徐毅夫 劉維正 譚博 王鋒 肖洪波 劉博

1.中建五局土木工程有限公司， 長(zhǎng)沙 410116； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410075

地鐵線路日益網(wǎng)絡(luò)化，規(guī)模不斷擴(kuò)大。由于城市建設(shè)中建筑用地有限，在既有構(gòu)筑物附近進(jìn)行高架橋樁基施工的情況愈發(fā)常見(jiàn)，樁基近接施工距離越來(lái)越近，對(duì)鄰近構(gòu)筑物的影響越來(lái)越突出。因此，預(yù)測(cè)樁基礎(chǔ)施工對(duì)鄰近構(gòu)筑物的影響，研究控制既有構(gòu)筑物變形的工程措施具有重要意義。

橋梁樁基與鄰近建（構(gòu)）筑物的相互影響可分為兩類：一類是新建建（構(gòu)）筑物對(duì)橋梁樁基的影響，另一類是新建橋梁樁基對(duì)既有建（構(gòu)）筑物的影響。

第一類問(wèn)題出現(xiàn)較早，研究也較多。文獻(xiàn)［1］分析盾構(gòu)隧道施工對(duì)樁基變形和承載力的影響，提出采用全方位高壓旋噴注漿工法加固樁基。文獻(xiàn)［2-3］結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)盾構(gòu)隧道下穿橋涵引起的地表變形、控制標(biāo)準(zhǔn)及施工對(duì)策進(jìn)行了全面研究。文獻(xiàn)［4］提出下穿樁群前試挖、超前小導(dǎo)管預(yù)加固地層、制定應(yīng)急措施、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)四項(xiàng)隧道下穿施工變形控制方法。文獻(xiàn)［5-6］通過(guò)數(shù)值模擬研究隧道穿越群樁基礎(chǔ)的樁基托換技術(shù)，探討橋梁結(jié)構(gòu)荷載傳遞機(jī)制。

對(duì)第二類問(wèn)題也有一些研究。文獻(xiàn)［7］結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬，分析基坑開挖對(duì)周圍土體、地上建筑和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形的影響。文獻(xiàn)［8］依據(jù)樁基與既有隧道的距離，對(duì)橋樁施工影響分區(qū)進(jìn)行了劃分。文獻(xiàn)［9］采用數(shù)值分析的方法研究了隧道埋深、水平凈距、樁基半徑等因素對(duì)樁基近接施工的影響。文獻(xiàn)［10］模擬了樁基施工全過(guò)程，分析了樁基近接對(duì)既有隧道位移和應(yīng)力的影響。文獻(xiàn)［11］針對(duì)鉆孔灌注樁施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及位移的影響，提出了隔離保護(hù)措施。文獻(xiàn)［12］對(duì)樁基荷載效應(yīng)和隧道縱向變形進(jìn)行研究，總結(jié)了隧道縱向變形的影響因素。

本文以新建長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線北延線上跨鐵路框架橋和芙蓉北路空心板橋的橋臺(tái)為工程背景，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析不同鉆孔順序和加固措施下樁基施工對(duì)既有框架橋和橋臺(tái)的影響，總結(jié)受力和變形規(guī)律，并提出相應(yīng)的加固保護(hù)措施。

1 工程概況

長(zhǎng)沙地鐵1 號(hào)線北延線青馮區(qū)間（青竹湖路站—馮蔡路站）采用高架橋形式沿芙蓉北路中央敷設(shè)。該路段芙蓉北路穿越既有繞城高速公路、石長(zhǎng)鐵路西北聯(lián)絡(luò)線和正線，形成立交體系。地鐵區(qū)間高架橋采用（55 + 85 + 49）m連續(xù)梁上跨既有公鐵立交，B19#承臺(tái)尺寸為6.7 m × 10.5 m × 3.0 m，下設(shè)6 根直徑1.8 m 鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)68.0 m，樁心距3.8 m。

鄰近的既有構(gòu)筑物由北往南分別為：芙蓉北路空心板橋的橋臺(tái)、西北聯(lián)絡(luò)線框架橋（跨度8.0 m）、正線框架橋（跨度15.5 m）。新建B19#橋墩承臺(tái)邊緣一側(cè)距橋臺(tái)最小距離約0.94 m，另一側(cè)距西北聯(lián)絡(luò)線框架橋最小距離為1.53 m，見(jiàn)圖1。其中：E1—E6 為既有橋臺(tái)的樁基。

圖1 B19#橋墩樁基與鄰近構(gòu)筑物位置關(guān)系

西北聯(lián)絡(luò)線框架橋的邊墻及頂板厚均為0.7 m，底板厚1.0 m，頂部覆土厚約0.5 m。正線框架橋邊墻厚0.9 m，頂板厚0.7 m，底板厚1.0 m。西北聯(lián)絡(luò)線框架橋和正線框架橋凈距為1.18 m。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立與參數(shù)選取

使用MIDAS/GTS 建立計(jì)算模型（圖2），新建B19#橋墩樁基采用鉆孔灌注樁，承臺(tái)現(xiàn)澆施工，樁基施工段自上而下主要穿越素填土、殘積砂質(zhì)黏土和全風(fēng)化花崗巖。

圖2 計(jì)算模型

既有樁基采用線彈性模型模擬，新建樁基采用實(shí)體單元模擬。既有樁基和新建樁基均采用C35 混凝土。樁土接觸單元采用無(wú)厚度的Goodman 單元模擬。新建B19#橋墩和承臺(tái)均采用C40 混凝土，框架橋采用C30混凝土。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.2 工況設(shè)計(jì)（見(jiàn)表2）

表2 不同工況的鉆孔順序和加固情況

2.3 測(cè)線和測(cè)點(diǎn)布置

緊靠樁基平行于橋臺(tái)布置地表沉降測(cè)線A-A'，在西北聯(lián)絡(luò)線框架橋靠樁基側(cè)布置框架橋縱向沉降測(cè)線B-B'，見(jiàn)圖1。另外，在橋臺(tái)上布置縱向沉降測(cè)線，在既有樁基上布置水平位移和彎矩測(cè)點(diǎn)。

2.4 模型驗(yàn)證

采用所建模型對(duì)文獻(xiàn)［13］中的類似工程地質(zhì)條件隧道水平位移進(jìn)行計(jì)算。隧道水平位移模擬計(jì)算值與文獻(xiàn)［13］實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 隧道水平位移模擬計(jì)算值與文獻(xiàn)［13］實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖3可知，模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合，說(shuō)明所建模型和參數(shù)選取合理。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地層沉降

從工況2 整體沉降圖中提取z向斷面，見(jiàn)圖4。可知，地層沉降大致呈U 形分布，向上延伸至地表。沉降大小與距樁基距離成反比。樁基附近地層沉降較大，地層最大沉降出現(xiàn)于樁基處，其值為23.8 mm。

圖4 工況2 z向斷面沉降

不同工況測(cè)線A-A'地表沉降曲線對(duì)比見(jiàn)圖5?？芍?，不同工況地表沉降均呈凹槽形，工況1、工況2、工況3 施工對(duì)土體的擾動(dòng)程度依次減弱，最大沉降分別為24.2、23.8、21.7 mm，工況4最大沉降13.2 mm。與未采取注漿加固措施的工況1、工況2、工況3 相比，工況4 地表最大沉降分別減少45.4%、44.5%、39.2%。這說(shuō)明跳樁法施工與注漿加固可有效減少地表沉降。

圖5 不同工況下地表沉降曲線

3.2 既有橋臺(tái)變形

不同工況下橋臺(tái)沉降曲線見(jiàn)圖6?？芍孩俨煌r均是橋臺(tái)中心（樁基施工處）沉降較大，兩側(cè)沉降較小，工況1—工況4樁基施工處與橋臺(tái)兩端最大差異沉降分別為7.2、6.9、6.3、3.5 mm。與工況3 相比，工況4 樁基施工處與橋臺(tái)兩端的最大差異沉降減少了44.4%。②工況1—工況4 橋臺(tái)最大沉降分別為12.26、11.30、10.12、5.21 mm。與工況3 相比，工況4橋臺(tái)最大沉降減少了48.5%。

圖6 不同工況橋臺(tái)縱向沉降曲線

3.3 既有樁基水平位移和受力

不同工況下既有樁基水平位移變化曲線見(jiàn)圖7。以橋臺(tái)中心為0 點(diǎn)，橫坐標(biāo)負(fù)值表示遠(yuǎn)離新建樁基方向?？芍煌r樁基水平位移均集中于橋樁上部10 m，最大水平位移出現(xiàn)在樁頂，遠(yuǎn)離新建樁基方向。既有樁基E3、E4 水平位移較大，最大達(dá)到6.42 mm。這是由于E3、E4 距新建橋墩樁基更近，受樁基施工影響大。加固后（工況4），既有樁基E3 水平位移最大值從工況3 的5.25 mm 降至3.59 mm，降幅31.6%。工況3 水平位移小于工況1 和工況2，說(shuō)明跳樁鉆孔對(duì)既有樁基的影響小于排式鉆孔和連續(xù)鉆孔。

圖7 不同工況下既有樁基水平位移變化曲線

不同工況下既有樁基彎矩變化曲線見(jiàn)圖8。其中：彎矩為正表示受拉，為負(fù)表示受壓。

圖8 不同工況下既有樁基彎矩變化曲線

由圖8 可知：①6 根既有樁基彎矩分布規(guī)律相似，隨埋深增大，均由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值。E3 彎矩最大，其值為535 kN·m，出現(xiàn)在埋深14 m 處。②工況3 中E3 最大彎矩略小于工況1和工況2。與工況3最大彎矩（492.4 kN·m）相比，工況4 最大彎矩（359.5 kN·m）減少了27.0%，說(shuō)明注漿加固能明顯減小既有樁基的彎矩。

3.4 框架橋的應(yīng)力和變形

不同工況下測(cè)線B-B'西北聯(lián)絡(luò)線框架橋縱向沉降曲線見(jiàn)圖9。可知：框架橋中部沉降較大，兩端沉降較小。工況1—工況4 框架橋中部和兩端最大差異沉降分別為5.0、4.9、4.7、3.2 mm。與工況3 相比，工況4 最大差異沉降減少了31.9%。工況1—工況4最大沉降分別為11.03、10.12、8.65、4.61 mm。與工況3相比，工況4最大沉降減少了46.7%。

圖9 不同工況下西北聯(lián)絡(luò)線框架橋縱向沉降曲線

工況2西北聯(lián)絡(luò)線框架橋和正線框架橋最大主應(yīng)力分布見(jiàn)圖10。其中：受拉為正，受壓為負(fù)?？梢钥闯?，最大拉應(yīng)力（3.54 MPa）出現(xiàn)于正線框架橋頂面，最大壓應(yīng)力（1.35 MPa）位于西北聯(lián)絡(luò)線框架橋的底面。

圖10 工況2框架橋最大主應(yīng)力分布

對(duì)于C30 鋼筋混凝土，需考慮混凝土的拉應(yīng)力及壓應(yīng)力。GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定混凝土拉、壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值分別為1.43、14.3 MPa。

不同工況下框架橋最大主應(yīng)力見(jiàn)表3。

表3 不同工況下框架橋最大主應(yīng)力

由表3可知：不采取加固措施的三種工況，最大拉應(yīng)力均超過(guò)規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)值。與工況3 相比，采取注漿加固措施的工況4 最大拉應(yīng)力減少64.4%，滿足規(guī)范要求，說(shuō)明注漿加固效果顯著。

4 變形控制措施和實(shí)施效果

4.1 變形控制措施

根據(jù)以上分析，實(shí)際施工時(shí)采取跳樁鉆孔和三項(xiàng)控制措施：①袖閥管注漿加固；②樁基反循環(huán)鉆進(jìn)成孔；③實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋。

1）袖閥管注漿加固

樁基施工前對(duì)樁基周邊土體注漿加固。注漿時(shí)注意控制注漿壓力，并對(duì)鐵路框架橋和公路橋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)異常立即停止施工。

設(shè)置A、B、C 三種注漿孔，注漿范圍為樁基邊緣以外不小于2.5 倍樁徑，A、B、C 三種注漿孔深度分別為18、8、18 m。袖閥管注漿采用DN50 型厚4 mm 的PVC（Polyvinyl Chloride）管，上設(shè)溢漿孔，溢漿孔環(huán)向間距30 cm，開孔數(shù)不小于4 孔。注漿孔呈梅花形布置，間距（排距×孔距）為1.0 m × 1.0 m。注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿。

2）樁基反循環(huán)鉆進(jìn)成孔

樁長(zhǎng)68 m，為避免塌孔樁基施工采用反循環(huán)鉆進(jìn)成孔，長(zhǎng)鋼護(hù)筒跟進(jìn)至砂質(zhì)黏土層。

主要施工步驟：

①清除雜物，設(shè)置泥漿沉淀池，用黏土、純堿添加劑等制作優(yōu)質(zhì)泥漿。

②測(cè)量放線，埋設(shè)護(hù)筒。護(hù)筒采用厚10 mm 的Q235A 鋼板卷制而成，護(hù)筒內(nèi)徑比鉆孔樁的樁徑大20 cm。

③鉆機(jī)就位及鉆孔。利用鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)造漿，造漿量為樁用混凝土體積的2倍。

④反循環(huán)清孔，注意保持孔內(nèi)水頭，防止坍孔。

⑤鋼筋籠制作和吊裝、灌注水下混凝土等。

⑥泥漿補(bǔ)充。鉆進(jìn)過(guò)程中若有泥漿損耗，應(yīng)予以補(bǔ)充。

3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)條件，采用徠卡自動(dòng)全站儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)TB 10314—2021《鄰近鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定，框架橋豎向位移預(yù)警值為±4.8 mm，控制值為±8.0 mm；橋臺(tái)水平位移預(yù)警值為±4.2 mm，控制值為±7 mm。

順鐵路方向在兩個(gè)框架橋內(nèi)部每5 m 布置1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共布置7 個(gè)斷面。西北聯(lián)絡(luò)線框架橋每個(gè)斷面布置框架橋變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)4 個(gè)、軌道變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 個(gè)，正線框架橋每個(gè)斷面布置框架橋變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)4 個(gè)、軌道變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)2個(gè)，見(jiàn)圖11。

圖11 監(jiān)測(cè)方案

4.2 實(shí)施效果

2023年4月13 日至5月18日新建B19#橋墩的樁基施工。為分析新建19#橋墩樁基施工對(duì)框架橋和芙蓉北路空心板橋橋臺(tái)位移的影響規(guī)律，取西北聯(lián)絡(luò)線框架橋斷面1、斷面4的8個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)（XB1-1—XB1-4、XB4-1—XB4-4）和橋臺(tái)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)（QT-1—QT-7）進(jìn)行分析?？蚣軜蚝蜆蚺_(tái)位移時(shí)程曲線見(jiàn)圖12。其中：水平位移為負(fù)表示背離新建樁基方向，為正表示朝向新建樁基方向。

圖12 框架橋和橋臺(tái)位移時(shí)程曲線

由圖12可知：①樁基施工前框架橋和橋臺(tái)位移較小，開始施工時(shí)位移逐漸增大?？蚣軜蚴紫嚷∑穑S著樁基施工逐漸沉降。最大沉降出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)XB1-3處，其值為-3.59 mm?？蚣軜蜇Q向位移在-3.59 ～1.18 mm變化，小于預(yù)警值，滿足變形控制要求。②橋臺(tái)水平位移最大值為-1.97 mm，出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)QT-2 處，橋臺(tái)水平位移在-1.97 ～ 1.52 mm，小于預(yù)警值，滿足變形控制要求。對(duì)于XB1-3 和QT-2 水平位移較大的測(cè)點(diǎn)需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)調(diào)整施工方案。

5 結(jié)論

本文以新建長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線北延線上跨鐵路框架橋和芙蓉北路空心板橋的橋臺(tái)為工程背景，通過(guò)模擬分析得到以下結(jié)論：

1） 樁基施工時(shí)，地層沉降、框架橋和橋臺(tái)最大沉降均出現(xiàn)于樁基施工處，地層沉降大致呈U 形，向上延伸至地表，沉降大小與距樁基距離成反比。未加固時(shí)框架橋和橋臺(tái)位移均超出限值。

2） 三種鉆孔順序中跳樁鉆孔對(duì)沉降變形的控制效果最好。跳樁鉆孔，比加固前相比，注漿加固后框架橋和橋臺(tái)的最大沉降分別減少了46.7%和48.5%，框架橋中部和兩端最大差異沉降減少了31.9%，樁基施工處和橋臺(tái)兩端最大差異沉降減少了44.4%。西北聯(lián)絡(luò)線框架橋最大拉應(yīng)力減少64.4%，框架橋和橋臺(tái)的安全性得到較大提高。

3） 樁基施工時(shí)采取袖閥管注漿加固、樁基反循環(huán)鉆進(jìn)成孔和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三種變形控制措施。經(jīng)監(jiān)測(cè)，框架橋豎向位移在-3.59 ～ 1.18 mm，橋臺(tái)水平位移在-1.97 ～ 1.52 mm，均小于預(yù)警值，滿足變形控制要求。