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        盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路橋梁樁基的加固措施

        2019-04-03 02:54:22蹇蘊(yùn)奇魯茜茜王先明
        鐵道建筑 2019年3期
        關(guān)鍵詞:右線鐵路橋梁盾構(gòu)

        陳 聰,蹇蘊(yùn)奇,魯茜茜,王先明

        (1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430030;2.2.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)

        近年來盾構(gòu)法施工廣泛用于城市地鐵建設(shè)中。為保證周圍既有結(jié)構(gòu)的安全,尤其是鐵路橋梁結(jié)構(gòu)物的安全,采取合理的變形控制措施至關(guān)重要。工程中一般通過優(yōu)化施工參數(shù)、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)防護(hù)、控制地層變形等方法進(jìn)行盾構(gòu)施工安全控制[1-2]。

        目前,針對不同工程采取的加固防護(hù)措施已有研究。文獻(xiàn)[3]通過數(shù)值模擬探究了盾構(gòu)下穿橋梁結(jié)構(gòu)對管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。文獻(xiàn)[4]利用ANSYS探究了不同地質(zhì)條件下樁基形式和樁隧凈距對樁體變形的影響。文獻(xiàn)[5]將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)相對比,證明了富水砂層盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)橋梁時(shí)地表注漿加固對變形的控制效果較好。文獻(xiàn)[6]應(yīng)用有限元軟件ANSYS,對未加固、加固樁基礎(chǔ)及加固隧道穿越地層3種 工況進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)加固隧道穿越地層對沉降的控制效果更好。文獻(xiàn)[7-8]通過數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測,對采取隔離樁措施的盾構(gòu)施工進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),采取隔離樁措施能有效地阻隔盾構(gòu)施工對既有樁基的影響,但是對橋梁變形的控制效果并不明顯。文獻(xiàn)[9]綜合考慮工程和水文地質(zhì)條件、上部荷載、施工參數(shù)等因素的影響,建立數(shù)值模型,對比了2種加固方案下地表沉降和樁身變形規(guī)律。文獻(xiàn)[10]從可行性、技術(shù)難易程度、工期、造價(jià)等方面,對砂卵石地層盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋梁加固方案進(jìn)行比選,建議采取樁基托換加固。

        從以往的研究可以看出,樁基土體注漿加固和防護(hù)隔離樁加固是實(shí)際工程采用較多的加固方式,值得研究。鑒于此,本文基于武漢地鐵3號線盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路橋梁樁基工程,采用三維數(shù)值模擬的方法,對結(jié)構(gòu)變形和地表沉降進(jìn)行分析,對比不同加固措施下既有結(jié)構(gòu)變形,以期為類似工程提供參考。

        1 工程概況

        武漢地鐵3號線新建二七路站—興業(yè)路站區(qū)間盾構(gòu)隧道與既有鐵路橋梁位置關(guān)系如圖1所示,盾構(gòu)隧道外徑6 m,內(nèi)徑5.4 m,管片幅寬1.5 m。下穿段位于武漢地區(qū)典型的長江Ⅰ級階地。施工時(shí)先掘進(jìn)右線,待右線貫通后再掘進(jìn)左線。受盾構(gòu)施工影響,既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降,危及線路正常運(yùn)營,需要采用控制措施緩解其沉降。

        圖1 新建二七路站—興業(yè)路站區(qū)間隧道與既有鐵路橋梁位置關(guān)系示意

        2 數(shù)值模擬

        2.1 模型的建立及參數(shù)的選取

        計(jì)算模型尺寸為71 m(長)×60 m(寬)×60 m(高)。模型左右兩側(cè)施加x方向約束,前后兩側(cè)施加z方向約束,底面施加y方向約束,頂面為自由面。三維數(shù)值模型見圖2。假定: ①地層水平層狀分布;②盾構(gòu)掘進(jìn)施工影響范圍為隧道外徑的3倍,即18 m;③管片壁后注漿過程中,將漿體與土層混合物簡化為均質(zhì)等厚的注漿層。

        圖2 三維數(shù)值模型

        在數(shù)值模擬過程中,土體進(jìn)入塑性狀態(tài)的判別準(zhǔn)則為Druker-Prager屈服準(zhǔn)則,橋梁、樁基等結(jié)構(gòu)物以及管片襯砌、注漿層等視作彈性體,地層及結(jié)構(gòu)物均采用實(shí)體單元模擬。

        管片制作材料采用C50鋼筋混凝土,彈性模量為34.5 GPa,考慮到管片之間接頭對結(jié)構(gòu)剛度的影響,將結(jié)構(gòu)剛度折減85%。地層及結(jié)構(gòu)物參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告確定,見表1。

        表1 地層及結(jié)構(gòu)物參數(shù)

        2.2 工況的設(shè)置

        圖3 橋基加固防護(hù)措施

        針對左右隧道中間的2號橋墩的承臺(tái)及樁基采取的加固措施進(jìn)行分析。隧道埋深15 m時(shí),左、右線隧道距2號橋墩的樁基凈距分別為4.2,5.6 m。取3個(gè)工況進(jìn)行模擬計(jì)算:①未加固;②對2號橋墩的承臺(tái)及樁基周邊2 m范圍內(nèi)土體進(jìn)行注漿加固,加固深度達(dá)隧道底部以下1 m,如圖3(a)所示;③對2號橋墩的承臺(tái)及樁基兩側(cè)采用單排隔離樁防護(hù),如圖3(b)所示,防護(hù)樁距隧道1 m,樁間隔1 m,沿隧道開挖方向分別超出承臺(tái)兩側(cè)各5 m,樁長至隧道底部以下3 m。

        2.3 計(jì)算結(jié)果分析

        2.3.1 地表沉降

        盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土體受到刀具的切削作用,從掌子面上剝離下來進(jìn)入土艙內(nèi)部,經(jīng)螺旋出土器排至機(jī)外。由此產(chǎn)生的地層損失,通過地層變形傳遞至地表,引起地表沉降。取橋梁中心線處斷面進(jìn)行觀測。地表沉降變化曲線見圖4??梢姡孩儆揖€掘進(jìn)完成時(shí)受2號橋墩承臺(tái)及樁基的影響,未加固時(shí)最大地表沉降位置相對于右線隧道中心線向右偏移;雙線貫通后地表沉降槽呈W形分布,未加固時(shí)2號橋墩周圍(距橋墩-5~5 m)最大地表沉降為2.431 mm;②采取加固措施后沉降槽特點(diǎn)與未加固時(shí)類似,雙線貫通后注漿加固、隔離樁防護(hù)最大地表沉降分別為11.477,11.275 mm,2號橋墩周圍最大地表沉降分別為0.955,0.612 mm。隔離樁防護(hù)對地層變形的控制效果更好。

        圖4 地表沉降變化曲線

        2.3.2 軌道豎向位移

        圖5 2條鋼軌在橋梁上的位置

        圖6 鋼軌1的豎向位移曲線

        盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,上部橋梁、軌道等結(jié)構(gòu)物的不均勻沉降通過下部樁基等結(jié)構(gòu)物進(jìn)行傳遞。考慮到橋梁結(jié)構(gòu)變形與軌道變形密切相關(guān),取橋梁上部鋼軌進(jìn)行觀測,2條鋼軌在橋梁上的位置如圖5所示,由于鋼軌1和鋼軌2沉降規(guī)律類似,故僅分析鋼軌1豎向位移曲線,見圖6??梢姡孩儆揖€掘進(jìn)完成時(shí)軌道最大豎向位移位于2號橋墩中心線左側(cè)約5 m處。②雙線貫通后未加固時(shí)軌道最大豎向位移為2.562 mm,注漿加固、隔離樁防護(hù)軌道最大豎向位移均比未加固時(shí)小,分別為0.889,0.715 mm。與注漿加固相比,隔離樁防護(hù)軌道最大豎向位移減小19.6%。與未加固時(shí)相比,采取加固措施后軌道豎向位移明顯減小,且隔離樁防護(hù)相比注漿加固對軌道豎向位移的控制效果更好。

        2.3.3 樁身位移

        在盾構(gòu)隧道近距離下穿樁基過程中,樁基對隧道施工產(chǎn)生的地層損失十分敏感。樁基不僅向上部結(jié)構(gòu)傳遞內(nèi)力及變形,自身也因地層擾動(dòng)存在著撓曲變形。

        2號橋墩下的各樁位置示意如圖7。在雙線掘進(jìn)過程中,考慮到2號樁與左線隧道距離更近,故以2號樁為例對樁身橫向、縱向和豎向位移進(jìn)行分析。

        圖7 各樁位置示意

        圖8 2號樁橫向位移曲線

        1)樁身橫向位移

        2號樁橫向(垂直于盾構(gòu)掘進(jìn)方向)位移曲線見圖8??梢姡孩儆揖€掘進(jìn)過程中,受盾尾注漿壓力的影響,2號樁于隧道中心線處(深15 m左右)產(chǎn)生遠(yuǎn)離右線隧道的橫向位移。同時(shí),隧道開挖引起的地層損失引起隧道拱頂及拱底土體向隧道內(nèi)移動(dòng),通過地層變形引起隧道以上及以下的部分樁體向右線隧道橫向移動(dòng)。②左線掘進(jìn)過程中,隧道中心線處2號樁橫向位移由遠(yuǎn)離右線隧道變?yōu)榭拷揖€隧道。雙線貫通后未加固時(shí)2號樁最大橫向位移0.995 mm,注漿加固、隔離樁防護(hù)2號樁最大橫向位移分別減小至0.859,0.418 mm。

        2)樁身縱向位移

        2號樁縱向(沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向)位移曲線見圖9??梢姡孩僭谟揖€掘進(jìn)過程中2號樁產(chǎn)生縱向位移,左線掘進(jìn)過程中樁縱向位移顯著增大。②雙線貫通后樁身縱向位移與右線掘進(jìn)完成時(shí)變化規(guī)律一致。各工況下2號樁縱向位移在樁頂差異較大,未加固時(shí)2號樁樁頂最大縱向位移為0.997 mm,注漿加固、隔離樁防護(hù)2號樁樁頂最大縱向位移分別減至0.889,0.562 mm。與未加固時(shí)相比,采取加固措施后樁縱向位移顯著減小,隔離樁防護(hù)相比注漿加固對樁縱向位移的控制效果更明顯。

        圖9 2號樁縱向位移曲線

        3)樁身豎向位移

        雙線貫通后在3種工況下的最大豎向位移均出現(xiàn)在樁頂位置。3種工況最大豎向位移對比見表2。

        表2 3種工況最大豎向位移對比 mm

        由表2可見:①雙線貫通后未加固時(shí)2號樁樁身最大豎向位移為2.649 mm,注漿加固、隔離樁防護(hù)2號 樁樁身最大豎向位移分別減至0.927,0.739 mm;②采取加固措施后樁身豎向位移顯著減小,并且隔離樁防護(hù)相對于注漿加固對豎向位移的控制效果更明顯。

        3 結(jié)論

        為保證盾構(gòu)掘進(jìn)過程中既有鐵路橋梁的安全運(yùn)營,采用有限元軟件ANSYS對不同加固措施進(jìn)行模擬分析,得出以下結(jié)論:

        1)在盾構(gòu)掘進(jìn)之前,對樁基采取合理加固措施可有效減緩隧道施工過程中地層擾動(dòng)對既有結(jié)構(gòu)的影響,對緩解結(jié)構(gòu)物變形、保證既有線路的運(yùn)營安全具有重要意義。

        2)2種加固措施均能滿足既有結(jié)構(gòu)物沉降控制要求。與注漿加固相比,隔離樁防護(hù)對地層變形的控制效果更明顯。在此前提下,可綜合考慮工程量、工程造價(jià)等因素,根據(jù)實(shí)際情況合理選用。

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