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        地鐵盾構(gòu)隧道側(cè)穿高鐵橋群樁設(shè)置隔離樁影響分析

        2021-06-01 11:25:40趙曉勇
        城市軌道交通研究 2021年5期
        關(guān)鍵詞:橋樁群樁盾構(gòu)

        趙曉勇

        (1. 中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 710043 西安;2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710043, 西安∥高級工程師)

        1 工程概況

        高鐵橋樁對沉降變形的要求非常高,地鐵盾構(gòu)施工會引起臨近土體的擾動,產(chǎn)生地層變形,在樁附近會引起樁側(cè)摩阻力的減小,甚至可能產(chǎn)生負(fù)摩阻力,進(jìn)而引起橋樁沉降、水平變形增大,因此,臨近高鐵橋樁施工風(fēng)險非常高。目前,分析隧道施工對周邊環(huán)境影響采取的方法主要有數(shù)值模擬和理論分析法。由于實(shí)際工程的復(fù)雜性,理論分析時一般需進(jìn)行理想簡化,計算跟實(shí)際工程差別較大。采用數(shù)值模擬方法可以依據(jù)實(shí)際工程建立模型,模擬實(shí)際開挖工況,研究臨近地鐵隧道的群樁沉降、水平變形等特征。

        某地鐵區(qū)間沿青峰路走行,采用盾構(gòu)法施工,線間距14.6~15.0 m,覆土深約10 m。受車站站位影響,區(qū)間隧道出車站后約34 m處,區(qū)間右線側(cè)穿蘭新高鐵倉房溝中路特大橋39號墩,距離最近樁基凈距約5.1 m;區(qū)間左線側(cè)穿40號墩,距離最近樁基凈距約2.6 m。高鐵橋與區(qū)間盾構(gòu)隧道關(guān)系如圖1所示。

        圖1 高鐵橋與地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道關(guān)系圖

        2 模型和地層參數(shù)

        2.1 模型建立

        區(qū)間盾構(gòu)隧道外徑6.2 m,鋼筋混凝土管片厚度0.35 m,盾構(gòu)頂覆土約10 m。側(cè)穿高鐵橋39、40號橋墩的群樁樁基,每處橋墩設(shè)置11根樁基,4+3+4布置形式,樁徑1.2 m,承臺尺寸12.6 m×8.4 m×3.5 m,位于地面下1.5 m。承臺長邊與盾構(gòu)隧道軸線夾角約35°,其中,39號墩樁長39 m,40號墩樁長40 m,均為鉆孔灌注樁,樁基設(shè)計為摩擦端承樁。

        在滿足計算要求的前提下,對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化。模型上側(cè)取至實(shí)際地表,下側(cè)取至樁基以下15 m,模型前后、左右兩側(cè)取至39、40號樁基兩側(cè)不小于10 m。最終模型尺寸為90 m×72 m×60 m,如圖2和圖3所示。

        橋墩、承臺材料選擇線彈性模型,樁基采用樁梁單元,盾構(gòu)管片采用板單元。土層為彈塑性模型,摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則。前后、左右邊界視為鏈桿支座,下邊界條件視為鉸支座。

        圖2 3D數(shù)值模型

        圖3 隧道與樁基承臺空間關(guān)系

        2.2 地層參數(shù)選取

        土體采用彈塑性模型,強(qiáng)度準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。土層中部分夾層,計算時適當(dāng)進(jìn)行簡化。根據(jù)詳細(xì)勘察報告,各土層參數(shù)如表1所示。

        2.3 模型施加荷載

        模型按土體自重施加重力荷載,以模擬隧道施工土體的初始應(yīng)力。39、40號橋墩及承臺均按照實(shí)際尺寸選取,考慮兩處橋墩上部結(jié)構(gòu)荷載,僅考慮其承受的豎向恒載標(biāo)準(zhǔn)值,橋墩頂施加荷載為:

        P=19 853 kN/20.64 m2=962 kPa

        3 計算分析

        模擬實(shí)際盾構(gòu)隧道開挖施工情況,先施工區(qū)間左線隧道,后施工區(qū)間右線。計算結(jié)果表明,橋樁、承臺受隧道施工的影響,40號承臺的最大沉降變形超過4 mm,不能滿足運(yùn)營期間高鐵橋的沉降變形要求??紤]到本橋上部結(jié)構(gòu)距離地面較高,橋下具備施工樁基條件,因此考慮采取設(shè)置隔離樁控制變形的措施。在其他條件相同情況下,分別對設(shè)置隔離樁和不設(shè)置隔離樁措施進(jìn)行計算,分析對橋墩和樁基的影響。

        表1 土層計算參數(shù)表

        隔離樁采用φ 600 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁,為考慮盡量減小隔離樁施工對既有高鐵橋樁的影響,鉆孔灌注樁距離盾構(gòu)隧道外側(cè)凈距為0.5 m,設(shè)置范圍為既有高鐵橋樁投影在隧道中線范圍內(nèi)兩側(cè)各1.5倍的盾構(gòu)直徑(39號墩距離個別樁基范圍較遠(yuǎn)時,取近側(cè)樁基)。隔離樁設(shè)置情況如圖4所示。

        圖4 隔離樁設(shè)置圖

        3.1 橋樁、承臺豎向沉降分析

        設(shè)置隔離樁后,樁基、橋墩和承臺最終豎向沉降云圖如圖5所示。

        為了研究施工過程對橋墩的影響,選取橋墩關(guān)鍵點(diǎn)位進(jìn)行分析,關(guān)鍵點(diǎn)位選擇如圖6所示。

        以下以距離隧道施工距離較近的40號橋墩為例,提取設(shè)置隔離樁前后的計算結(jié)果,分析盾構(gòu)施工期間其變形的影響,結(jié)果如圖7和圖8所示。

        由圖7可見,左、右線施工完成后,承臺范圍內(nèi)的位移為-4.30~+1.31 mm,墩頂中心位置最大變形為-1.64 mm。由于承臺和群樁基礎(chǔ)與隧道軸線存在夾角,盾構(gòu)施工過程中導(dǎo)致樁基和承臺產(chǎn)生不均勻沉降,墩頂最不利位置位移-2.4 mm。距離盾構(gòu)隧道近側(cè)的樁基和承臺位置變形大,遠(yuǎn)側(cè)變形小。由于承臺剛度比較大,在群樁效應(yīng)作用下,近隧道側(cè)樁基發(fā)生沉降,遠(yuǎn)離隧道側(cè)承臺則產(chǎn)生了一定的隆起變形。

        圖5 設(shè)置隔離樁后豎向沉降云圖

        圖6 關(guān)鍵點(diǎn)位圖

        圖7 不設(shè)隔離樁時40號墩關(guān)鍵點(diǎn)豎向位移

        由圖8可見,設(shè)置隔離樁后,承臺的沉降變形為-1.36~0.75 mm,墩頂中心位置最大沉降變形為-0.41 mm。樁基承臺沉降相比未設(shè)置隔離樁,變形減少了60%以上。設(shè)置隔離樁后,最終變形滿足控制要求,這也表明采取隔離樁措施對控制群樁基礎(chǔ)的變形效果非常明顯。

        圖8 設(shè)置隔離樁后40號墩關(guān)鍵點(diǎn)豎向位移

        3.2 橋樁水平變形分析

        取橋樁垂直于盾構(gòu)隧道軸線方向的豎向位移,計算結(jié)果如圖9和圖10所示。

        圖9 群樁水平變形云圖

        圖10 40號墩距離盾構(gòu)最近基樁的水平位移(A點(diǎn))

        由圖9可見,群樁中距離盾構(gòu)最近的基樁變形最大,距離越遠(yuǎn)的基樁變形越小,39號橋墩樁基(距離隧道6.2 m)比40號墩(距離隧道2.6 m)樁基,其水平變形普遍降低了32%以上,距離隧道直徑1.0D凈距時,盾構(gòu)隧道施工對群樁樁基的平均影響降低40%以上。因此,條件允許情況下,在方案設(shè)計時,應(yīng)盡可能增加盾構(gòu)隧道與群樁樁基的凈距。

        由圖10可見,未設(shè)置隔離樁時,基樁最大水平位移5.23 mm。設(shè)置隔離樁后,基樁最大水平位移3.16 mm。合理采取隔離樁措施,對高鐵橋樁起到了顯著的保護(hù)作用,使樁基最大水平位移降低了40%以上。

        群樁受承臺剛度及土體變形的影響,盾構(gòu)隧道施工過程中基樁變形最不利位置位于盾構(gòu)隧道中心部位附近,在盾構(gòu)隧道底部以上位置的基樁變形相對較大,以下影響普遍較小。因此,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注盾構(gòu)底部以上部位基樁變形。從兼顧經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā),采取土體改良加固措施時,應(yīng)重點(diǎn)針對盾構(gòu)底部以上部分土體。

        4 隔離樁設(shè)置范圍合理性分析

        為了研究隔離樁不同設(shè)置范圍、設(shè)置距離和樁長起到的保護(hù)效果,以優(yōu)化設(shè)計施工,達(dá)到安全、相對經(jīng)濟(jì)的效果,現(xiàn)對不同情況下設(shè)置隔離樁的效果進(jìn)行分別研究。

        4.1 隔離樁設(shè)置范圍不同的影響分析

        將高鐵橋群樁基礎(chǔ)垂直于隧道軸線投影,上文已經(jīng)計算了投影范圍以外1.5D時對橋樁的影響,為了研究不同隔離樁設(shè)置范圍的效果,進(jìn)行定量分析,將隔離樁設(shè)置范圍分別調(diào)整為1.0D、0.5D進(jìn)行計算,取較為典型的B點(diǎn)沉降變形為研究對象,計算結(jié)果如圖11所示。

        圖11 隔離樁不同設(shè)置范圍的影響分析

        由圖11可見,設(shè)置隔離樁后,隧道施工對橋樁的影響大大降低了。設(shè)置隔離樁范圍越大,高鐵橋受到的影響越小。隔離樁設(shè)置范圍從0.5D增大到1.0D,高鐵橋樁沉降變形相比減少了約31%。但是,橋樁設(shè)置范圍繼續(xù)增加到1.5D后,對橋樁的影響與1.0D相比基本穩(wěn)定,變化不大。說明當(dāng)隔離樁范圍增加到1.0D以上時,對橋樁的保護(hù)作用變得有限。因此,從控制高鐵群樁的變形角度來說,設(shè)置范圍取1.0D~1.5D是比較合理的,可以有效發(fā)揮隔離樁的作用,超出此范圍,則隔離樁起到的保護(hù)作用就比較有限,經(jīng)濟(jì)性差。

        4.2 隔離樁設(shè)置距離不同的影響分析

        盾構(gòu)隧道距離39號橋墩群樁基礎(chǔ)5.1 m,保持其他條件不變,將隔離樁距離隧道的距離設(shè)置為1.5 m、2.5 m、3.5 m,分別計算其對橋樁的影響,提取典型位置承臺角部F點(diǎn)的沉降變形為研究對象,計算結(jié)果如圖12所示。

        圖12 隔離樁不同設(shè)置距離的影響分析

        由圖12可見:不設(shè)隔離樁時,區(qū)間隧道施工對承臺產(chǎn)生的最大位移為-1.58 mm;設(shè)置隔離樁后,產(chǎn)生的最大位移降低至-0.69 mm,減少了56%以上。隔離樁設(shè)置距離隧道越遠(yuǎn),距離高鐵橋樁越近,隧道施工對高鐵橋樁產(chǎn)生的影響越大。所以,從設(shè)置隔離樁改善既有橋樁的變形考慮,在滿足施工需要時,隔離樁的設(shè)置應(yīng)盡量靠近施工隧道,這樣對既有高鐵橋基礎(chǔ)的影響就越小。

        4.3 隔離樁設(shè)置深度不同對橋樁影響分析

        為了確定合理的隔離樁深度,分別考慮將隔離樁深度由隧道底部以下1 m,調(diào)整為隧道底部以下3 m、5 m,以及樁底設(shè)在盾構(gòu)中心位置(隧道底部以上3.2 m),分別進(jìn)行計算,提取典型部位B點(diǎn)的沉降變形,計算結(jié)果如圖13所示。

        圖13 不同隔離樁長的計算結(jié)果

        由圖13可見,隔離樁設(shè)置越長,關(guān)鍵點(diǎn)位B點(diǎn)的變形越小。當(dāng)隔離樁深度設(shè)置在隧道中心位置時,對高鐵橋樁的保護(hù)作用變得有限,說明此時隔離樁長度欠缺,未起到有效的保護(hù)作用。當(dāng)設(shè)置在隧道底部以下1 m時,B點(diǎn)最大沉降變形為-1.36 mm,與設(shè)置在隧道中心處相比,沉降變形減少了65%以上。當(dāng)設(shè)置在隧道底以下3 m時,變形趨勢進(jìn)一步減小,B點(diǎn)最大沉降變形為-0.57 mm,與設(shè)置在隧道中心和底下1 m位置處相比,沉降變形分別減少59%和85%,隔離樁作用效果較為明顯。隔離樁繼續(xù)加長至底部以下5 m時,控制沉降變形減小作用非常有限。從減小對既有橋樁沉降變形效果看,隔離樁設(shè)置在隧道底以下1 m及以上可以起到較好的效果,同時,設(shè)置在隧道底部以下3 m以上時起到的效果變得有限,再繼續(xù)增加隔離樁長作用不大。因此,從工程效果和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮,隔離樁的合理深度應(yīng)在施工盾構(gòu)隧道底部以下1~3 m,不應(yīng)設(shè)置在隧道底部以上,以免起不到預(yù)期效果;也不宜超出隧道底部以下3 m,以免造成浪費(fèi)。

        5 結(jié)語

        本文結(jié)合工程實(shí)際,對地鐵盾構(gòu)隧道側(cè)穿高鐵橋群樁基礎(chǔ)的施工過程進(jìn)行了影響分析,在不滿足變形要求時,通過采取隔離樁措施可降低對群樁的影響。對不同隔離樁參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了對比分析,得到如下結(jié)論:

        1)當(dāng)承臺和群樁基礎(chǔ)與隧道軸線存在夾角時,樁基和承臺產(chǎn)生不均勻沉降,承臺剛度會影響群樁的變形。距離盾構(gòu)隧道近的基樁和承臺一般為沉降變形,遠(yuǎn)側(cè)由于群樁作用效應(yīng)和承臺剛度影響,可能會產(chǎn)生隆起變形,產(chǎn)生不均勻沉降。

        2)盾構(gòu)隧道施工過程中導(dǎo)致基樁變形最不利位置位于盾構(gòu)隧道底部以上部位,而在以下部位基樁變形普遍較小。因此,施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注隧道底部以上部位基樁變形。

        3)隔離樁最優(yōu)設(shè)置范圍為樁基垂直于隧道軸線投影范圍以外1.0D~1.5D(D為隧道直徑),樁基距離隧道距離遠(yuǎn)時取小值,距離近時取大值。隔離樁設(shè)置范圍為1.0D時,可將隔離樁的作用充分發(fā)揮出來,又較為經(jīng)濟(jì);增大至1.5D時,雖然也會進(jìn)一步減小其影響,但起到的作用相對較小。

        4)設(shè)置隔離樁距離隧道越近,距離高鐵橋樁越遠(yuǎn),隧道施工對高鐵橋樁產(chǎn)生的影響越小。因此,在滿足施工需要時,隔離樁的設(shè)置應(yīng)盡量靠近施工隧道。

        5)隔離樁設(shè)置深度宜取隧道底部以下1~3 m,效果最優(yōu)。隔離樁長度再增大,作用效果不明顯。隔離樁設(shè)置在隧道底以下1 m與設(shè)置在盾構(gòu)中心處相比,引起的橋墩承臺變形減少,效果明顯。

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