(任建喜 楊 鋒, 賀小儷 朱元偉

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,710054,西安; 2.中鐵十五局一公司,710048,西安∥第一作者，教授)

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地鐵隧道暗挖施工引起的橋樁基礎(chǔ)變形規(guī)律與控制技術(shù)

(任建喜1楊 鋒1,2賀小儷1朱元偉2

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,710054,西安; 2.中鐵十五局一公司,710048,西安∥第一作者，教授)

以西安地鐵3號(hào)線通化門站—胡家廟站區(qū)間側(cè)穿長樂橋?yàn)楣こ瘫尘?通過FLAC3D模擬計(jì)算,對(duì)比分析CRD(交叉中隔墻加臺(tái)階)法和臺(tái)階法施工對(duì)長樂橋樁基變形的影響。CRD法施工對(duì)長樂橋樁基變形的影響小于臺(tái)階法,故該區(qū)間側(cè)穿長樂橋應(yīng)該采用CRD法施工。長樂橋樁基采取袖閥管注漿加固后,通過現(xiàn)場變形監(jiān)測反饋,長樂橋樁基變形在可控范圍內(nèi),可確保地鐵施工期間長樂橋的安全使用。驗(yàn)證了袖閥管注漿參數(shù)的合理性,研究結(jié)果可為類似工程提供參考。

地鐵隧道; 暗挖施工; 中隔墻加臺(tái)階法; FLAC3D模擬; 樁基變形

First-author′s address College of Architectural and Civil Engineering,Xi’an University of Science and Technology,710054,Xi’an,China

隨著科技的發(fā)展,將會(huì)有更多的城市開始修建城市地下交通,因此,地鐵建設(shè)在我國具有長期的發(fā)展前景[1]。城市地鐵施工對(duì)周圍的地層產(chǎn)生擾動(dòng)后會(huì)引起地層沉降或隆起,鄰近結(jié)構(gòu)物因地層的不均勻沉降可能發(fā)生坍塌破壞[2],將影響人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全。因此,開展地鐵施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的變形規(guī)律研究,顯得非常重要。目前分析研究隧道開挖的方法主要有理論分析研究[3-5]、室內(nèi)試驗(yàn)研究[6-8]和現(xiàn)場原位測試等。西安地區(qū)屬于典型的濕陷性黃土地區(qū),開展西安地區(qū)地鐵區(qū)間隧道暗挖施工對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)物的變形影響規(guī)律研究具有重要的理論價(jià)值。

1 工程概況

西安地鐵3號(hào)線通化門站—胡家廟站區(qū)間(以下簡為“通—胡區(qū)間”)位于西安市金花北路地下,暗挖隧道場地周邊及地下環(huán)境較復(fù)雜,右線暗挖隧道初襯開挖面距既有的長樂橋樁基礎(chǔ)僅0.5 m,暗挖區(qū)間要穿越f4地裂縫。通一胡區(qū)間由南向北依次跨越西北工業(yè)大學(xué)洼地、槐芽嶺黃土梁地貌單元。沿線地層自上而下依次為素填土、新黃土、飽和軟黃土、古土壤、老黃土和粉質(zhì)黏土。通—胡區(qū)間暗挖隧道主要穿越的地層為飽和軟黃土、古土壤和老黃土。

對(duì)通—胡區(qū)間地鐵施工有直接影響的是地下潛水。潛水層水位約為地下9.5～11.6 m。根據(jù)2010年10月—12月地質(zhì)勘察鉆探顯示,場地內(nèi)地下潛水穩(wěn)定水位埋深10.4～15.6 m之間。

2 暗挖施工誘發(fā)既有橋梁樁基礎(chǔ)變形的模擬

2.1 計(jì)算模型的建立

綜合考慮隧道和橋梁的尺寸資料,由于地鐵暗挖隧道開挖影響區(qū)域?yàn)殚_挖尺寸的3～5倍,且計(jì)算模型既要滿足求解精度要求,也要滿足計(jì)算速度要求,故最終確定計(jì)算模型沿隧道軸線方向長60 m,垂直隧道軸線方向?qū)?4 m,豎直方向高為50 m。采用的FLAC3D計(jì)算模型圖見圖1。

圖1 FLAC 3D計(jì)算模型

通—胡區(qū)間暗挖隧道與既有長樂橋的位置關(guān)系圖見圖2。模型中各土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。管片、等代層和橋梁計(jì)算參數(shù)見表2。

圖2 暗挖隧道與既有橋梁的位置關(guān)系

2.2 FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算分析

通過FLAC3D模擬預(yù)測比較CRD(交叉中隔墻加臺(tái)階)法和臺(tái)階法開挖對(duì)既有橋梁樁基礎(chǔ)的影響(主要對(duì)比不同施工方法對(duì)長樂橋樁基豎向位移和水平位移的影響),選擇對(duì)既有橋梁樁基礎(chǔ)影響最小的施工方法。故采用兩種工況進(jìn)行計(jì)算。

表1 通—胡區(qū)間各土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 通—胡區(qū)間橋梁、等代層及管片參數(shù)

工況1采用CRD法施工,開挖過程及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù),并在施工過程中對(duì)長樂橋進(jìn)行變形監(jiān)測。

工況2采用上下臺(tái)階法施工,支護(hù)方式選用“短臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法”。開挖過程及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù),并在施工過程中對(duì)長樂橋進(jìn)行變形監(jiān)測。

2.2.1 長樂橋樁基礎(chǔ)豎向變形對(duì)比分析

通—胡區(qū)間暗挖隧道側(cè)穿長樂橋時(shí),在長樂橋橋樁基礎(chǔ)上布置一些模擬監(jiān)測點(diǎn)以監(jiān)測兩種工況下的橋梁樁基礎(chǔ)變形情況。圖3為長樂橋樁基礎(chǔ)的豎向位移云圖。

由圖3可知,由于暗挖隧道施工的影響,接近隧道側(cè)的樁基礎(chǔ)變形較大。同時(shí)因?yàn)闃痘A(chǔ)相對(duì)于土體的剛度很大,有少部分樁基礎(chǔ)側(cè)發(fā)生了向上的位移。臺(tái)階法施工引起長樂橋的最大向下豎向位移為18.78 mm,CRD法施工引起長樂橋的最大向下豎向位移是16.11 mm,較臺(tái)階法的影響減小了 2.67 mm。

2.2.2 長樂橋樁基礎(chǔ)水平變形對(duì)比分析

圖4為長樂橋樁基礎(chǔ)的水平位移云圖。圖5為長樂橋橋樁基礎(chǔ)水平變形曲線。

由圖4可知,施工隧道影響范圍內(nèi)的樁基礎(chǔ)變形較大,鄰近地面的樁基礎(chǔ)主要產(chǎn)生負(fù)向位移(遠(yuǎn)離隧道方向?yàn)檎?，反之為?fù)),而接近隧道的樁基礎(chǔ)則產(chǎn)生正向位移。CRD法施工對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的影響區(qū)域較臺(tái)階法小。臺(tái)階法施工誘發(fā)的長樂橋樁基礎(chǔ)最大水平負(fù)位移為 24.29 mm,最大正位移為 18.60 mm,CRD法誘發(fā)的長樂橋樁基礎(chǔ)最大水平負(fù)位移為17.83 mm,最大正位移為15.02 mm。

圖3 長樂橋樁基礎(chǔ)豎向位移云圖

圖4 長樂橋樁基礎(chǔ)水平位移云圖

圖5 長樂橋樁基礎(chǔ)水平變形曲線

分析圖5樁基礎(chǔ)的水平變形曲線可知,在鄰近隧道軸線范圍內(nèi),即樁基礎(chǔ)埋深在10～20 m范圍內(nèi)。樁基礎(chǔ)的變形最明顯。臺(tái)階法施工誘發(fā)橋梁樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的變形明顯大于CRD法施工的影響。臺(tái)階法施工誘發(fā)1#樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的最大水平位移為16.44 mm,5#樁產(chǎn)生的最大水平位移為11.34 mm；CRD法施工誘發(fā)1#樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的最大水平位移為8.89 mm,5#樁產(chǎn)生的最大水平位移為5.89 mm。而且通過圖6 a)和圖6 b)比較可見,CRD法施工誘發(fā)橋樁基礎(chǔ)產(chǎn)生變形的曲線變化趨勢相對(duì)比較平緩,即CRD法施工對(duì)既有長樂橋樁基礎(chǔ)的變形影響較小。

分析FLAC3D計(jì)算結(jié)果可知,CRD法和臺(tái)階法施工都會(huì)誘發(fā)長樂橋基礎(chǔ)發(fā)生變形。其中，CRD法施工引起長樂橋的最大豎向位移是16.11 mm；臺(tái)階法施工引起最大豎向位移是18.78 mm;CRD法誘發(fā)長樂橋樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的最大水平負(fù)位移是17.83 mm,產(chǎn)生的最大正位移是15.02 mm；臺(tái)階法施工誘發(fā)長樂橋樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的最大水平負(fù)位移是24.29 mm,產(chǎn)生的最大水平正位移是18.60 mm。因此，為了減小地鐵隧道施工對(duì)長樂橋變形的影響,該區(qū)間側(cè)穿長樂橋期間應(yīng)該采用CRD法施工。

3 預(yù)防橋梁樁基礎(chǔ)變形的控制措施

通—胡區(qū)間隧道淺埋暗挖采用CRD法施工會(huì)誘發(fā)長樂橋發(fā)生變形。為確保隧道施工過程中的長樂橋變形在可控范圍內(nèi),需對(duì)附近部分立交橋梁樁基采取預(yù)加固措施。結(jié)合地鐵隧道施工中常用的橋梁變形控制措施與工程實(shí)際情況,擬采用袖閥管地表注漿加固技術(shù)來控制暗挖隧道施工期間既有長樂橋的變形。同時(shí)，在暗挖施工中嚴(yán)格遵守“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、勤測量、早封閉”的施工原則辦理,還需加強(qiáng)地表及建(構(gòu))筑物的監(jiān)測,及時(shí)進(jìn)行信息反饋,以確保施工安全。

袖閥管注漿的注漿壓力初擬為0.5～1.0 MPa,穩(wěn)壓約為1.5 MPa。注漿量可根據(jù)實(shí)際注漿效果進(jìn)行調(diào)整。鉆孔機(jī)采用100型或300型工程地質(zhì)鉆機(jī),套管護(hù)壁。注漿機(jī)械采用FV 5 D、KBY50/70型等雙液注漿泵,還需配備能制造漿液的設(shè)備和高壓注漿管路系統(tǒng)。

第一輪次注漿可在清水清洗袖閥管后進(jìn)行,然后再次用清水清洗袖閥管內(nèi)水泥漿,待已注水泥漿凝固12 h后再開始下一輪的補(bǔ)充注漿。一般3d后即可從已安裝的袖閥管中下沉注漿鋼管。這時(shí)管底的封管材料已達(dá)到了0.3 MPa的強(qiáng)度要求。施工中首先將4份帶有雙塞的鋼管下沉到設(shè)計(jì)注漿部位,然后，自上而下進(jìn)行每段3 m的注漿工作,施工中要保證每段注漿均具有0.3 m的搭接。以下是本工程具體的注漿參數(shù)和步驟。

(1) 漿液設(shè)計(jì)：采用配合比為1:1的水泥漿液作為注漿材料。其中，設(shè)計(jì)漿液比重是1.51。

(2) 注漿壓力參數(shù)：施工中的注漿壓力值可通過注漿速度和壓力表前的回漿管控來控制其大小。采用0.5～0.8 MPa的注漿壓力來加固13.5～17.5 m段地層;采用0.8～1.5 MPa的注漿壓力加固17.5～46.0 m段的地層;采用0.5～0.8 MPa注漿壓力來加固46.0～48.0 m段地層。

(3) 注漿速度：以30～80 L/min的注漿速度來注漿加固底部和頂部的地層,以80～150 L/min的注漿速度來加固中間地層。施工中可依靠攪拌桶的容積和注漿泵的檔位來控制注漿速度。

(4) 終灌標(biāo)準(zhǔn)：將13.5～17.5 m和46.0～48.0 m兩地層段的注漿壓力維持在0.8 MPa,將17.5 m～46.0 m段的注漿壓力維持在1.5 MPa。每段均穩(wěn)壓10～15 min,且不能使地面產(chǎn)生裂縫、隆起或冒漿,然后即可終止注漿。

4 隧道暗挖施工變形監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

4.1 監(jiān)測的項(xiàng)目及監(jiān)測頻率

根據(jù)淺埋暗挖隧道施工總平面圖,并結(jié)合《地鐵工程監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》中暗挖法監(jiān)控量測項(xiàng)目及要求的規(guī)定,確定本工程相關(guān)的主要監(jiān)測項(xiàng)目及其控制標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 監(jiān)測內(nèi)容及頻率

4.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

通—胡區(qū)間地表沉降監(jiān)測點(diǎn)的布置主要沿隧道軸線和垂直隧道軸線兩個(gè)方向進(jìn)行布置。長樂橋的變形測點(diǎn)對(duì)稱布置在長樂橋每個(gè)橋墩兩側(cè),圖6為長樂橋橋墩沉降地表監(jiān)測點(diǎn)的布置平面圖。

4.3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬預(yù)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析

因?yàn)楸O(jiān)測時(shí)本工程淺埋暗挖隧道CRD法施工只在左線隧道進(jìn)行了20 m,右線隧道還沒有開始,所以本文只將左線CRD工法所得模擬預(yù)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究分析,以評(píng)價(jià)注漿效果及施工對(duì)長樂橋的影響。

根據(jù)設(shè)計(jì)的監(jiān)測方案,對(duì)長樂橋的橋樁進(jìn)行沉降監(jiān)測,并根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算橋樁的傾斜、沉降和傾斜，結(jié)果分別見表4和表5。

圖6 長樂橋橋墩沉降監(jiān)測點(diǎn)布置圖

由表4可知,長樂橋現(xiàn)場沉降實(shí)測值比模擬預(yù)測值要大一點(diǎn)。這是因?yàn)槟M過程中忽略了隧道開挖土層的自然固結(jié)沉降?，F(xiàn)場實(shí)測的最大橋墩沉降值為5.36 mm。這是因?yàn)樵摐y點(diǎn)距暗挖隧道最近,受隧道施工影響較大。

由表5可知,模擬預(yù)測和現(xiàn)場實(shí)測得到的橋墩沿隧道軸線方向的傾斜均較小。模擬預(yù)測的最大傾斜率為0.21 ‰,現(xiàn)場實(shí)測的傾斜率為0.24 ‰,遠(yuǎn)小于規(guī)范控制要求的2 ‰。

由長樂橋沉降值和沿隧道軸線方向傾斜結(jié)果可見,采取袖閥管注漿措施減小了CRD法施工對(duì)長樂橋變形的影響,確保了地鐵施工過程中長樂橋的安全使用,也驗(yàn)證了袖閥管注漿參數(shù)的合理性。

5 結(jié)語

(1) 通過FLAC3D軟件模擬預(yù)測了CRD法和臺(tái)階法施工對(duì)長樂橋的影響。模擬結(jié)果表明CRD法施工誘發(fā)長樂橋樁基礎(chǔ)變形較臺(tái)階法小。故該區(qū)間暗挖隧道側(cè)穿長樂橋期間應(yīng)該采用CRD法施工。

表4 長樂橋橋墩各監(jiān)測點(diǎn)沉降監(jiān)測結(jié)果 mm

表5 長樂橋橋墩沿隧道軸線方向傾斜監(jiān)測結(jié)果 ‰

(2) 為了減小CRD法施工對(duì)長樂橋樁基變形的影響,需要對(duì)隧道附近部分長樂橋樁基進(jìn)行袖閥管注漿加固。設(shè)定合理的注漿參數(shù),提升袖閥管注漿效果,確保隧道CRD法施工過程中長樂橋的安全使用。

(3) 分析現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可知,長樂橋樁基采取袖閥管注漿加固后,可將CRD法施工對(duì)長樂橋的影響降低至可控范圍內(nèi),驗(yàn)證了袖閥管注漿參數(shù)的合理性,研究結(jié)果可為類似工程提供參考。

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Deformation Law of the Existing Bridge Pile Foundation Caused by Metro Tunnelling and the Control Technology

REN Jianxi, YANG Feng, HE Xiaoli, ZHU Yuanwei

Taking the section from Tonghuamen Station to Hujiamiao Station on Xi'an metro Line 3 as the engineering background, which crosses from the side wear of Changle Bridge, and through analog calculation by using FLAC3D, the effects of CRD method and step method on the deformation of Changle Bridge pile foundation are compare and analyzed. The influence of CRD construction method on the pile foundation deformation is less than that of the step method, so this method is recommended for side wear of Changle Bridge pile foundation. After taking the sleeve valve tube grouting reinforcement, the feedback of the deformation monitoring shows that the deformation of Changle Bridge pile foundation is in the controllable range, and this method could guarantee the safety of Changle Bridge during metro construction, at the same time verify the rationality of the parameters for sleeve valve tube grouting. This research can provide a reference for similar projects.

metro tunnel; tunnelling construction; CRD method; FLAC3D simulation; pile foundation deformation

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.09.023

2016-03-04)