樁土接觸，墩荷載的L4橋墩為一柱四樁。

(3)施加地層重力，再進行地應(yīng)力平衡。

(4)對地層進行旋噴樁的加固，見圖3，旋噴樁的大小為15 m×1.8 m×11.3 m。

(5)開始盾構(gòu)開挖時，應(yīng)力釋放采用彈性模量的衰減方法[12]，在襯砌施工前，將開挖區(qū)單元的模量降低，依次來模擬應(yīng)力釋放效應(yīng)，地應(yīng)力釋放40%；盾構(gòu)開挖后到安裝管片時，應(yīng)力釋放25%。管片長為1.5 m，土體開挖和管片安裝采用Model Change，Remove和Add生死單元。

(6)安裝管片，應(yīng)力全部釋放，管片承受土層壓力。

圖3　結(jié)構(gòu)體空間位置關(guān)系Fig.3　Relationship of structure spatial position

2.3計算結(jié)果分析

(1) 地表沉降分析

圖4　工況1未加旋噴樁Y方向位移云圖(單位：m)Fig.4　Contour of Y-direction displacement without jet grouting pile reinforcement under condition 1 (unit：m)

圖5　工況2加旋噴樁后的Y方向位移云圖 (單位：m)Fig.5　Contour of Y-direction displacement after jet grouting pile reinforcement under condition 2(unit：m)

從圖4和圖5中可以看出，當(dāng)盾構(gòu)開挖土體后，拱頂上的地層開始產(chǎn)生沉降變形，拱底土體開始產(chǎn)生隆起，由于拼裝的管片襯砌與地層密貼，隨著盾構(gòu)的推進，管片變形越來越明顯，隨著與隧道中心線的距離不斷增加，地表的沉降量也依次遞減，地表沉降曲線基本符合正態(tài)分布規(guī)律，同時也驗證了隧道開挖橫向沉降槽理論。

L4橋墩附近的地層未進行旋噴樁隔離加固之前，隧道拱頂?shù)淖畲蟪两颠_到28 mm隧道底部最大隆起4.5 mm,此時該斷面的最大地表沉降有23.5 mm；對L4橋墩附近的地層進行旋噴樁隔離加固后，隧道襯砌的變形降低，隧道拱頂?shù)淖畲蟪两颠_到22.1 mm，隧道底部最大隆起3.6 mm，在此工況下最大地表沉降量為18.4 mm，而實測數(shù)據(jù)的最大地表沉降值有17.8 mm。實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果都能基本符合Peck公式地表沉降槽橫向沉降曲線的規(guī)律，見圖6。

圖6　實測地表沉降值和數(shù)值模擬結(jié)果的對比Fig.6　Contrast between measured settlement value and numerical simulation result

(2) 水平位移分析

C1號測斜管埋在旋噴樁和橋墩之間，埋深為16 m，與橋墩樁基的水平距離為1 m，與旋噴樁左側(cè)面的水平距離為1 m，見圖7～圖9。

圖7　L4橋墩Fig.7　Pier L4

圖8　測斜管Fig.8　Inclinometer

圖9　C1和C2測斜管布置(單位：mm)Fig.9　Layout of inclinometer C1 and inclinometer C2 (unit：mm)

兩種工況下的水平位移如圖10和圖11所示。C1號測斜管在不同的工況條件下以及實測值中，其最大水平位移都發(fā)生在地表，實測側(cè)向位移值與數(shù)值模擬值的總體變化趨勢一致，測斜管實測的最大水平位移5.8 mm；在工況2條件下，加了旋噴樁后，C1號測斜管所在位置不同深度土體，其最大水平位移4.8 mm；而在工況1條件下，沒有進行旋噴樁隔離加固的情況下，C1號測斜管不同深度土體的最大水平位移6.4 mm，采取旋噴樁隔離加固后，最大水平位移減少了25%，見圖12。這說明采取旋噴樁隔斷加固的措施能明顯減少土體的水平位移。

圖10　工況1未加旋噴樁X方向位移云圖(單位：m)Fig.10　Contour of X-direction displacement without jet grouting pile reinforcement under condition 1 (unit：m)

圖11　工況2加旋噴樁后的X方向位移云圖 (單位：m)Fig.11　Contour of X-direction displacement after jet grouting pile reinforcement under condition 2 (unit：m)

圖12　C1號測斜管所在位置不同深度土體的水平位移Fig.12　Soil horizontal displacements in different depths measured by inclinometer C1

C2號測斜管埋在旋噴樁和右線隧道之間，埋深為23.5 m，比盾構(gòu)隧道底部的工程低3 m，和旋噴樁的加固深度一樣，與旋噴樁右側(cè)面水平距離為1 m，與右線隧道的水平距離為1.52 m(見圖7～圖9)。

C2號測斜管在不同的工況條件下以及實測值中，其最大水平位移都發(fā)生在地表，實測水平位移值與數(shù)值模擬值的總體變化趨勢一致，測斜管實測最大水平位移4.58 mm；在工況2的條件下，加了旋噴樁后，C2號測斜管所在位置不同深度土體，其最大水平位移為6.4 mm；而在工況1的條件下，沒有進行旋噴樁加固措施時，C2號測斜管不同深度土體的最大水平位移為7.2 mm?？梢钥闯觯扇⌒龂姌陡魯嗉庸檀胧┖?，最大水平位移減少了36.4%，見圖13。在距離地表埋深15 m到25 m的土體，由于盾構(gòu)隧道開挖擾動的影響，附近土體的水平位移變化較大，同時也說明了采取旋噴樁隔斷加固措施的重要性。

圖13　C2號測斜管所在位置不同深度土體的水平位移(單位：mm)Fig.13　Soil horizontal displacements in different depths measured by inclinometer C2(unit:mm)

(3)橋樁的沉降分析

在工況1未加旋噴樁的情況下，橋樁最大沉降值為1.8 mm，見圖14，而在工況2旋噴樁隔斷加固的情況下，橋樁的最大沉降為1.2 mm，見圖15。這說明由于旋噴樁隔斷加固的效果，使橋樁沉降減少了2/3，也說明旋噴樁的隔斷加固對橋樁減少沉降起到明顯的效果。

圖14　工況1未加旋噴樁時豎向位移云圖 (單位：m)Fig.14　Contour of vertical displacement without jet grouting pile reinforcement under condition 1 (unit:m)

圖15　工況2加旋噴樁后橋樁的豎向位移云圖 (單位：m)Fig.15　Contour of vertical displacement after jet grouting pile reinforcement under condition 2 (unit:m)

3結(jié)論

(1) 在盾構(gòu)隧道開挖時，旋噴樁的隔斷加固措施對減少地表沉降的效果非常明顯，與未采取旋噴樁加固之前比，在此工程中減少地表沉降值可達20%以上。在旋噴樁的隔斷加固作用下，減少了盾構(gòu)隧道開挖產(chǎn)生的地表沉降和橋樁沉降。

(2) 旋噴樁對隧道附近土體水平位移的隔斷效果非常明顯，與未采取旋噴樁隔斷加固措施之前相比，在此工程中減少的地中水平位移可達25%以上。在旋噴樁的隔斷加固措施下，減少了盾構(gòu)開挖對鄰近橋墩的影響，為以后類似工程的建設(shè)提供借鑒。

(3) 數(shù)值模擬結(jié)果能與實測地表沉降值較好地符合，實測地表沉降曲線與Peck公式的地表沉降槽基本一致，因此采用數(shù)值模擬的方法預(yù)測盾構(gòu)施工對橋樁的影響在實際工程的應(yīng)用具有一定指導(dǎo)作用。

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收稿日期：2014-05-20

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51378505；50808178)

作者簡介：陳江(1985-)，男，浙江義烏人，博士研究生.(chenjianggood@163.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.07.015

中圖分類號：U455.43

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)07-0097-06

Study on Effect of Shield Tunneling Side-crossing Adjacent Piles and Reinforcement Measures

CHEN Jiang1, CHEN Si-ming2, FU Jin-yang1, ZHU Shuang-ting3, YANG Jun-sheng1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha Hunan 410075, China;2. China Railway Construction & Investment Group Co., Ltd. Shenzhen Guangdong 518055, China;3. Power China Huadong Engineering Corporation, Hangzhou Zhejiang 310014, China)

Abstract：Based on the under-passing construction project of Changsha Metro Line 1 to the Xinzhong Road overpass, using numerical calculation and on-site monitoring, the reinforcement effect of jet grouting pile when shield tunneling side-crossing adjacent bridge piles is analysed. The comparison between numerical result and measurement data shows that (1) due to the isolation and reinforcement effect of the jet grouting pile on the pile foundation, the lateral surface settlement trough and classic surface settlement trough have obvious difference; (2)the ground horizontal displacement near the bridge piles reduced apparently; (3) since the protection of jet grouting pile to pile foundation, the effect of shield excavation on the settlements of ground surface and the pier is greatly reduced. In the result，site monitoring and the numerical results are similar.

Key words：tunnel engineering; jet grouting pile; numerical calculation; pile foundation; on-site monitoring