西安地鐵隧道中隔墻加臺階法施工誘發(fā)的鄰近橋樁變形及其控制措施＊

任建喜 于松波 孟 昌

（西安科技大學建筑與土木工程學院，710054，西安∥第一作者，教授）

淺埋暗挖施工改變了隧道周圍土體的圍巖應力，所引起的變形通過土體介質(zhì)傳遞至鄰近構(gòu)筑物，致使其發(fā)生一定的變形，甚至會威脅到構(gòu)筑物的正常使用［1－3］。實踐中，淺埋暗挖施工引起鄰近構(gòu)筑物變形破壞的事例層出不窮，原因在于施工設計人員未能掌握淺埋暗挖法施工引起鄰近構(gòu)筑物的變形規(guī)律，不能采取有效的控制措施。雖然不少學者和專家對此進行了大量研究，也取得了許多成果［4－9］。但是，對于地質(zhì)條件復雜的西安黃土地區(qū)，淺埋暗挖法施工引起鄰近構(gòu)筑物變形規(guī)律仍需研究。本文以西安地鐵3號線某區(qū)間隧道中隔墻加臺階（CRD）法施工工程為依托，研究CRD 法施工對鄰近橋樁變形的影響規(guī)律，并提出合理有效的控制橋樁變形措施，以確保施工過程中橋樁的安全穩(wěn)定，為西安地區(qū)相似工程條件下地鐵隧道的安全施工提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

研究的地鐵隧道CRD 法施工工程在西安地鐵3號線某區(qū)間內(nèi)，其左線隧道自里程ZDK31＋443.908往北開挖至ZDK31＋575.908，右線隧道自里程 YDK31＋443.965 往北開挖至 YDK31＋560.965。該區(qū)間隧道鄰近重要性為Ⅰ級的東二環(huán)長樂橋，其橋樁基礎為直徑1.3 m、埋深43 m 的鋼筋混凝土摩擦樁，距地鐵隧道僅有1～3 m，其平面位置關系見圖1。

該區(qū)間隧道下穿地層的地質(zhì)條件復雜，地層巖土主要是素填土、新黃土、老黃土、古土壤及粉質(zhì)黏土。由地質(zhì)勘查報告可知，對地鐵施工產(chǎn)生影響的是地下潛水，潛水層水位約為地下9.5～11.6 m，場地內(nèi)地下潛水穩(wěn)定水位埋深10.4～15.6 m 之間，補給水源主要為大氣降水和側(cè)向地下水徑流。場區(qū)內(nèi)采用井點法進行降水，通過側(cè)向徑流排泄。

圖1 西安地鐵3號線地鐵隧道與既有橋樁的平面位置圖

2 CRD法施工對鄰近橋樁變形影響的數(shù)值模擬

2.1 FLAC 3D模型的建立

數(shù)值模型的準確建立對模擬出可靠的橋樁變形規(guī)律至關重要。FLAC軟件模擬采用顯式算法以得到模型所有運動方程的時間步長解，準確記錄材料的漸進破壞和跨落，因此本文采用此軟件進行預測研究。暗挖隧道施工斷面為8.47 m（高）×8.08 m（寬），拱頂埋深約為10 m，左右線隧道軸線間距約為11 m，暗挖隧道右線外輪廓線距離既有橋樁基礎的邊緣為3 m。考慮隧道和橋梁的尺寸資料及暗挖隧道施工的影響范圍，最終確定計算模型的尺寸為60 m（長）×84 m（寬）×50 m（高）；考慮到橋梁車道荷載與橋身自重均由橋墩承受，模擬中每個橋墩承受荷載采用3 587 kN；采用莫爾－庫侖模型模擬開挖土體，模型上表面無約束，其余界面加法向約束。建立的FLAC3D 計算模型見圖2。

圖2 FLAC3D 計算模型

2.2 計算參數(shù)的確定

由地質(zhì)勘查資料可得，模型中各土層物理力學參數(shù)如表1所示。CRD 法施工的初期支護材料是厚度為300 mm 的C25早強混凝土，二次襯砌為厚度為500 mm 的C40混凝土。橋梁及支護結(jié)構(gòu)計算參數(shù)見表2。

表1 土層物理力學參數(shù)

表2 橋梁及支護結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

2.3 CRD法施工的FLAC 3D模擬

數(shù)值模型嚴格按照CRD 法施工方案進行開挖支護模擬。模擬工況為：左上導洞→左下導洞→右上導洞→右下導洞，超前小導管采用Cable單元，一襯和二襯采用實體單元。在模擬開挖過程中進行橋樁變形的計算，數(shù)值模擬地表沉降及橋樁變形監(jiān)測點布置見圖3。

圖3 地表沉降及橋樁變形監(jiān)測點布置圖

2.4 模擬計算結(jié)果分析

2.4.1 地表沉降規(guī)律分析

由圖4可得，地表最大沉降位置在兩開挖隧道軸線中間的上方，最大值為34.87 mm，地表沉降槽范圍為兩隧道軸線左右20 m 內(nèi)。由開挖隧道與橋梁的平面位置關系可得，長樂橋位于CRD 法施工誘發(fā)的地表沉降槽范圍內(nèi)。

圖4 地表沉降曲線圖

2.4.2 橋樁水平位移變化規(guī)律分析

橋樁埋深比開挖隧道埋深大很多，在隧道開挖影響范圍內(nèi)，既有橋梁樁體主要發(fā)生水平變形，豎向位移很小。因此本文主要研究分析CRD 法施工誘發(fā)的橋樁水平變形規(guī)律。橋梁樁基礎水平位移云圖和水平變形曲線分別如圖5、圖6所示，圖中的正位移值表示樁體向背離隧道方向位移，負位移值表示樁體向靠近隧道方向位移。

圖5 樁基礎水平位移云圖

圖6 樁基礎水平變形曲線

從圖5和圖6可以看出，CRD 法施工誘發(fā)的既有橋樁的水平位移較大，橋樁頂端和底部發(fā)生負向位移，橋樁中部樁體產(chǎn)生正向位移；橋樁距地鐵隧道愈近其水平變形愈大；在樁體埋深10～22 m 范圍內(nèi)，CRD法施工誘發(fā)的橋樁變形最顯著，其中樁體埋深約在15 m 時達到水平位移最大值，原因在于該位置與隧道軸線在同一水平位置，即隧道開挖引起土體卸載效應最大的位置；橋樁最大負位移為17.83 mm、最大正位移為15.02 mm，究其原因為，隧道開挖導致其影響范圍內(nèi)的土體應力重分布，從而改變既有樁基礎的樁側(cè)和樁端摩阻力，降低了樁基礎抵抗變形的能力，使之產(chǎn)生傾向隧道側(cè)的水平變形。

2.4.3 橋樁傾斜率分析

隧道采用CRD 法施工時模擬計算得到的1＃、2＃、3＃、4＃橋墩沿隧道軸向傾斜率分別為2.47%、1.85%、2.88%、2.14%。由此可知，橋墩主要沿隧道軸向發(fā)生了傾斜，橋樁產(chǎn)生的傾斜率隨其距開挖隧道的距離減小而增大，這是由于鄰近隧道側(cè)的橋樁位于隧道開挖后所形成的沉降槽內(nèi)，受施工影響較大。CRD 法施工引起長樂橋橋樁發(fā)生的最大傾斜率為2.88‰，超過了允許控制值2‰。

綜上所述，CRD 法施工誘發(fā)的橋樁水平變形和橋墩傾斜率較大，已超過變形允許值，為保證施工過程中既有橋梁的安全，須對橋梁基礎采取加固措施。

3 變形控制措施

通過對比注漿法、隔離法和托換法等各種控制措施的加固原理和適用特性，考慮西安地區(qū)地質(zhì)條件及橋樁變形的原因，本工程采取袖閥管注漿技術(shù)來加固既有樁基周邊土體，以改善橋樁基礎周邊土體性質(zhì)，提高樁體樁側(cè)摩阻力及抵抗變形的能力，從而保證地鐵隧道施工期間既有橋梁的安全使用。

根據(jù)現(xiàn)場實際及數(shù)值模擬結(jié)果設計了橋樁變形控制方案，袖閥管環(huán)繞橋樁四周布置（見圖7），加固土層深度為48 m（上部空樁為13.5 m，下部實樁為34.5 m），按照從外到內(nèi)、間隔跳灌的注漿原則進行注漿加固。注漿參數(shù)見表3。

圖7 袖閥管布置平面圖

表3 袖閥管注漿參數(shù)

4 現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

科學合理的監(jiān)測方案為控制施工對既有構(gòu)筑物產(chǎn)生不良影響提供可靠的參考數(shù)據(jù)，是準確評價加固方案的前提?，F(xiàn)場監(jiān)測的主要內(nèi)容為橋墩沉降與橋樁傾斜。

4.1 監(jiān)測點布置

監(jiān)測點應布置在視野良好便于監(jiān)測的地方。橋墩的監(jiān)測點材料為φ20 mm 的半圓頭彎曲鋼筋，長為200 mm。其施工方法是將鋼筋用鉆機打入長樂橋的橋墩中，同時用砂漿將鉆孔填充密實以使鋼筋固定，最后在鋼筋端頭涂防腐劑以防止鋼筋的銹蝕。橋樁監(jiān)測點布置設計如圖8所示。

圖8 長樂橋監(jiān)測點布置圖

4.2 監(jiān)測頻率

對加固后的橋樁變形進行現(xiàn)場監(jiān)測，其頻率為：在隧道開挖施工之前進行第一次監(jiān)測以取得初值；當開挖斷面距監(jiān)測斷面前后距離小于2倍開挖洞徑時，1次／d；當開挖斷面距監(jiān)測斷面前后距離不大于5倍開挖洞徑時，1 次／2d；當開挖斷面距監(jiān)測斷面前后距離大于5倍開挖洞徑時，1次／周。

4.3 實測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對比分析

根據(jù)設計的監(jiān)測方案，對東二環(huán)長樂橋的橋樁進行沉降監(jiān)測，橋樁的沉降和傾斜結(jié)果分別見表4和表5。

通過分析表4可知，采取加固措施后橋墩沉降量明顯減小，現(xiàn)場實測的橋墩最大沉降量為7.36 mm，小于控制標準值15 mm；由表5可知，采取加固措施后橋墩沿隧道軸線方向的最大傾斜率僅為控制值（2‰）的52.5%。

綜上所述，對東二環(huán)長樂橋采用的加固措施起到了良好加固效果，減少了隧道CRD法施工對鄰近既有橋樁的變形影響，保證了地鐵施工期間橋樁的安全穩(wěn)定。

表4 橋墩沉降模擬與實測結(jié)果表mm

表5 橋墩沿隧道軸向傾斜監(jiān)測數(shù)據(jù)表 ‰

5 結(jié)論

1）采用FLAC3D 軟件預測了西安地鐵3號線某隧道CRD 法施工誘發(fā)的既有橋樁的變形規(guī)律。模擬計算結(jié)果表明，CRD 法施工引起的鄰近橋樁最大水平變形和傾斜率均超出變形允許值，必須采取加固措施以保證施工過程中既有橋樁的安全穩(wěn)定。

2）提出了采用袖閥管注漿技術(shù)對既有橋梁基礎周圍2 m 范圍的土體進行加固的控制變形措施，加固實施后的現(xiàn)場監(jiān)測表明，實測值均小于其變形允許值，施工過程中既有橋梁安全穩(wěn)定，表明文中所提出的控制變形措施是合理有效的。

［1］丁烈云，李煒明，吳賢國，等.武漢地鐵施工對輕軌橋梁影響的數(shù)值與監(jiān)測分析［J］.鐵道工程學報，2010（10）：87.

［2］任建喜，王松，陳江，等.地鐵車站PBA 法施工誘發(fā)的地表及橋樁沉降規(guī)律研究［J］.鐵道工程學報，2013（9）：92.

［3］余佳力，徐禮華，艾心熒.隧道CRD 法施工對地表不同結(jié)構(gòu)形式建筑物影響的對比分析［J］.土木工程學報，2011（增）：192.

［4］任建喜，王江，孟昌，等.西安地鐵車站深基坑變形規(guī)律的有限差分法模擬［J］.城市軌道交通研究，2015（2）：38.

［5］汪小兵，賈堅.深基坑開挖對既有地鐵隧道的影響分析及控制措施［J］.城市軌道交通研究，2009（5）：52.

［6］方勇，何川.地鐵盾構(gòu)隧道施工對鄰近樁的影響研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008（1）：42.

［7］李兆平，朱元生.鄰近橋樁暗挖地鐵車站施工方案及橋樁保護措施研究［J］.巖石力學與工程學報，2008（6）：3133.

［8］李強，王明年，李德才，等.地鐵車站暗挖隧道施工對既有樁基的影響［J］.巖石力學與工程學報，2006（1）：184.

［9］吳波，劉維寧，索曉明，等.城市地鐵施工對近鄰中長樁橋基的影響研究［J］.巖土工程界，2005（12）：48.

［10］鄭鳳先.隔離樁對地鐵深基坑鄰近建筑物保護機理研究［J］.城市軌道交通研究，2014（3）：42.

［11］谷栓成，王兵強.西安地鐵區(qū)間隧道交叉中隔墻（CRD）工法施工度形監(jiān)測與分析［J］.城市軌道交通研究，2014（8）：83.