盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿橋樁沉降分析

汪 波，萬忠豪，王運(yùn)周

(1.中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司,廣東 深圳 518052； 2.南昌大學(xué)工程建設(shè)學(xué)院,江西 南昌 330031)

0 引言

盾構(gòu)法在城市地鐵隧道施工中經(jīng)常遇到下穿或側(cè)穿橋梁,為確保鄰近橋梁使用安全和地鐵工程施工安全,需要研究地層開挖對(duì)鄰近橋梁基礎(chǔ)的影響程度,并采取相應(yīng)的保護(hù)措施[1-3]。郭一斌等[4]對(duì)盾構(gòu)近距離側(cè)穿超長樁基礎(chǔ)研究并進(jìn)行數(shù)值模擬,研究深度對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)下樁承載內(nèi)力以及變形的影響;王國富、馮國輝等[5-10]分別研究了盾構(gòu)隧道在一定條件下穿越橋樁風(fēng)險(xiǎn)控制值的確定及探討相關(guān)控制方法;陳江等[11]以長沙地鐵舉例,研究盾構(gòu)側(cè)穿附近橋樁施工對(duì)周圍建筑物的影響,通過計(jì)算以及實(shí)測表明,對(duì)樁基進(jìn)行徑向旋噴隔離加固能有效控制地表沉降,樁基處的地層水平位移明顯減小;袁海平等[12]以合肥地鐵1號(hào)線為例,對(duì)盾構(gòu)近距離側(cè)穿高架橋樁的施工力學(xué)進(jìn)行了研究,分析研究了盾構(gòu)掘進(jìn)在不同工況的處境下橋樁受力、變形以及地層沉降的規(guī)律,證實(shí)了樁實(shí)體結(jié)構(gòu)單元彎矩、剪力計(jì)算方法的可行性。

以上成果探討了在一般地層情況下,盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有橋樁變形的理論分析、采取的加固施工措施和地面沉降變形規(guī)律等,但對(duì)于復(fù)雜條件下雙線盾構(gòu)隧道先后側(cè)穿引起的橋樁和地面沉降變形影響,并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證等方面的研究較少。

南昌地鐵軌道交通4號(hào)線壇子口站—丁公路南站區(qū)間隧道近距離側(cè)穿壇子口立交橋橋樁,該區(qū)段所處地層為富水圓礫、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層,如何控制橋樁沉降,保證立交橋變形在規(guī)范要求之內(nèi),確保立交橋安全至關(guān)重要[13-14]。

1 工程概況

南昌市軌道交通4號(hào)線一期工程土建施工02合同段五工區(qū)段壇子口站—丁公路南站區(qū)間位于南昌市老城區(qū)西湖區(qū)內(nèi),區(qū)間基本呈南—北走向,線路左線長度756.8 m(短鏈34.066 m),右線790.8 m,盾構(gòu)側(cè)穿壇子口立交橋。

壇子口立交橋采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu),樁基礎(chǔ),鉆孔灌注樁,樁徑為1.5 m,樁長28.0 m左右,樁底標(biāo)高-4.486 m～-1.814 m,持力層進(jìn)入中風(fēng)化巖層1.0 m。左線隧道側(cè)穿橋樁基礎(chǔ),距隧道外邊緣的最小水平距離分別為2.3 m和7.8 m;右線隧道側(cè)穿橋樁基礎(chǔ),距隧道外邊緣的最小水平距離分別為1.6 m和8.9 m;盾構(gòu)區(qū)間隧道拱頂埋深21.2 m～27.6 m,隧道開挖直徑6 m,管片外徑5.4 m、厚度0.3 m,注漿層厚度0.15 m,每片管片長1.2 m。立交橋?qū)嵕皥D如圖1所示,橋樁基礎(chǔ)與隧道位置關(guān)系見圖2。

區(qū)間地層主要為:雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,隧道穿過該區(qū)段土層主要為圓礫、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。本區(qū)間沿線按地下水類型可分為上層滯水、土層孔隙潛水、基巖裂隙承壓水三種類型。上層滯水賦存于人工填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土之中,無上覆隔水層,下部粉質(zhì)黏土層、淤泥質(zhì)土層為其隔水底板,深度1.0 m～3.0 m。第四系含水地層主要以細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂為主?；鶐r裂隙承壓水主要賦存于強(qiáng)、中風(fēng)化帶中。地下水位平均位于地下6 m處。

2 盾構(gòu)施工數(shù)值模擬

2.1 三維建模

為分析盾構(gòu)施工對(duì)橋樁基礎(chǔ)影響,采用plaxis3D三維有限元計(jì)算軟件進(jìn)行分析。一般隧道開挖影響范圍為隧道中心3倍～5倍開挖寬度,為消除邊界效應(yīng)并滿足較高的精度要求,沿隧道軸向取36 m且垂直隧道軸向方向取隧道軸向之外5倍洞徑,即88 m,厚度方向取樁端之下18 m,即x×y×z=88 m×36 m×46 m。三維有限元模型如圖3所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

計(jì)算中巖土層采用彈塑性D-P模型,盾構(gòu)管片、橋樁均采用彈性模型,模擬中巖土層采用實(shí)體單元,管片、樁均采用梁板單元。土層及相關(guān)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

其中管片采用C50P12鋼筋混凝土,橋樁用C30混凝土,計(jì)算中考慮施工前已存在的荷載作用,橋梁上部結(jié)構(gòu)按最不利荷載組合,換算成均布荷載100 kPa作用于樁上。

模擬過程中需要對(duì)掌子面施加一定的法向應(yīng)力來模擬支護(hù)壓力,盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)土壓力的設(shè)定是根據(jù)區(qū)間工程巖土工程勘察報(bào)告提供的地質(zhì)情況及隧道埋深等情況,進(jìn)行理論計(jì)算切口平衡壓力,采取如下公式計(jì)算支護(hù)壓力:

正面平衡土壓力公式:

p=k0×γ×h

(1)

其中，p為平衡壓力;γ為土體的平均重度;h為隧道埋深;k0為土的側(cè)向靜止平衡壓力系數(shù)。

取γ=20 kN/m3,h=21.1 m,k0=0.38;代入式(1)得到p=160 kPa,故初步確定土壓力范圍為150 kPa～180 kPa。

故模擬過程中對(duì)掌子面施加0.18 MPa的法向應(yīng)力來模擬支護(hù)壓力;每次開挖進(jìn)尺為一環(huán)寬1.2 m,模型中每條隧道取36 m長度進(jìn)行模擬,共30環(huán)。

模擬工況為:1)先開挖右線隧道,后開挖左線隧道;2)先開挖左線隧道,后開挖右線隧道;3)左右線同時(shí)盾構(gòu),共三種情況。

分析過程中考慮離隧道只有1.6 m的2號(hào)樁為高風(fēng)險(xiǎn)對(duì)象。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 先開挖右線隧道,后開挖左線隧道

圖4為工況1下沉降變形云圖,其中圖4(a)、圖4(b)分別為右線、雙線貫通后沉降云圖。

可以看出,右線貫通后,最大沉降發(fā)生在隧道頂位置,為2.76 mm,地表沉降最大發(fā)生在隧道垂直方向中心,沉降在垂直洞軸線方向影響范圍寬度大概40 m;雙線貫通后,地表最大沉降為1.21 mm,沉降在垂直洞軸線方向影響范圍寬度大概為58 m,影響范圍增大。

圖5為橋樁最大沉降與盾構(gòu)面距橋樁距離關(guān)系曲線,橋樁基礎(chǔ)與隧道平面位置關(guān)系見圖6。

由圖5可知,隨著盾構(gòu)開挖面距離橋樁距離越近,對(duì)橋樁影響越大;當(dāng)盾構(gòu)開挖面距離橋樁5 m時(shí),盾構(gòu)對(duì)橋樁沉降影響最大;開挖面出橋樁5 m后,橋樁沉降速率減小,沉降逐漸趨于穩(wěn)定。右線隧道貫通在施工左側(cè)隧道,左側(cè)隧道施工對(duì)2號(hào)樁沉降影響較小,沉降較為緩慢。右線隧道貫通時(shí)橋樁最大沉降為0.88 mm,當(dāng)雙線隧道貫通時(shí),由于地層受到兩次開挖擾動(dòng)的疊加作用,橋樁最大沉降由0.88 mm 增長至1.25 mm,右線隧道貫通時(shí)橋樁最大沉降占橋樁最大累計(jì)沉降量的70%。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,橋樁最大沉降控制值為-10 mm～10 mm,橋樁最大沉降量未超過控制值。

圖6為地表最大沉降與開挖面距橋樁距離關(guān)系曲線,同理對(duì)于地表沉降,在隧道盾構(gòu)過程中土體沉降速率整體較為穩(wěn)定,右線貫通時(shí)地表最大沉降為0.64 mm,占地表最大累計(jì)沉降量的53%,當(dāng)雙線貫通時(shí)對(duì)地表沉降所造成的最大沉降增加至1.21 mm(見圖7),根據(jù)要求,地表沉降最大控制值為-30 mm～10 mm,同樣未超過控制值。因此整個(gè)施工期間不影響行車安全。

2.3.2 先開挖左線隧道,后開挖右線隧道

圖8為工況2下沉降變形云圖,其中圖8(a)、圖8(b)分別為左線、雙線貫通后沉降云圖。

可以看出,左線貫通后,最大沉降發(fā)生在隧道頂位置,為2.77 mm,地表沉降最大發(fā)生在隧道垂直方向中心,沉降在垂直洞軸線方向影響范圍寬度大概40 m;雙線貫通后,地表最大沉降為1.22 mm,沉降在垂直洞軸線方向影響范圍寬度大概為58 m。沉降影響范圍與工況1一致。

圖9為橋樁最大沉降與盾構(gòu)開挖面距橋樁距離關(guān)系曲線,同樣考慮離隧道只有1.6 m的2號(hào)樁。

由圖9可知,由于是先開挖距離2號(hào)橋樁較遠(yuǎn)的左線,左線開挖對(duì)樁沉降影響較小,橋樁最大沉降為0.39 mm;當(dāng)盾構(gòu)右線隧道時(shí),開挖面距離橋樁5 m時(shí),盾構(gòu)對(duì)橋樁沉降影響最大;開挖面出橋樁5 m后,橋樁沉降速率減小,沉降逐漸趨于穩(wěn)定。雙線貫通后橋樁最大沉降由0.39 mm 增長至1.28 mm。雙線貫通后橋樁總體沉降較工況1增加了2.4%,相差較小。

圖10為地表最大沉降與開挖面距橋樁距離關(guān)系曲線,與前者類似,左線貫通時(shí)地表最大沉降為0.65 mm,占地表最大累計(jì)沉降量的53%,當(dāng)雙線貫通時(shí)對(duì)地表沉降所造成的最大沉降增加至1.22 mm,較工況1增加了0.8%,兩者相差很小。

由于兩種開挖順序?qū)驑都暗乇懋a(chǎn)生的沉降幾乎相同,因此在實(shí)際施工中無論是先開挖左線還是右線均可行。圖11為盾構(gòu)對(duì)2號(hào)樁產(chǎn)生的附加彎矩圖，橋樁所受最大附加彎矩值為6.5 N·m，對(duì)橋樁的影響很小。

2.3.3 同時(shí)盾構(gòu)側(cè)穿

圖12為工況3下沉降變形云圖。

可以看出,同時(shí)貫通后,最大沉降發(fā)生在隧道頂位置,為4.5 mm,地表沉降最大發(fā)生在隧道垂直方向中心,地表最大沉降為1.56 mm,與前兩種工況相比,隧道頂及地表沉降均增大。

雙線同時(shí)盾構(gòu)下,盾構(gòu)隧道側(cè)穿期間2號(hào)橋樁最大沉降與開挖面距橋樁距離關(guān)系曲線如圖13所示。

由圖13可知,與前后順序側(cè)穿類似,隨著盾構(gòu)開挖面距離橋樁距離越近,對(duì)橋樁影響越大;當(dāng)盾構(gòu)開挖面距離橋樁5 m時(shí),盾構(gòu)對(duì)橋樁沉降影響最大;開挖面出橋樁5 m后,橋樁沉降速率減小,沉降逐漸趨于穩(wěn)定。雙線隧道同時(shí)貫通時(shí),橋樁最大沉降1.81 mm,較之工況1，2增加了約45%,在圖14中,當(dāng)雙線貫通時(shí)對(duì)地表沉降所造成的最大沉降為1.56 mm,較之工況1，2增加了約29%。

同理,在同時(shí)側(cè)穿的模擬過程中,橋樁所受到的附加彎矩見圖15。由于同時(shí)側(cè)穿一定程度上形成了平衡,橋樁所受附加彎矩最大值僅為0.12 N·m,橋樁所受附加彎矩影響可忽略。

雙線同時(shí)盾構(gòu)對(duì)樁、地表沉降均比方案一、二大,但滿足設(shè)計(jì)允許值要求。

2.4 實(shí)際監(jiān)測結(jié)果對(duì)比

實(shí)際盾構(gòu)施工采用先盾構(gòu)右線再盾構(gòu)左線,盾構(gòu)過程對(duì)地表布置了6個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn),對(duì)1號(hào)、2號(hào)及3號(hào)橋樁各布置了2個(gè)監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)分布如圖16所示。

表2為地表最大沉降監(jiān)測值,表3為橋樁最大沉降監(jiān)測值?？芍獙?shí)際監(jiān)測地表累計(jì)沉降為1.03 mm～3.77 mm,與數(shù)值模擬得出的地表最大沉降1.21 mm相比,兩者差距不大。而實(shí)際監(jiān)測2號(hào)橋樁累計(jì)沉降平均值1.35 mm,與數(shù)值模擬得出的2號(hào)橋樁最大沉降1.25 mm,兩者接近。說明數(shù)值模擬方法合理正確,數(shù)值模擬預(yù)測盾構(gòu)下穿立交橋樁的影響是可行的。

表2 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表

表3 壇子口立交橋樁沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表

3 盾構(gòu)沉降控制措施

1)盾構(gòu)時(shí)在符合同步注漿技術(shù)與土壓力的同時(shí)通過控制推進(jìn)速度減小對(duì)土體的擾動(dòng),本工程實(shí)際采用盾構(gòu)側(cè)穿壇子口立交橋的正常推進(jìn)速度控制在3 cm/min～4 cm/min之間,保持勻速推進(jìn)。

2)注漿可以有效地對(duì)施工影響范圍內(nèi)土體進(jìn)行加固,注漿壓力控制在0.2 MPa～0.35 MPa。為保證同步注漿質(zhì)量,控制地表沉降,要求同步注漿量足夠。地表如果出現(xiàn)過大沉陷時(shí),可通過二次注漿進(jìn)行抬升和補(bǔ)強(qiáng)。

3)根據(jù)掌子面地層情況應(yīng)及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù),調(diào)整掘進(jìn)方向時(shí)應(yīng)設(shè)置警戒值,達(dá)到警戒值時(shí)就應(yīng)該實(shí)行糾偏程序。

4)提升監(jiān)控力度,施工中加強(qiáng)對(duì)周圍道路、管線和臨近建筑物的監(jiān)測,并及時(shí)反饋信息,據(jù)此調(diào)整和優(yōu)化施工技術(shù)參數(shù),做到信息化施工。

5)加強(qiáng)盾構(gòu)設(shè)備的保養(yǎng)與維修,避免盾構(gòu)發(fā)生故障。

6)正確進(jìn)行管片拼裝點(diǎn)位,確保拼裝質(zhì)量與精度,以使管片端面盡可能與計(jì)劃的掘進(jìn)方向垂直。

4 結(jié)語

1)實(shí)際盾構(gòu)過程先開挖右線再開挖左線,側(cè)穿壇子口立交橋之后,橋樁最大沉降為1.78 mm,地面最大沉降量為3.77 mm,數(shù)值計(jì)算所得的橋樁最大沉降1.25 mm及地面沉降量1.21 mm與監(jiān)測結(jié)果較為吻合,均在設(shè)計(jì)允許范圍。

2)左右線先后施工得到的橋樁及地表沉降值接近,雙線同時(shí)盾構(gòu)橋樁最大沉降為1.81 mm,較工況1，2增加了45%,地表沉降1.56 mm,較之增加了29%;隧道施工先后順序?qū)驑都暗乇沓两涤绊懢^小,但雙線同時(shí)盾構(gòu)引起橋樁及地表沉降略大。

3)盾構(gòu)過程進(jìn)行雙液漿注漿加固,控制盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)橋樁沉降起到了很好的控制效果。