淺談大直徑盾構(gòu)側(cè)穿橋梁樁基設(shè)計(jì)與施工

楊 征

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地下鐵道設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610031)

近年來，盾構(gòu)法以其對(duì)周邊環(huán)境影響小、施工速度快等優(yōu)勢(shì)，在隧道建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。但在近距離穿越既有橋梁樁基時(shí)，盾構(gòu)施工會(huì)引起地層損失或變形，最終導(dǎo)致樁基沉降與傾斜，可能影響橋梁的正常使用，甚至?xí)斐奢^大的事故。盾構(gòu)機(jī)直徑越大，盾構(gòu)施工對(duì)周邊的影響就越大，施工過程中的地層沉降就越難控制，直接威脅周邊建構(gòu)筑物、管線安全。因此，研究大直徑盾構(gòu)側(cè)穿臨近橋梁樁基設(shè)計(jì)與施工的意義重大。

在盾構(gòu)施工對(duì)既有樁基的影響方面，國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了一些研究，Lee等[1]采用整體有限元法分析了隧道施工對(duì)鄰近單樁與群樁的影響效應(yīng)；方勇等[2]運(yùn)用三維有限元法分析了不同的注漿壓力與頂推力作用下盾構(gòu)施工對(duì)既有樁基的影響規(guī)律；楊永平等[3]運(yùn)用有限元法研究了軟土地層中盾構(gòu)施工對(duì)近接樁基的影響;魏新江等[4]推導(dǎo)了雙圓盾構(gòu)隧道土體損失產(chǎn)生的三維附加應(yīng)力計(jì)算公式。研究了雙圓盾構(gòu)機(jī)正面附加推力、盾殼與土體之間的摩擦力以及土體損失在鄰近樁基上引起的總的附加荷載的分布規(guī)律；楊永平等通過數(shù)值模擬研究了軟土地區(qū)地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道對(duì)近接樁基的影響[5]。但目前的研究多為直徑6 m左右的盾構(gòu)機(jī)穿越橋樁，對(duì)大盾構(gòu)穿越橋樁的研究很少。

近距離本文以成都軌道交通18號(hào)線φ8.63 m盾構(gòu)機(jī)側(cè)穿既有橋梁為背景，結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)大直徑盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿既有橋梁樁基的設(shè)計(jì)、施工保護(hù)措施，以期對(duì)類似工程有借鑒作用。

1 工程概況

成都軌道交通18號(hào)線環(huán)球中心站-世紀(jì)城站區(qū)間在里程YDK14+376.000～YDK14+411.000范圍穿越繞城高速橋梁。區(qū)間采用2臺(tái)φ8.63 m盾構(gòu)機(jī)施工，隧道外徑8.3 m，頂部埋深約21.4 m，與繞城高速橋樁基礎(chǔ)的水平最小距離約3.7 m。該橋?yàn)楹喼Я簶?，橋樁采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.5 m，樁長23.9～24.4 m。橋梁與區(qū)間隧道平面位置關(guān)系如圖1所示，隧道與橋梁剖面關(guān)系如圖2所示，隧道及橋樁周邊土體物理力學(xué)參數(shù)詳表1。

圖1 橋梁與區(qū)間隧道平面位置關(guān)系(單位：m)

圖2 隧道洞身與橋梁位置關(guān)系(單位：mm)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

本次研究采用ANSYS有限元軟件，根據(jù)盾構(gòu)隧道與橋梁相對(duì)位置關(guān)系建立三維模型(圖3、圖4)。模型中管片襯砌采用殼單元，其余均為實(shí)體單元，考慮現(xiàn)實(shí)中的管片分塊，殼單元強(qiáng)度按實(shí)際管片強(qiáng)度折減，折減系數(shù)取0.8。土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫彈塑性模型，管片襯砌、橋梁結(jié)構(gòu)、管片外加固層及注漿圈均采用彈性模型。模型前后左右為水平約束，下部為豎直約束，地表為自由邊界。

圖3 三維數(shù)值計(jì)算模型

圖4 隧道與橋梁的空間位置關(guān)系

2.2 掘進(jìn)過程模擬

盾構(gòu)掘進(jìn)過程采用生死單元模擬，當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，殺死隧道內(nèi)土體單元，同時(shí)通過提取掘削面單元的節(jié)點(diǎn)力后反向施加模擬掌子面頂進(jìn)壓力；盾構(gòu)開挖完成后洞周的節(jié)點(diǎn)力分兩次釋放，開挖后釋放30 %，管片安裝完成釋放100 %。盾構(gòu)每次推進(jìn)8 m，相當(dāng)于1D(D為隧道外徑，下同)，開挖時(shí)先左洞后右洞。

2.3 模擬結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果顯示，雙線隧道貫通后，盾構(gòu)施工引起繞城高速橋樁沉降較小，最大沉降約0.5 mm，根據(jù)JTG 3363-2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.3條規(guī)定，沉降在工程允許范圍內(nèi)，不影響繞城高速公路橋梁安全及正常使用(圖5、圖6)。

圖5 地層沉降分析

表1 土體和材料參數(shù)

3 設(shè)計(jì)措施

雖然數(shù)值結(jié)果分析顯示盾構(gòu)施工對(duì)橋樁沉降影響很有限，但考慮到數(shù)值模擬假設(shè)條件與實(shí)際情況存在一定差異、盾構(gòu)隧道直徑較大且無類似施工經(jīng)驗(yàn)、盾構(gòu)隧道位于橋樁底側(cè)下方且距離較近等不利因素，安全起見主要采取了如下設(shè)計(jì)措施。

3.1 設(shè)置試驗(yàn)段并從嚴(yán)控制盾構(gòu)施工

將盾構(gòu)到達(dá)橋梁前50 m作為試驗(yàn)段，積累盾構(gòu)施工參數(shù)配置經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)穿越橋樁的施工。

要求施工承包商根據(jù)盾構(gòu)穿越及上覆的地層情況，設(shè)定適當(dāng)?shù)木蜻M(jìn)參數(shù)并進(jìn)行嚴(yán)格控制，其中主要包括：刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、千斤頂總推力等。施工過程中應(yīng)對(duì)土艙壓力、出土量及出土狀態(tài)進(jìn)行密切觀察和記錄，將數(shù)據(jù)反饋到盾構(gòu)控制中心，及時(shí)調(diào)整或優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)。施工過程嚴(yán)抓渣土管理，采用“質(zhì)量”和“體積”兩個(gè)指標(biāo)控制出土量，從嚴(yán)控制地層損失率。

要求施工承包商在管片襯砌環(huán)脫出盾尾后，立即同步注漿并適當(dāng)加大注漿量，充分地填充管片與地層之間空隙；在盾構(gòu)完成后視情況進(jìn)行二次注漿，以同步注漿層和地層之間的間隙為主要填充對(duì)象(即要求突破同步注漿層)進(jìn)行注漿填充，必要時(shí)重復(fù)二次注漿。

3.2 地表補(bǔ)償注漿

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，對(duì)盾構(gòu)影響范圍內(nèi)的繞城高速橋梁樁基進(jìn)行地面補(bǔ)償注漿，目的是及時(shí)補(bǔ)償盾構(gòu)施工擾動(dòng)造成的地層松動(dòng)或損失，同時(shí)填充泥巖中的裂隙。注漿采用地面引孔+鋼化管，注漿范圍為樁基輪廓外4.5 m范圍，注漿深度范圍為地面至樁基底部，注漿材料采用水泥單液漿。注漿參數(shù)(包括漿液配比、注漿壓力、注漿順序、注漿時(shí)間等，下同)注漿量等由施工單位應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定，并在注漿施工過程中根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋信息進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 洞內(nèi)跟蹤注漿

洞內(nèi)跟蹤注漿通過在盾構(gòu)隧道管片上增設(shè)注漿孔，并利用注漿孔(包括吊裝孔)打設(shè)注漿管實(shí)現(xiàn)，對(duì)隧道外2 m范圍內(nèi)土體進(jìn)行填充注漿。注漿管采用2.5 m長φ42×3.5 mm鋼花管，注漿材料采用水泥單液漿，注漿參數(shù)和注漿量等由施工單位應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定，并在注漿施工過程中根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋信息進(jìn)行優(yōu)化。

3.4 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)

要求施工承包商在盾構(gòu)施工中對(duì)橋樁、隧道結(jié)構(gòu)、地層、地表進(jìn)行系統(tǒng)全面的監(jiān)控量測(cè)。橋樁監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要為橋樁的不均勻沉降，隧道內(nèi)必測(cè)項(xiàng)目主要包括管片結(jié)構(gòu)豎向位移、管片結(jié)構(gòu)水平位移、管片結(jié)構(gòu)凈空收斂。

4 施工及監(jiān)測(cè)

4.1 施工措施

4.1.1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

根據(jù)50 m試驗(yàn)段積累的經(jīng)驗(yàn)，過繞城高速橋樁段盾構(gòu)施工主要參數(shù)配置如表2。

4.1.2 碴土改良

掘進(jìn)中使用泡沫劑進(jìn)行碴土改良，泡沫原液比例為1.5 %～3 %，單環(huán)注入泡沫劑10 m3左右，適當(dāng)控制泡沫劑用量，根據(jù)碴土改良情況控制土倉內(nèi)加水，保持碴土的連續(xù)性和流塑性，防止刀盤結(jié)餅。

4.1.3 同步注漿、二次注漿及洞內(nèi)跟蹤注漿

在穿越高速公路樁基施工時(shí)，同步注漿漿液配采用“水泥∶砂∶粉煤灰∶膨潤土∶水=250∶1000∶350∶35∶400”，將初凝時(shí)間控制在8 h之內(nèi)。

為保證漿液在管片外充填密實(shí)，對(duì)盾尾后部5 環(huán)以外的管片進(jìn)行壁后二次注漿，注漿材料選用水灰比為1∶1水泥漿，注漿壓力0.2～0.3 MPa。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，二次注漿后視情況進(jìn)行洞內(nèi)跟蹤注漿，注漿采用1∶1水泥漿，注漿壓力0.3～0.4 MPa。

4.2 施工監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，整個(gè)盾構(gòu)施工期間，由盾構(gòu)施工擾動(dòng)引起的橋樁最大沉降發(fā)生在10#樁，最大值為2.28 mm，雖大于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，但不影響橋梁結(jié)構(gòu)安全(圖7)。

圖7 橋樁監(jiān)測(cè)情況

5 結(jié)論

針對(duì)大直徑盾構(gòu)近距離穿越橋梁樁基的影響分析得出以下結(jié)論：

(1)地層條件是大直徑盾構(gòu)近距離穿越橋樁順利與否的重要影響因素，當(dāng)隧道周邊地層條件較好時(shí)，即使采用大直徑盾構(gòu)側(cè)穿水平凈距小于0.5D的樁基，且隧道中心位于樁底以下，盾構(gòu)施工對(duì)橋梁樁基的影響也很有限。因此，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡量保證盾構(gòu)隧道在工程力學(xué)性質(zhì)較好的地層中掘進(jìn)。

(2)盡量減少盾構(gòu)施工擾動(dòng)導(dǎo)致的地層變形是保護(hù)橋樁的有效手段，合理的施工參數(shù)和嚴(yán)格的施工控制能大大減少大直徑盾構(gòu)施工過程中導(dǎo)致的地層變形。因此，施工階段應(yīng)重視選取合適的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、提高同步注漿及二次注漿質(zhì)量、嚴(yán)控出土量，沒有經(jīng)驗(yàn)時(shí)可以設(shè)置試驗(yàn)段。

(3)地面補(bǔ)償注漿及洞內(nèi)跟蹤注漿是控制地層變形的有效補(bǔ)充，設(shè)計(jì)和施工中可根據(jù)工程實(shí)際情況靈活選用。

(4)泥巖中保壓掘進(jìn)易結(jié)泥餅，做好碴土改良對(duì)泥巖中保持開挖面穩(wěn)定降低盾構(gòu)通過橋樁風(fēng)險(xiǎn)很有幫助。

(5)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大于數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，說明設(shè)計(jì)階段考慮數(shù)值模擬偏差偏保守進(jìn)行設(shè)計(jì)是合理的。