汪海波,吳 悅,徐才厚,楊永慶,盧文東,羅柯柯

(1.中鐵十局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司,廣東 廣州 511493;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 613000)

0 引言

近年來,我國城鎮(zhèn)化水平穩(wěn)步提升,地下空間開發(fā)利用尤其在軌道交通領(lǐng)域取得了長足發(fā)展。伴隨著地下軌道交通建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)張,穿越或近接諸如橋梁等既有結(jié)構(gòu)物的情形越來越常見[1-5]。在這種作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大、控制要求高的復(fù)雜環(huán)境中,如何有效保障施工安全與施工進(jìn)度,是一個(gè)頗具考驗(yàn)的工程問題。

針對(duì)這一問題,眾多學(xué)者開展了相關(guān)研究。丁智等[6]總結(jié)了橋樁與地鐵隧道的相互近接施工影響及保護(hù)措施;王國富等[7]為改善盾構(gòu)隧道近距離下穿高架橋加固效果,提出了框架、三軸攪拌樁及隔離墻主動(dòng)預(yù)支護(hù)技術(shù);奚曉廣等[8]從結(jié)構(gòu)變形傳遞角度闡述了盾構(gòu)超近距離穿越對(duì)高架橋墩的影響;郭現(xiàn)釗[9]通過理論分析與工程類比,介紹了區(qū)間隧道下穿施工引起的鐵路橋梁及承臺(tái)沉降情況;郭玉海等[10]借助數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn),得出了適用于下穿高架橋梁的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù);楊曉杰等[11]基于有限差分法,揭示了淺埋暗挖隧道近距離穿越基礎(chǔ)施工引起的樁基承載力變化規(guī)律。目前上述研究在盾構(gòu)近距穿越橋樁方面已取得了豐碩成果,但以砂泥巖地層雙線盾構(gòu)隧道為對(duì)象,分析其近接樁基施工優(yōu)化的研究仍較為罕見。

鑒于此,依托成都軌道交通13號(hào)線一期工程中間風(fēng)井—公園大道站區(qū)間,針對(duì)該區(qū)間長距離穿越砂泥巖地層且近距離側(cè)穿成昆鐵路貨運(yùn)專線橋,提出了一套相適應(yīng)的施工設(shè)計(jì)方案,并結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測,展開了有關(guān)隧道開挖順序與加固措施的優(yōu)化研究,驗(yàn)證了施工方案可行性,對(duì)類似雙線盾構(gòu)隧道近接橋樁工程具有實(shí)踐參考意義。

1 工程與地質(zhì)條件

1.1 區(qū)間側(cè)穿鐵路橋概況

成都軌道交通13號(hào)線一期工程三公區(qū)間中間風(fēng)井—公園大道站區(qū)間起于中間風(fēng)井,沿成龍大道北側(cè)下方鋪設(shè),穿過DN2 400排水管、繞城高速、成龍大道人行天橋、成龍大道橋、側(cè)穿成昆鐵路貨運(yùn)專線橋橋樁,下穿高壓燃?xì)夤芎筮M(jìn)入公園大道站。其中區(qū)間隧道通過成昆鐵路橋時(shí)為小間距施工,盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)大且橋墩沉降控制要求高,是本工程施工面臨的重難點(diǎn)之一。

成昆鐵路貨運(yùn)專線橋全長1 655.70m,主跨采用68m系桿拱跨越成龍路,采用雙線T形空心橋臺(tái)及基礎(chǔ)采用摩擦樁型基礎(chǔ)。1號(hào)墩橋樁長35m、樁徑為1.5m,2號(hào)墩橋樁長37m、樁徑為1.5m。隧道埋深約為11.6m,隧道距離鐵路橋樁最小凈距為6.56m,區(qū)間隧道與成昆鐵路貨運(yùn)專線橋相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道與成昆鐵路貨運(yùn)橋相對(duì)位置

1.2 砂泥巖地層風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)勘察報(bào)告顯示,區(qū)間隧道側(cè)穿成昆鐵路橋施工段的地層主要包括中風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖及中風(fēng)化砂巖。中風(fēng)化泥巖為極軟巖,層厚3.2～18.9m,是隧道盾構(gòu)施工的主要地層,該層屬弱透水層,在長期地質(zhì)作用下,泥巖軟化、崩解,局部沿泥巖結(jié)構(gòu)面發(fā)生差異風(fēng)化,形成泥巖軟弱夾層,在盾構(gòu)施工過程中易出現(xiàn)刀盤結(jié)餅現(xiàn)象,甚至引起開挖面失穩(wěn)坍塌;強(qiáng)風(fēng)化砂巖結(jié)構(gòu)破碎,層厚0.8～7.0m,具有遇水膨脹和失水開裂收縮的特性,但該層涵蓋較少,對(duì)隧道施工影響較小;中風(fēng)化砂巖均勻性及連續(xù)性較好,層厚4.5～16.8m,較堅(jiān)硬,部分處于隧道盾構(gòu)施工范圍,風(fēng)險(xiǎn)性相對(duì)較小。

2 施工設(shè)計(jì)方案

三公區(qū)間中間風(fēng)井—公園大道站區(qū)間隧道需長距離穿越砂泥巖地層,且近距離側(cè)穿成昆鐵路貨運(yùn)專線橋,施工難度大,施工工藝要求高。為保證該段工程成功實(shí)施,針對(duì)本工程風(fēng)險(xiǎn)源及地層特點(diǎn),采取以下技術(shù)措施。

1)合理選擇盾構(gòu)類型 ①基于成都地鐵施工經(jīng)驗(yàn),選用2臺(tái)盾構(gòu)機(jī),刀盤開口率均為34%,保證在對(duì)前方土體形成足夠支撐的前提下減小刀盤與砂泥巖間的摩擦;②刀盤刀具含有碳化鎢和二氧化鈷合金材料,切削軌跡部分重疊,有效切削砂泥巖質(zhì)渣土;③螺旋輸送機(jī)葉片及筒體堆焊安裝有鋼板襯塊,提高輸送機(jī)耐磨性;④盾構(gòu)機(jī)配備有泡沫系統(tǒng)、膨潤土系統(tǒng)和外循環(huán)水系統(tǒng)等碴土改良系統(tǒng),增強(qiáng)碴土流動(dòng)性。

2)靈活調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù) ①降低刀盤轉(zhuǎn)速,減輕與砂巖的碰撞沖擊,減小盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng);②適當(dāng)降低掘進(jìn)速度,保證良好的盾構(gòu)姿態(tài)與掘進(jìn)方向;③降低螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速,添加聚合物,減小砂巖對(duì)螺旋輸送機(jī)的磨損;④適當(dāng)加大同步注漿量,動(dòng)態(tài)及時(shí)二次補(bǔ)充注漿,控制橋樁沉降。

3)嚴(yán)格執(zhí)行穿越施工步驟 ①穿越前,利用地質(zhì)雷達(dá)地下勘探,掌握地下障礙物情況。管片姿態(tài)須調(diào)整到位,避免向上抬頭、蛇行擺動(dòng);②盾構(gòu)應(yīng)勻速、連續(xù)穿越橋區(qū),在穿越范圍內(nèi)不停機(jī);③合理控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù),保持開挖面的平衡與穩(wěn)定;④盾構(gòu)通過后及時(shí)注漿,注意注漿量與注漿壓力變化。

4)增設(shè)隔離樁(見圖2) 在成昆鐵路橋樁與區(qū)間雙線盾構(gòu)隧道間設(shè)置隔離樁隔斷地層沉降槽,隔離樁采用鉆孔灌注樁,直徑0.8m,樁間距1.4m,樁長度深入至區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)底板以下4m,距離隧道結(jié)構(gòu)約1.2m布置,在樁頂設(shè)寬0.8m、高0.8m冠梁,將所有灌注樁連為整體。隔離樁施作時(shí)加大樁體跳作間隔,減少對(duì)地層擾動(dòng)。

圖2 區(qū)間盾構(gòu)隧道側(cè)穿鐵路橋加固措施

5)沿洞周注漿加固(見圖2) 在管片上增設(shè)注漿孔、預(yù)埋注漿管,根據(jù)地質(zhì)及掘進(jìn)情況,選擇合適時(shí)機(jī)對(duì)左、右線隧道周邊一定范圍內(nèi)(上半斷面1m)地層進(jìn)行洞內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)注漿加固,及時(shí)填充盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層空隙或松散區(qū)域。漿液采用水泥漿液,注漿壓力≤0.5MPa。

6)加強(qiáng)監(jiān)控量測 盾構(gòu)穿越鐵路橋時(shí),必須實(shí)時(shí)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)與地面變形進(jìn)行監(jiān)控,并將量測數(shù)據(jù)及時(shí)反饋于現(xiàn)場施工,確保施工安全與工程順利推進(jìn)。

3 數(shù)值模擬

在數(shù)值模擬階段,采用有限差分軟件FLAC3D,基于以下各項(xiàng)假定建立雙線盾構(gòu)隧道-鐵路橋-地層三維數(shù)值模型。

1)為避免模型邊界效應(yīng)干擾,取模型長150m(x方向)、寬50m(y方向)、高55m(z方向)。其中隧道管片外徑8.3m、厚0.4m;鐵路橋0號(hào)墩含8根樁,1,2號(hào)橋墩含12根樁,樁基上設(shè)置有橋面板。樁基礎(chǔ)采用pile結(jié)構(gòu)單元,樁單元與周圍巖土間力學(xué)效應(yīng)由剪切彈簧及法向彈簧模擬[12]。整體數(shù)值模型如圖3所示,各結(jié)構(gòu)材料物理參數(shù)如表1所示。

表1 各結(jié)構(gòu)材料物理參數(shù)

圖3 三維數(shù)值模型(單位:m)

2)模型砂泥巖地層呈勻質(zhì)水平層狀分布,服從莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則,各巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3)模型上表面自由,四周均為法向邊界約束;荷載方面除自重外,在橋面板設(shè)置10kPa均布荷載。

4)模型中應(yīng)用fish循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)隧道開挖,模擬過程如下:先鈍化待開挖土體,再激活對(duì)應(yīng)位置盾殼單元,并激活盾尾處管片單元與注漿等代層單元,如此循環(huán)作業(yè)直至隧道側(cè)穿過鐵路橋樁基。

5)考慮到距隧道較遠(yuǎn)的2號(hào)墩受影響有限,模型僅在0,1號(hào)墩上設(shè)置特征監(jiān)測點(diǎn)(A～E),如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)布置

3.1 施工順序優(yōu)化

區(qū)間隧道左右線近距側(cè)穿鐵路橋樁基條件存在差異,采取不同施工順序會(huì)對(duì)周圍樁基礎(chǔ)產(chǎn)生不同疊加影響。基于數(shù)值模型的建立,改變區(qū)間雙線隧道開挖順序,得到左右線同時(shí)開挖、右線先開挖與左線先開挖時(shí)各監(jiān)測樁基x方向位移與y方向彎矩隨埋深變化曲線,分別如圖5,6所示。

圖5 樁基側(cè)向位移隨埋深變化

由圖5可知,位于兩隧道一側(cè)的0號(hào)墩A,B樁在管片注漿壓力與上覆土重力等影響下隨埋深逐漸向同側(cè)偏移。其中,先開挖右線隧道與雙線隧道同時(shí)開挖較先開挖左線隧道產(chǎn)生的變形量更小,這是因?yàn)?號(hào)墩距左線更近,左線先開挖時(shí)已形成初次較大擾動(dòng),右線再開挖時(shí)在周圍土體松散情況下更易加大樁基偏位程度。位于兩隧道間的1號(hào)墩C,E樁沿x方向位移隨埋深呈單峰型分布,最大擠壓位移產(chǎn)生在隧道中心所在附近深度,D樁則在兩側(cè)隧道開挖中側(cè)向變形相對(duì)較小。其中,對(duì)于靠近左線的C樁而言,先開挖右線隧道時(shí)最接近于樁基初始中心線位置;對(duì)于靠近右線的E樁而言,先開挖左線隧道時(shí)側(cè)向位移情況最優(yōu)。綜合本工程各樁基側(cè)向位移表現(xiàn),先開挖左線時(shí)樁基整體變形量最大,同時(shí)開挖與先開挖右線時(shí)樁基位移變化在施工中更易控制。

由圖6可知,左線先開挖、同時(shí)開挖、右線先開挖引起的A樁最大y方向彎矩依次減小,分別為177.72,118.13,111.4kN·m。B樁亦是右線先開挖時(shí)最優(yōu),最大彎矩相比于左線先開挖時(shí)減小約44.7%。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),兩隧道間樁基彎矩遠(yuǎn)大于在兩隧道一側(cè)樁基,但施工順序?qū)υ搮^(qū)域樁基彎矩影響較小,3種開挖順序下兩隧道間樁基彎矩分布規(guī)律一致且相對(duì)彎矩差距不大。

圖6 樁基彎矩隨埋深變化

3.2 加固措施比選

施工順序優(yōu)化分析表明,采用右線先行開挖時(shí)樁基受力變形最佳。為進(jìn)一步提高近接樁基施工時(shí)地層穩(wěn)定性,根據(jù)施工設(shè)計(jì)方案,建立壁后注漿、鉆孔灌注樁隔離、注漿+隔離樁3種加固工況,得到圖7所示各工況在右線先行開挖下的地表沉降。

圖7 地表沉降云圖

由圖7可知,采用注漿+隔離樁措施總體加固效果最好,地表沉降與地表隆起最大值較無加固工況分別減小了7.8%,8.6%。相比于采用單措施工況,綜合加固措施兼有注漿地層強(qiáng)化作用與隔離樁阻斷效應(yīng),不僅有效減小了雙線隧道穿越區(qū)段地表危險(xiǎn)沉降量、縮小了地表較大沉降范圍,還能改善雙線隧道中夾巖隆起現(xiàn)象。

4 現(xiàn)場實(shí)測

在現(xiàn)場施工中,基于數(shù)值模擬結(jié)果并考慮到工期經(jīng)濟(jì)性、場地制約要求等因素,中間風(fēng)井—公園大道站區(qū)間雙線盾構(gòu)隧道確定采用先右、后左開挖順序,并以注漿+隔離樁綜合方案加固。為監(jiān)控下穿施工時(shí)鐵路橋變化,在成昆鐵路貨運(yùn)專線橋墩頂處安裝壓差式靜力水準(zhǔn)儀與傾角儀(見圖8a,8b),分別進(jìn)行橋墩豎向位移與水平位移自動(dòng)監(jiān)測。當(dāng)自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)預(yù)警時(shí),采用L形棱鏡(見圖8c)對(duì)既有線鐵路橋墩位移進(jìn)行豎向、縱向、橫向人工監(jiān)測復(fù)核。各儀器監(jiān)測點(diǎn)平面布置如圖9所示。

圖8 現(xiàn)場測量儀器

圖9 測點(diǎn)平面布置

鑒于既有線鐵路屬于國家重點(diǎn)運(yùn)輸線路,參考TB 10314—2021《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》,本工程采用監(jiān)測控制基準(zhǔn)為:當(dāng)豎向位移靜態(tài)累計(jì)值為-4.8～1.8mm、水平位移靜態(tài)累計(jì)值為-4.2～4.2mm時(shí),判定處于安全狀態(tài)。按下穿期間每天12次,其余每天1～4次監(jiān)測頻率,匯總整體監(jiān)測數(shù)據(jù),得到表3所示橋墩各項(xiàng)位移最值結(jié)果。

表3 橋墩位移監(jiān)測結(jié)果

由表3可知,橋墩豎向位移與水平位移基本穩(wěn)定,未超過預(yù)警指標(biāo)且均<1mm。這表明區(qū)間隧道通過鐵路橋期間,鐵路處于安全狀態(tài),鐵路保護(hù)范圍內(nèi)施工作業(yè)未違規(guī),鐵路監(jiān)測設(shè)備未損壞。因此,針對(duì)本工程砂泥巖地層雙線盾構(gòu)隧道近距側(cè)穿鐵路橋樁基的施工設(shè)計(jì)方案可行有效。

5 結(jié)語

1)針對(duì)砂泥巖地層與近接橋樁風(fēng)險(xiǎn)性,結(jié)合工程實(shí)際,提出了關(guān)于盾構(gòu)選型、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、穿越施工加固與監(jiān)測等方面的建議與措施。

2)雙線隧道中,距離樁基更近的隧道先行開挖時(shí),對(duì)該樁基側(cè)向位移控制最不利,位于兩隧道一側(cè)的樁基彎矩亦受靠近隧道先行開挖的影響最大。兩隧道間樁基彎矩水平遠(yuǎn)大于兩側(cè)樁基,但施工順序?qū)υ搮^(qū)域樁基彎矩影響較小。本工程中先開挖右線時(shí)樁基結(jié)構(gòu)整體變形、應(yīng)力情況最優(yōu)。

3)注漿+隔離樁綜合加固措施適宜用于盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿橋樁工程,注漿強(qiáng)化作用與隔離樁阻斷效應(yīng)協(xié)同改善了地表危險(xiǎn)沉降值、地表較大沉降范圍與隧道間夾巖隆起現(xiàn)象。

4)現(xiàn)場監(jiān)測中橋墩豎向位移與水平位移基本穩(wěn)定,未超過預(yù)警指標(biāo)且均<1mm,表明工程施工設(shè)計(jì)方案實(shí)際控制效果良好。