隔離樁及盾構(gòu)近接施工對(duì)高鐵樁基的影響分析

李 雪，周順華，王培鑫，李曉龍

（1. 同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2 .上海東華地方鐵路開(kāi)發(fā)有限公司，上海 200071）

1 引 言

近年來(lái)城市軌道交通等地下空間的開(kāi)發(fā)所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題受到廣泛關(guān)注，其中盾構(gòu)近距離穿越高鐵樁基等問(wèn)題尤為突出。杭州、南京、無(wú)錫等地區(qū)地鐵施工都面臨盾構(gòu)超近距離側(cè)穿高鐵樁基的案例，而高速鐵路對(duì)變形控制非常之嚴(yán)格，地鐵盾構(gòu)超近接高鐵樁基施工將改變其周?chē)馏w應(yīng)力狀態(tài)，使高鐵樁基發(fā)生變形和變位，直接影響高速鐵路列車(chē)的使用功能和運(yùn)行安全，因此有必要采取隔離措施進(jìn)行加固。關(guān)于盾構(gòu)超近距離近接高鐵樁基的工程經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，對(duì)于采用何種保護(hù)措施、施工過(guò)程及效果如何尚缺乏可靠的資料和認(rèn)識(shí)，此類(lèi)問(wèn)題還處于探索階段。

盾構(gòu)近接樁基方面已有部分研究成果。張志強(qiáng)等[1－2]對(duì)地鐵近接橋梁樁基及建筑物樁基的影響采用數(shù)值分析方法，得出盾構(gòu)近接樁基施工將會(huì)導(dǎo)致靠近樁側(cè)盾構(gòu)彎矩和變形有增大趨勢(shì)。吳波等[3]通過(guò)三維數(shù)值分析的方法對(duì)地鐵施工近鄰樁基加固效果分析得出，通過(guò)支撐減載以及在短樁底部注漿加固不能明顯減少施工造成的橋基沉降。總之采用數(shù)值分析方法能夠得出隔離樁加固前后樁基的影響程度[4－8]，對(duì)隔離樁的施工過(guò)程難以模擬，而現(xiàn)階段隔離樁施工對(duì)高鐵樁基的影響現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)也較缺乏，此類(lèi)分析鮮見(jiàn)文獻(xiàn)。本文結(jié)合杭州地鐵1號(hào)線盾構(gòu)近接高鐵樁基的一個(gè)典型工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，分析了高鐵旁側(cè)鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁及盾構(gòu)上下行線施工高鐵樁基的變形、變位數(shù)據(jù)及規(guī)律，得出一些有意義的結(jié)論，可為高鐵樁基周邊該類(lèi)隔離樁施工行為的理論研究提供參考。

2 工程概況

杭州地鐵號(hào)線下穿高鐵余杭南站是國(guó)內(nèi)首例地鐵近接穿越運(yùn)營(yíng)高鐵樁基的工程。土壓平衡盾構(gòu)近距離側(cè)穿滬杭高鐵余杭南站工點(diǎn)下穿段長(zhǎng)45 m、隧道與高鐵斜交的交角約 62°，盾構(gòu)隧道外緣與滬杭高鐵樁基最小凈距為5.19 m，同時(shí)高鐵樁基承臺(tái)與盾構(gòu)隧道端頭井最小凈距為 3.62 m，平面及縱斷面如圖1、2所示。

下穿段盾構(gòu)隧道埋深11.7 m，管片外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，寬1.2 m，厚0.35 m。線路平面上位于直線段與半徑為 450 m圓曲線過(guò)渡的緩和曲線上；線路縱坡坡度為 2‰。下穿段盾構(gòu)主要穿越土層為③2粉砂層、③5砂質(zhì)粉土，土層含水率26%左右，飽和度高達(dá)93%，內(nèi)摩擦角33°，滲透系數(shù)10-4～10-5cm/s，相應(yīng)土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。下穿段高架橋上設(shè)2條正線、2條站線及2座站臺(tái)；下部橋梁及基礎(chǔ)承臺(tái)獨(dú)立。沿垂直于高鐵縱向正線下方橋墩長(zhǎng)8.5 m，寬3.5 m，高9.5 m。承臺(tái)長(zhǎng)10.38 m，寬9.3 m，高3.5 m。站線下方承臺(tái)長(zhǎng)14.3 m，寬9.3 m，高3.5 m。承臺(tái)頂面在地面以下約0.5 m。橋梁基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，通長(zhǎng)配筋，直徑為 1.5 m，正線下方樁長(zhǎng)69.5 m，站線下方樁長(zhǎng)71.5 m，均為摩擦樁，正線和兩側(cè)站線鉆孔樁數(shù)量分別為8根和12根。采用鉆孔灌注樁與高壓旋噴樁雙樁組合隔斷結(jié)構(gòu)來(lái)隔斷盾構(gòu)施工位移和運(yùn)營(yíng)期振動(dòng)的試驗(yàn)方案，鉆孔灌注樁樁徑為0.8 m，樁長(zhǎng)約17 m，中心間距為0.9 m。旋噴樁樁徑為1.0 m，樁長(zhǎng)約16 m，咬合0.4 m，鉆孔樁緊靠旋噴樁組合施作。左側(cè)雙樁隔斷范圍下至站臺(tái)2邊緣外3.8 m，上至盾構(gòu)端頭井加固區(qū)，加固長(zhǎng)度約62 m，右側(cè)雙樁隔斷范圍下至站臺(tái)2邊緣外3.3 m，上至盾構(gòu)端頭井加固區(qū)，加固長(zhǎng)度約45 m。隔離樁采用跳樁法施工，其平面與縱斷面見(jiàn)圖1、2。

圖1 地鐵盾構(gòu)隧道與高鐵樁基平面圖（單位：mm）Fig.1 Layout of shield tunnel and pile foundation(unit: mm)

圖2 地鐵盾構(gòu)隧道與高鐵樁基橫斷面圖（單位：m）Fig.2 Transverse section of shield tunnel and pile foundation(unit:m)

表1 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physico-mechanical indexes of soils

3 隔離樁盾構(gòu)施工過(guò)程及試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 隔離樁及盾構(gòu)施工

考慮到隔離樁及盾構(gòu)施工均會(huì)影響到高鐵樁基的空間位置，對(duì)隔離樁及盾構(gòu)施工相對(duì)應(yīng)時(shí)間段進(jìn)行描述，見(jiàn)表2。

表2 隔離樁及盾構(gòu)施工相應(yīng)時(shí)間Table 2 Construction time of isolation piles and shield tunnel

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)內(nèi)容

為了分析隔離樁及盾構(gòu)施工對(duì)高鐵樁基的影響，在高鐵橋墩側(cè)布置一系列豎向變形測(cè)點(diǎn)及水平變形測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)豎向沉降采用天寶DiNi03電子水準(zhǔn)儀，每公里往返水準(zhǔn)觀測(cè)精度為0.3 mm。水平位移采用索佳NET05系列全站儀測(cè)量，測(cè)點(diǎn)位置設(shè)置棱鏡，通過(guò)坐標(biāo)法測(cè)量，測(cè)角精度為0.5″，可以時(shí)刻監(jiān)控盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中的橋梁變形，豎向測(cè)點(diǎn)及水平變形布點(diǎn)平面如圖3所示。測(cè)點(diǎn)（僅標(biāo)注3#、4#墩測(cè)點(diǎn)）均布置在橋墩側(cè)面。

圖3 穿越段段變形測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of deformation measuring points

4 隔離樁及盾構(gòu)施工對(duì)樁基的影響

4.1 隔離樁及盾構(gòu)施工對(duì)橋墩豎向變形的影響

以盾構(gòu)隧道左右線距離高鐵樁基最近的3#、4#墩為例，圖4為隔離樁及盾構(gòu)施工過(guò)程中3#墩測(cè)點(diǎn)C14、C15的豎向變形發(fā)展歷程。

圖4 3#墩豎向變形時(shí)程曲線Fig.4 Vertical deformation of pier #3 vs. time

工況 1：東側(cè)鉆孔灌注樁施工，位移發(fā)展由平緩波動(dòng)段和下降段組成，平緩段在±0.2 mm范圍內(nèi)波動(dòng)，下降段最大變化量達(dá)到 1 mm。平緩段的主要原因是鉆孔灌注樁從遠(yuǎn)離3#橋墩的位置施工，先期影響較小，鉆孔灌注樁施工時(shí)，孔壁坍塌或縮頸極易使周邊土體發(fā)生位移及變形[9－10]，當(dāng)鉆孔灌注樁施工接近3#橋墩時(shí)，導(dǎo)致3#墩高鐵樁基周邊土體卸載，應(yīng)力釋放，3#墩有比較明顯下降趨勢(shì)。工況2：東側(cè)高壓旋噴樁施工，位移發(fā)展趨勢(shì)主要為上升階段，主要原因?yàn)楦邏盒龂姌妒┕み^(guò)程中，對(duì)土體沖切和攪拌的同時(shí)，還對(duì)高鐵樁基造成擠壓，尤其在飽和砂土中更為明顯[11－12]，迫使高鐵橋墩有隆起趨勢(shì)。從量測(cè)結(jié)果可以看出，高壓旋噴樁施工完一段時(shí)間，橋墩豎向位移還表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，但速率明顯比旋噴樁施工要小，說(shuō)明高壓旋噴樁使土體產(chǎn)生擠壓作用并不是剛施工完成就結(jié)束，高壓旋噴樁施工完成后固化還在繼續(xù)，持續(xù)時(shí)間為21 d左右。工況3：右線盾構(gòu)穿越階段，右線距離3號(hào)橋墩下樁基最近僅距離5.19 m，盾構(gòu)穿越過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)C15沉降量達(dá)到 1 mm，且盾構(gòu)穿越后沉降量影響時(shí)間較長(zhǎng)，持續(xù)約12 d，原因?yàn)槎軜?gòu)開(kāi)挖掌子面土體擾動(dòng)，盾殼脫出盾尾后，盾尾空隙不能被立即填充，同步注漿漿液初凝時(shí)間較長(zhǎng)所致。工況 4：左線盾構(gòu)穿越階段，左線盾構(gòu)距離3號(hào)橋墩距離較遠(yuǎn)，穿越對(duì)豎向變形有一定影響但值較小。圖5描述了隔離樁及盾構(gòu)施工過(guò)程中4號(hào)墩測(cè)點(diǎn)C16、C17的豎向變形發(fā)展歷程。

圖5 4#墩豎向變形圖時(shí)程曲線Fig.5 Vertical deformation of pier #4 vs. time

工況 1：西側(cè)鉆孔灌注樁施工，變形過(guò)程分為平緩段及下降段。鉆孔灌注樁施工4號(hào)墩豎向變形先經(jīng)歷小幅度上升段然后經(jīng)歷明顯下降段，最大量達(dá)到1 mm。該階段豎向位移最大變形量達(dá)1.4 mm。下降段由于鉆孔灌注樁施工，鉆孔樁周邊土體卸載，圍壓降低，土體應(yīng)力釋放，導(dǎo)致沉降發(fā)生。工況2：西側(cè)高壓旋噴樁施工，變形過(guò)程主要為上升段，由于旋噴樁施工工藝的特殊性，對(duì)周邊土體沖切和攪拌的同時(shí)，還對(duì)臨近樁基造成擠壓，橋墩產(chǎn)生隆起。工況3：右線盾構(gòu)穿越，右線盾構(gòu)距離4號(hào)橋墩相對(duì)較遠(yuǎn)，穿越過(guò)程中變化幅度不大。工況 4：左線盾構(gòu)穿越，左線盾構(gòu)外側(cè)距離4號(hào)橋墩下樁基最近僅為6.16 m，施工對(duì)其有一定影響，掘進(jìn)過(guò)程中最大隆起量達(dá)0.8 mm，最大沉降量為0.8 mm，變化量達(dá)到1.6 mm。為更好地說(shuō)明各個(gè)施工階段位移變化量情況，對(duì)各施工階段引起的豎向變形情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表3。

綜合3#、4#橋墩豎向變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出，鉆孔灌注樁近距離施工對(duì)高鐵橋墩沉降影響較大，占施工過(guò)程最大變形量百分比，最小值約75%，最大值達(dá)到 125%，說(shuō)明鉆孔灌注樁施工對(duì)橋墩的豎向沉降變形影響不可忽略。高壓旋噴樁近距離施工使高鐵橋墩產(chǎn)生隆起變形，隆起變形時(shí)間持續(xù)時(shí)間相對(duì)較久一些，占施工過(guò)程最大變形量約-40%左右。盾構(gòu)施工使高鐵橋墩豎向變形產(chǎn)生沉降，距離橋墩越近影響越嚴(yán)重，距離橋墩較遠(yuǎn)影響也相對(duì)減小，同時(shí)對(duì)高鐵橋墩的豎向變形影響也跟盾構(gòu)掘進(jìn)控制有很大關(guān)系，右線（先推）施工控制較平穩(wěn)，3#、4#橋墩影響都較小。左線施工掘進(jìn)速度過(guò)快，施工參數(shù)控制不嚴(yán)格，導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)橋墩影響較大，最大值占施工過(guò)程最大變形量的 150%，因此掘進(jìn)過(guò)程中有效控制盾構(gòu)姿態(tài)，勻速推進(jìn)對(duì)減小周邊地層擾動(dòng)具有很大意義。從3#、4#橋墩累計(jì)變形看，整體都呈現(xiàn)微微隆起現(xiàn)象，量值都在 0.4 mm以?xún)?nèi)，說(shuō)明采用隔離樁施工，有效控制盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程，能起到很好的隔離效果。

4.2 隔離樁及盾構(gòu)施工對(duì)橋墩水平變形的影響

水平變形“正值”代表向加固區(qū)方向，“負(fù)值”代表背離加固區(qū)方向。從圖6、7可以看出，加固區(qū)隔離樁施工整體對(duì)橋墩水平變形有一定的影響，其中4#墩水平位移整體向著加固區(qū)，累計(jì)最大值為0.5 mm，盾構(gòu)穿越階段，4#墩測(cè)點(diǎn)A14整體向著加固區(qū)移動(dòng)，而A13測(cè)點(diǎn)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 各施工階段引起的豎向變形統(tǒng)計(jì)Table 3 Vertical deformations compared with different construction stages

圖6 3#墩水平變形時(shí)程曲線Fig.6 Horizontal deformations of pier #3 vs. time

圖7 4#墩水平變形時(shí)程曲線Fig.7 Horizontal deformations of pier #4 vs. time

整體來(lái)看，隔離樁施工使高鐵橋墩向著加固區(qū)方向移動(dòng)，原因可能是隔離樁施工使側(cè)向土體卸載，土壓力減小所致。盾構(gòu)施工由于有了隔離樁的作用，整體變形比較小，最大值不超過(guò)0.7 mm。

5 結(jié) 論

（1）鉆孔灌注樁近接高鐵樁基施工，由于周邊土體卸載，應(yīng)力釋放緣故，導(dǎo)致高鐵橋墩產(chǎn)生豎向沉降，鉆孔灌注樁施工引起的橋墩豎向沉降不可忽略，占施工過(guò)程最大沉降量的75%～125%。

（2）高壓旋噴樁近接高鐵樁基施工，施工過(guò)程對(duì)土體沖切和攪拌作用，使周邊土體產(chǎn)生擠壓效應(yīng)，導(dǎo)致橋墩豎向方向發(fā)生隆起變形，并且在施工完成后還將持續(xù)一段時(shí)間，其隆起量約占施工過(guò)程最大變形量約50%。

（3）盾構(gòu)近接高鐵樁基施工，相同條件下距離高鐵樁基越近對(duì)其影響越大，反之影響越小，同時(shí)盾構(gòu)近接高鐵樁基影響對(duì)其盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的有效控制較為敏感。

[1] 張志強(qiáng), 何川. 深圳地鐵隧道鄰接樁基施工力學(xué)行為研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2003, 25(2): 204－207.ZHANG Zhi-qiang，HE Chuan. Study on the mechanical behaviour of a metro tunnel construction adjacent to existing pile foundations in Shenzhen[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2003, 25(2): 204－207.

[2] 張志強(qiáng), 何川. 地鐵盾構(gòu)隧道近接樁基的施工力學(xué)行為研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2003, 25(1): 92－95.ZHANG Zhi-qiang，HE Chuan. Research on mechanics behaviour of a shield tunnel construction in metro adjacent to existing pile foundation[J]. Journal of the China Railway Society, 2003, 25(1): 92－95.

[3] 吳波, 劉維寧, 索曉明, 等. 地鐵施工近鄰橋基加固效果三維數(shù)值分析[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2005, 22(5):48－52.WU Bo，LIU Wei-ning，SUO Xiao-ming，SHI Yu-xin,et al. Research on the reinforcing effect of adjacent short pile bridge foundation in metro station construction[J].Journal of Railway Engineering Society, 2005, 22(5):48－52.

[4] 李永盛, 黃海鷹. 盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)相鄰樁體力學(xué)影響的實(shí)用計(jì)算方法[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào), 1997, 25(3): 274－277.LI Yong-sheng, HUANG Hai-ying. Computation of mechanical effects on adjacent piles by shield excavation[J]. Journal of Tongji University, 1997, 25(3):274－277.

[5] 呂培林, 周順華. 軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規(guī)律分析[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué), 2007, 28(2):12－16.LU Pei-lin, ZHOU Shun-hua. Analysis on upper rail settlement in soft ground resulting from shield tunnelling across main rail line[J]. China Railway Science, 2007,28(2): 12－16.

[6] 于寧, 朱合華. 盾構(gòu)施工仿真及其相鄰影響的數(shù)值分析[J]. 巖土力學(xué), 2004, 25(2): 293－296.YU Ning, ZHU He-hua. The simulation of shield tunnel construction and analysis of its influence upon surrounding environments[J]. Rock and Soil Mechanics，2004, 25(2): 293－296.

[7] 孫玉永, 周順華, 宮全美, 等. 軟土地區(qū)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的深層位移場(chǎng)分布規(guī)律[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009,28(3): 500－506.SUN Yun-yong，ZHOU Shun-hua，GONG Quan-mei，et al. Distribution of deep displacement field during shield tunneling in soft-soil areas[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(3): 500－506.

[8] 朱逢斌, 楊平, ONG C W. 盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基影響數(shù)值分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2008, 30(2): 299－302.ZHU Feng-bin，YANG Ping, ONG C W. Numerical analysis on influence of shield tunnel excavation to neighboring piles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(2): 299－302.

[9] 黃大維, 周順華, 劉重慶, 等. 護(hù)壁套管鉆孔灌注樁微擾動(dòng)施工分析[J]. 巖土力學(xué), 2013, 34(4): 1103－1108.HUANG Da-wei, ZHOU Shun-hua, LIU Chong-qing,et al. Analysis of disturbing construction of protective jacket tube for cast-in-situ bored pile[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(4): 1103－1108.

[10] 楊曉杰, 鄧飛皇, 聶雯, 等. 地鐵隧道近距穿越施工對(duì)樁基承載力的影響研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006,25(6): 1290－1295.YANG Xiao-jie，DENG Fei-huang，NIE Wen，et al. Study on effect of metro tunneling on carrying capacity of pile foundation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006, 25(6): 1290－1295.

[11] 汪益敏, 張尤其. 高壓旋噴樁施工對(duì)管樁基礎(chǔ)影響的試驗(yàn)研究[J]. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 47(增刊): 160－173.WANG Yi-min，ZHANG You-qi. Experiments on effect of jet grouting on pipe pile foundation[J]. Journal of Lanzhou University(Natural Sciences), 2011, 47(Supp.):160－173.

[12] WONG I H, POH T Y. Effects of jet grouting on adjacent ground and structures[J]. Geotechnical and Geo- environmental Engineering, 2000, 126: 244－256.