地鐵隧道臨近既有線高架橋樁施工影響分析

北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司 申齊豪

1、工程概況

北京地鐵某區(qū)間線路右起訖里程為YK10+574.35～YK11+249.75，軌頂埋深為23.55m～24.65m，區(qū)間采用礦山法施工，區(qū)間斷面主要為單線單洞馬蹄形隧道、岔線區(qū)為雙線或三線單洞馬蹄形大斷面隧道，左右線線間距約15～17m，區(qū)間在一交叉路口下方（里程左K11+217.54處）沿東西向側(cè)穿既有高架線的橋樁，既有高架區(qū)間南北方向敷設(shè)。

新建區(qū)間隧道左線結(jié)構(gòu)外皮距離既有橋樁凈距為3.5m，右線隧道結(jié)構(gòu)外皮距離既有橋樁凈距為3.889m。穿越段線間距為17m，該處區(qū)間隧道埋深為12.85m，區(qū)間隧道線路軌頂標高24.377，底板底標高23.107，結(jié)構(gòu)底距離橋樁樁底距離為13.4m，基本位于橋樁中間的位置。穿越橋樁段區(qū)間隧道采用標準單線單洞馬蹄形斷面。如圖1、2所示。

新建區(qū)間左線臨近北側(cè)的12-2號橋樁；區(qū)間右線臨近南側(cè)的12-1號橋樁。兩處橋樁采用C25鋼筋混凝土橋臺，承臺長度5m、寬度5m、高度2m。每個承臺下均設(shè)四根橋樁，橋樁為C25鉆孔灌注樁，直徑為1000mm，長度為30米，橋樁間距3m。承臺以上為C30鋼筋混凝土墩柱，墩柱頂寬3.6m，底寬2.2m，整個墩柱高7m。墩柱以上為C45預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁，箱梁頂寬度8.6m。

該處橋樁樁底標高為9.705，橋樁主要穿越土層為：①1雜填土層；②粉土填土層；③粉土層；④1粉質(zhì)粘土層；⑤2粉土層；⑥3粉細砂；⑦2中粉土層；⑧粉質(zhì)粘土層；⑨2粉質(zhì)粘土層。

2、工程地質(zhì)

本工程場地勘探范圍內(nèi)的土層劃分為人工填土層（Qml）、第四紀全新世沖洪積層（Q41al+pl）、第四紀晚更新世沖洪積層（Q3al+pl ）三大層。本場區(qū)按地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)進一步分為9個大層。各層土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3、風(fēng)險保護措施

圖1 區(qū)間隧道與鄰近橋基位置關(guān)系

圖2 新建區(qū)間隧道與既有線橋樁平剖面關(guān)系圖

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

為保證區(qū)間隧道側(cè)穿既有橋樁施工安全，對側(cè)穿段區(qū)間進行全斷面注漿，左線全斷面注漿里程范圍為：左K11+174.208～左K11+249.75，長75.542m，區(qū)間隧道右線全斷面注漿里程范圍為：右K11+ 147.5～右K11+249.75，長102.25m，此范圍對拱頂和邊墻外圈2.5m區(qū)域，進行后退式(WSS)袖閥管深孔注漿。漿液采用水泥-水玻璃漿；縱向搭接均為2m。注漿工藝如下：

1）成孔

采用后退式(WSS) 袖閥管深孔注漿施工，鉆桿采用φ32中空鉆桿，分節(jié)鉆孔，每節(jié)長度為2.0m，兩節(jié)之間采用雙孔專用接頭和專用鉆頭鉆孔，單根注漿管長度12m，加固注漿管間距1m×1m。

2）注漿

采用后退式劈裂注漿工藝，鉆一孔，注一孔。長度根據(jù)鉆孔情況確定，如無涌水涌泥（砂）和卡鉆的情況發(fā)生，則可采用全孔一次性注漿方式進行。以保證注漿質(zhì)量和減少掃孔作業(yè)，增加作業(yè)時間和效率，保證注漿飽滿。

3）注漿參數(shù)

注漿終壓：注漿過程中將注漿壓力控制在0.8～1.2Mp；漿液根據(jù)地層采用水泥漿、水泥水玻璃雙液漿。

4、計算模型、結(jié)果及分析

4.1 計算模型

采用三維數(shù)值計算程序MIDAS/GTS對新建暗挖區(qū)間側(cè)穿既有線橋樁的施工過程進行了仿真模擬計算。計算模型周圍土體和既有結(jié)構(gòu)采用實體單元，導(dǎo)洞開挖斷面采用殼單元。不同的土層和結(jié)構(gòu)采用不同的材料屬性常數(shù)，模擬邊界條件的選取時除了頂面取為自由邊界，其他面均采取法向約束。計算模型的網(wǎng)格劃如圖3所示。

圖3 區(qū)間隧道施工對既有橋樁影響計算的數(shù)值模型

4.2 計算結(jié)果及分析

4.2.1 既有線砼連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果如圖4、5、6、7所示。

圖4 梁體結(jié)構(gòu)豎向變形云圖

圖5 梁體結(jié)構(gòu)橫向變形云圖

由上述典型截面變形曲線可知，新建暗挖區(qū)間隧道側(cè)穿既有橋樁工程施工后，既有線軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大豎向變形值為1.15mm；最大橫向變形值為0.69mm，偏向首先開挖側(cè)。如圖8、9、10所示。

4.2.2 既有線梁體下部結(jié)構(gòu)（包括橋墩、承臺和橋樁）的變形結(jié)果

4.3 計算結(jié)果及結(jié)論分析

（1）區(qū)間隧道埋深較大，在17m左右，開挖引起的最大地表沉降接近16mm，在隧道頂部對應(yīng)的地表點，沉降槽寬度約為60m。實測隧道開挖通過時地表最大沉降測點位移16.98mm，與計算預(yù)測數(shù)值較為接近。

（2）承臺中心點的沉降值為4mm。離區(qū)間隧道較遠的1＃和2＃樁，其沉降為4.45mm；而離區(qū)間隧道較近的3＃和4＃樁，其沉降為3.26mm；實測隧道開挖通過時1號承臺最大沉降3.5mm，與計算預(yù)測數(shù)值較為接近。

（3）樁基中最大的軸力為361.1kN，發(fā)生

在樁基中部，即中性點（正負摩阻力交界處）的位置；4根樁幾乎都是下部承受正彎矩，上部承受負彎矩，彎矩的最大值為158.5kNm。

圖6 典型截面一豎向位移曲線

圖7 典型截面一橫向位移曲線

發(fā)生在1＃和2＃樁與隧道等高的位置處。同時距離區(qū)間隧道較近的1＃、2＃樁基承受負摩阻力的范圍較距離稍遠的3＃、4＃樁基承受負摩阻力的范圍小。最大正摩阻力值為34.96kPa，發(fā)生在1＃、2＃樁基的樁端處。

圖8 梁下結(jié)構(gòu)豎向變形云圖

圖9 梁下結(jié)構(gòu)橫向變形云圖

圖10 梁下結(jié)構(gòu)縱向變形云圖

（4）樁基底面與隧道的相對空間位置直接

決定樁基的沉降和側(cè)向變位大小，對于樁基底面標高處于隧道下面的情況，樁基的下沉和側(cè)移都比較小。

4.4 施工控制分析

（1）施工中應(yīng)加強側(cè)墻和拱頂處的注漿效果，防止樁端處產(chǎn)生過大側(cè)移，從而引起樁基過大的沉降。本文中粗砂、卵石圓礫地層注漿擴散半徑取 R=0.8m時，結(jié)果顯示可以有效控制樁基沉降。對于短樁，應(yīng)當在短樁底部也同時注漿。注漿參數(shù)需在施工前進行實驗，采用有效方法檢測漿液擴散半徑。

（2）施工前，應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)型式、使用年限，對橋梁結(jié)構(gòu)進行檢測，主要包括橋梁墩柱和梁體混凝土外觀質(zhì)量、道床橋梁墩柱和梁體混凝土外觀質(zhì)量、道床及橋面板裂縫、橋梁墩柱混凝土強度、各構(gòu)件混凝土銹蝕率及線路狀態(tài)、線路軌道軌距、水平尺寸偏差等。并根據(jù)檢測結(jié)構(gòu)進行評估，制定合理的變形指標，根據(jù)墩臺的允許下沉量，選擇合理可行的橋基加強措施和區(qū)間隧道施工方案。