地鐵隧道施工對(duì)附近橋梁樁基的影響及控制措施研究

摘要：地鐵隧道施工過(guò)程中會(huì)對(duì)附近的橋梁樁基造成擾動(dòng)等影響，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來(lái)一定沖擊。文章介紹了橋梁樁基的作用機(jī)理，分析了橋梁樁基各部分載荷受力情況，并對(duì)引起橋梁樁基形變的主要因素以及橋梁樁基形變的主要模式進(jìn)行了研究，提出了控制橋梁樁基形變的具體措施。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道;施工;橋梁;樁基形變;研究

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，城市土地面積使用率在逐漸縮小，如何充分利用城市中的每一寸土地已成為當(dāng)前社會(huì)各界所關(guān)注的主要問(wèn)題。地鐵隧道工程的建設(shè)和投入使用，使得城市可利用的土地空間變大，也為人們?nèi)粘５某鲂刑峁┝酥T多便利，其優(yōu)勢(shì)不言而喻。地鐵隧道工程已成為目前國(guó)內(nèi)各大型城市的必備市政工程，在提高城市的社會(huì)生產(chǎn)力和競(jìng)爭(zhēng)力方面具有一定作用。地鐵隧道工程的施工技術(shù)復(fù)雜，需要綜合協(xié)調(diào)各施工環(huán)節(jié)，并考慮可能對(duì)周邊建筑帶來(lái)的破壞和影響。以地鐵隧道工程附近的橋梁為例，橋梁樁基可能受到地鐵施工的影響，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)波及到橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，影響車(chē)輛及行人的安全。為此，研究地鐵隧道施工過(guò)程中對(duì)附近橋梁樁基的影響十分必要[1]。

1 橋梁樁基作用機(jī)理

樁基屬于當(dāng)前建筑領(lǐng)域較為常用的一種基礎(chǔ)模式，其應(yīng)用范圍比較廣泛。樁基可穿過(guò)軟弱地質(zhì)結(jié)構(gòu)最終達(dá)到持力層，建筑上部的載荷也傳到持力層中。地鐵隧道工程的施工將對(duì)橋梁樁基周邊的土體造成擾動(dòng)，進(jìn)而使土層在橫向及縱向上發(fā)生位移改變，使得橋梁樁基的載荷能力降低，引起橋梁結(jié)構(gòu)的形變破壞。樁基端部土質(zhì)總抗力以及樁基側(cè)方土質(zhì)總阻力共同承載樁基頂部的縱向載荷，可通過(guò)以下公式表示：

根據(jù)橋梁樁基的受力特征將受力劃分為兩方面：（1）依靠樁基端部阻力進(jìn)行載荷;（2）通過(guò)樁基側(cè)方阻力來(lái)承擔(dān)。以上兩方面組成了樁基受力的全部，且樁基側(cè)方阻力相對(duì)于下部作用更早，二者具有不同的力學(xué)傳輸特性，樁基側(cè)方阻力以剪力形式逐漸擴(kuò)散到周邊土體中，而樁基端部阻力則由樁體直接作用[2-3]。

2 地鐵隧道施工對(duì)附近橋梁樁基的影響

2.1 橋梁樁基形變的主要因素

（1）樁基周邊土質(zhì)特性

橋梁樁基形變的一個(gè)主要原因是樁基周邊的土質(zhì)特性。由于在地鐵隧道施工過(guò)程中對(duì)各種深度的地層具有擾動(dòng)作用，使得樁體周邊各種深度土層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響樁基端部以及側(cè)方的阻力。地鐵隧道施工過(guò)程中對(duì)地層的擾動(dòng)作用分區(qū)如圖1所示。在一些富水以及軟土等特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，在允許的地表沉降范圍之內(nèi)，樁基側(cè)方阻力通常較正常情況小，這種現(xiàn)象多由地鐵隧道開(kāi)挖而引起地層沉降范圍超過(guò)橋梁樁基沉降范圍所致[4]。

（2）施工工藝

地鐵隧道的施工工藝對(duì)附近橋梁樁基的形變具有重要影響。地鐵隧道施工工藝的不同對(duì)周邊地層的擾動(dòng)程度和影響范圍也不同。如果地鐵隧道施工過(guò)程中影響地表的沉降范圍很大，則附近的橋梁樁基受到的擾動(dòng)也會(huì)很大。為有效防止地鐵施工對(duì)附近橋梁樁基擾動(dòng)而引發(fā)的形變，要選用合適的施工工藝，盡可能選用對(duì)周邊土質(zhì)及地層擾動(dòng)較小的施工工藝[5]。

（3）地下水因素

地下水因素對(duì)于樁基周邊土質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的影響不能忽略。地下水主要是對(duì)土質(zhì)具有一定的軟化作用，進(jìn)而引起土層結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的改變，使得樁基端部以及側(cè)方的抗壓強(qiáng)度減弱。在降水情況下對(duì)地鐵隧道進(jìn)行施工，會(huì)引發(fā)樁基周邊土質(zhì)的固結(jié)沉降，使得樁基周邊土地應(yīng)力隨之增加，當(dāng)固結(jié)沉降范圍大于樁基固有的沉降范圍時(shí)，會(huì)使樁基發(fā)生負(fù)摩阻力效應(yīng)[6]。

橋梁樁基形變的主要因素如表1所示。

2.2 橋梁樁基形變的主要模式

地鐵隧道施工對(duì)附近橋梁樁基造成不同程度的影響，而橋梁樁基剛度相對(duì)于周邊土地的剛度較大，因此，可將橋梁樁基視作完全剛性體，橋梁樁基與周邊土體的位移形變可通過(guò)土體的位移形變過(guò)程來(lái)進(jìn)行分析。發(fā)生位移形變的土層將重新分配應(yīng)力，使橋梁樁基側(cè)方以及端部的阻力均發(fā)生變化，最終使橋梁樁基縱向載荷能力以及側(cè)方抗壓能力發(fā)生改變。由于樁體軸向剛度非常大，因此樁周土體和樁基的位移方向近乎直線，橋梁樁基發(fā)生沉降以保持這種情況下的平衡狀態(tài)。此時(shí)，地層土質(zhì)對(duì)橋梁樁基的形變起到了一定的約束作用，橫向上的傳遞因此而受到橋梁樁基的阻力，二者間呈現(xiàn)相互制約、彼此作用的關(guān)系。地鐵隧道施工過(guò)程中地層位移變化對(duì)橋梁樁基形變的主要影響有：在橋梁樁基部分的影響趨勢(shì)逐漸減弱;地鐵隧道開(kāi)挖引起的橋梁樁基應(yīng)力逐漸向樁基端部傳送，對(duì)橋梁樁基的載荷能力有影響;相對(duì)于周邊土體而言，樁基可被視作剛性體結(jié)構(gòu)[7-8]。

3 橋梁樁基形變的控制措施

3.1 參數(shù)優(yōu)化控制措施

參數(shù)優(yōu)化控制措施在橋梁樁基形變的控制中較為常用，這種參數(shù)優(yōu)化控制措施貫穿于施工過(guò)程的始終。在施工開(kāi)始時(shí)，依據(jù)歷史工程經(jīng)驗(yàn)可選用適宜的施工參數(shù)，并對(duì)參數(shù)適當(dāng)優(yōu)化，在實(shí)際施工中應(yīng)根據(jù)具體變化情況對(duì)地鐵隧道開(kāi)挖的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，最大程度弱化對(duì)附近橋梁樁基的影響。地鐵隧道開(kāi)挖面的參數(shù)控制尤為重要，地鐵隧道施工中的作業(yè)面與土體壓力值應(yīng)在規(guī)定范圍之內(nèi)。土體壓力超出允許的范圍將為地鐵隧道的施工帶來(lái)一定影響：土體壓力偏大會(huì)造成地表結(jié)構(gòu)的凸起，而土體壓力偏小則會(huì)引起地表沉降。因此，在地鐵隧道開(kāi)挖面參數(shù)控制過(guò)程中應(yīng)首先核對(duì)目標(biāo)土體壓力，使用特定的儀器對(duì)開(kāi)挖面土體壓力進(jìn)行核實(shí)[9]。

3.2 工程施工控制措施

為使地鐵隧道在施工過(guò)程中減少對(duì)附近橋梁樁基的影響，除了對(duì)施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化之外，還應(yīng)在具體的工程施工過(guò)程中采取相應(yīng)的控制措施，如隔斷墻、土體穩(wěn)固以及樁基托換等措施。

（1）隔斷墻

隔斷墻在保護(hù)橋梁樁基的措施中較為常見(jiàn)，主要是通過(guò)在隧道與橋梁樁基中間搭設(shè)隔斷墻的方式來(lái)弱化施工機(jī)械設(shè)備對(duì)附近橋梁樁基的影響，地面上和地面下均可進(jìn)行隔斷墻施工，在地鐵隧道開(kāi)挖時(shí)可使用高壓旋噴樁以及密排灌注樁等方式。此種措施需要一定的施工空間。

（2）土體加固

土體加固一般包括兩種方式，一種是采用化學(xué)注漿法，另一種是通過(guò)噴射進(jìn)行攪拌的方法。化學(xué)注漿法主要對(duì)土體進(jìn)行注漿以實(shí)現(xiàn)增加土體剛度的作用，進(jìn)而降低地鐵隧道施工對(duì)附近橋梁樁基的影響。噴射注漿則利用改善樁體周?chē)临|(zhì)特性的方式來(lái)提高樁周土的結(jié)構(gòu)完整性。

（3）樁基托換

樁基托換即使用新樁來(lái)替換原來(lái)的舊樁以承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的載荷，新樁將與原基礎(chǔ)共同組成新的結(jié)構(gòu)體系，以?xún)?yōu)化原來(lái)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，使沉降范圍得到進(jìn)一步控制。樁基承壓及樁基轉(zhuǎn)換是樁基托換的兩種常用方法[10-11]。

工程施工部分的橋梁樁基形變控制措施如表2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

地鐵隧道施工會(huì)給附近橋梁樁基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來(lái)一定影響。本文對(duì)橋梁樁基的作用機(jī)理進(jìn)行了分析，對(duì)引起橋梁樁基形變的主要因素進(jìn)行了總結(jié)，包括樁基周邊土質(zhì)特性、施工工藝以及地下水等因素。從參數(shù)優(yōu)化和工程施工兩方面討論了控制橋梁樁基形變的具體措施，工程施工部分列舉了隔斷墻、土體加固以及樁基托換等方法。在地鐵隧道施工對(duì)附近橋梁樁基的影響方面，本文進(jìn)行了系統(tǒng)性的總結(jié)并提出了控制措施，研究?jī)?nèi)容具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

[1]朱永全，宋玉香.地下鐵道[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2012.

[2]劉維寧.鐵路隧道[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

[3]熊巨華，王 遠(yuǎn)，劉 侃，等.隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近單樁豎向受力特性影響[J].巖土力學(xué)，2013，34（2）：475-482.

[4]劉 波.地鐵隧道施工誘發(fā)地表變形預(yù)測(cè)與反分析系統(tǒng)研究[C].中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第九屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2003.

[5]吳 波.復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2003.

[6]周正宇.地鐵鄰近既有橋梁施工影響分析及主動(dòng)防護(hù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[7]姚勇震.地鐵下穿鐵路橋試驗(yàn)段穩(wěn)定性分析及施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2012.

[8]鄭 艷.復(fù)雜條件下地鐵施工地層變形機(jī)理及對(duì)橋樁破壞研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2013.

[9]李曉敏.地鐵隧道盾構(gòu)法施工對(duì)鄰近建筑物樁基變形的影響研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2013.

[10]賀小儷.通—胡區(qū)間隧道暗挖施工對(duì)既有橋梁樁基礎(chǔ)的變形影響規(guī)律[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.

[11]張保圓.地鐵隧道施工對(duì)既有橋梁的變形影響規(guī)律研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2010.

作者簡(jiǎn)介：馬佳仁（1980—），工程師，研究方向：公路與橋梁。