黃愛(ài)軍

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，上海 200125)

0 引言

隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的不斷完善，繁忙鬧市地區(qū)地下工程施工中出現(xiàn)了越來(lái)越多的單洞雙線盾構(gòu)區(qū)間。盾構(gòu)直徑越大，其施工影響范圍和影響能力越大。這類課題越來(lái)越引起了國(guó)內(nèi)外工程界的關(guān)注。N.Loganathan等［1］通過(guò)離心模型試驗(yàn)得出了隧道開(kāi)挖引起的地層移動(dòng)和對(duì)于鄰近樁基的影響;朱合華等［2］應(yīng)用不連續(xù)模型分析了盾構(gòu)施工過(guò)程的內(nèi)力變化;王善勇等［3］運(yùn)用RFPA2D程序?qū)V州地鐵二號(hào)線盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)均勻地基沉降的影響，但未考慮樁基的承載特性的影響;朱逢斌等［4］通過(guò)采用摩爾－庫(kù)倫彈塑性屈服準(zhǔn)則，研究軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近樁基的影響規(guī)律;張海波等［5］采用三維非線性有限元方法，分析了盾構(gòu)近距離掘進(jìn)施工全過(guò)程對(duì)橋梁樁基的影響分析;王炳軍等［6］通過(guò)數(shù)值模擬，分析了地鐵隧道盾構(gòu)法施工對(duì)不同類型樁基的影響;李松等［7］運(yùn)用MIDAS/GTS三維有限元分析軟件，模擬了盾構(gòu)隧道動(dòng)態(tài)施工對(duì)近接高架橋樁基的影響，重點(diǎn)分析了樁基水平位移及沉降的發(fā)展規(guī)律。針對(duì)越來(lái)越嚴(yán)格的保護(hù)要求，周正宇等提出了主動(dòng)防護(hù)的概念和措施［8］，并在工程中得到實(shí)踐［9］。本文通過(guò)數(shù)值分析，研究盾構(gòu)施工對(duì)群樁中不同位置樁基的變形和內(nèi)力影響，并利用復(fù)合錨桿樁［11］作為隔斷樁用于10 m內(nèi)徑盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近樁基的主動(dòng)保護(hù)。

1 工程背景

1.1 項(xiàng)目概況

北京地鐵14號(hào)線高家園站－望京站區(qū)間為單洞雙線形式，采用10.6 m的土壓平衡盾構(gòu)施工。管片外徑10 m，厚度0.5 m，環(huán)寬1.8 m。區(qū)間側(cè)穿機(jī)場(chǎng)快軌位置處盾構(gòu)距離地表面約為15.9 m，與近端群樁前排樁凈距為3.3 m，與遠(yuǎn)端前排樁凈距為18.8 m，軌頂面標(biāo)高為 19.10 m。

該段機(jī)場(chǎng)快軌為高架結(jié)構(gòu)，穿越處相鄰橋樁的距離為30 m。橋墩的高度為8.25 m，承臺(tái)厚度為2 m，橋樁深度為35 m，橋梁的寬度約為8 m。

盾構(gòu)隧道與機(jī)場(chǎng)快軌平、剖面關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 盾構(gòu)隧道與機(jī)場(chǎng)快軌平、剖面關(guān)系圖Fig.1 Relationship between shield-bored tunnel and airport transit line:general plan layout and profile

1.2 機(jī)場(chǎng)快軌現(xiàn)狀及控制要求

機(jī)場(chǎng)快線是高架簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)。高峰時(shí)段運(yùn)營(yíng)時(shí)間間隔8.5 min，其他時(shí)段10 min，最高運(yùn)營(yíng)速度100 km/h。由于機(jī)場(chǎng)快軌采用三軌供電，且運(yùn)營(yíng)速度高，要求盾構(gòu)施工引起的樁基豎向沉降小于2 mm，側(cè)向變形小于1 mm。

1.3 工程地質(zhì)

地層自地表往下為:人工堆積層(填土層①)，第四紀(jì)全新沖洪積層(粉土層③、粉質(zhì)黏土層④、粉土層④1、粉細(xì)砂層④3)，第四紀(jì)晚更新沖洪積層(粉質(zhì)黏土層⑥、卵石圓礫層⑦、粉質(zhì)黏土和黏土層⑧、卵石圓礫層⑨、粉質(zhì)黏土和黏土層⑩)。盾構(gòu)主要穿越⑥層粉質(zhì)黏土層。

2 盾構(gòu)穿越時(shí)的樁基響應(yīng)

2.1 計(jì)算模型的建立

計(jì)算中取橋梁相鄰兩跨，模型全長(zhǎng)122 m，寬74 m，高50 m。土體頂部不受任何約束，4個(gè)側(cè)面限制與該面垂直方向位移，底部限制豎向位移。

模型中土體采用德魯克－普拉格(D－P)彈塑性模型模擬土層性狀。承臺(tái)及樁基為C30混凝土，襯砌管片為C50混凝土，建模時(shí)采用線彈性模型，泊松比為0.2。襯砌管片為拼裝結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)考慮將其剛度折減至0.8，樁、土之間采用接觸面模型。盾構(gòu)施工采用地層損失率0.4%模擬，并充分考慮盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的施工工序，按照每環(huán)寬度1.8m為一個(gè)施工步進(jìn)行分析。模型參數(shù)見(jiàn)表1，土體有限元模型見(jiàn)圖2。

表1 模型材料參數(shù)Table 1 Parameters of materials

圖2 隧道開(kāi)挖的土體有限元模型Fig.2 Finite element model

2.2 群樁力學(xué)行為分析

根據(jù)盾構(gòu)法施工工藝，施工過(guò)程可以分為4個(gè)典型階段:頂推階段、盾尾注漿、盾尾脫開(kāi)、固結(jié)沉降階段。理想的頂推和盾尾注漿應(yīng)為土壓平衡階段，本文主要考慮盾尾脫開(kāi)及固結(jié)階段的影響。盾構(gòu)施工時(shí)釋放周邊土體應(yīng)力，周邊土體向隧道方向產(chǎn)生位移，由于土體橫向位移沿樁身變化不均勻，樁體發(fā)生彎曲。樁基橫向變形及附加彎矩見(jiàn)圖3和圖4。從圖3可見(jiàn)，近、遠(yuǎn)端樁基變形形態(tài)一致，遠(yuǎn)端樁基受影響較小，滿足使用要求。近端樁基中前排樁距離隧道更近，其受開(kāi)挖應(yīng)力釋放引起的側(cè)向土體位移更大;同時(shí)由于承臺(tái)約束作用，前、后排樁樁頂水平位移值幾乎相同，樁身水平位移有較大差別，但最大值均出現(xiàn)在隧道中心位置附近。

圖3 樁基橫向變形圖Fig.3 Lateral deformation of pile

圖4 樁基附加彎矩圖Fig.4 Additional bending moment of pile

由于樁體剛度遠(yuǎn)大于周邊土體，近盾構(gòu)側(cè)土體脫開(kāi)的趨勢(shì)導(dǎo)致樁體在隧道中心對(duì)應(yīng)位置附近處產(chǎn)生較大的附加橫向彎矩，且遠(yuǎn)端樁基產(chǎn)生的附加彎矩遠(yuǎn)小于近端。由于樁頂與承臺(tái)剛接，前排樁與后排樁樁頂處均出現(xiàn)了負(fù)彎矩，且前排樁彎矩大于后排樁彎矩，但不論前排樁還是后排樁，樁身彎矩最大值仍出現(xiàn)在隧道起拱線深度附近。

計(jì)算結(jié)果顯示，盾構(gòu)施工過(guò)程中，樁基跟隨周邊土體共同變形并產(chǎn)生附加內(nèi)力，當(dāng)盾構(gòu)距離樁基較近時(shí)，群樁中的前排和后樁基橫向變形和附加彎矩值都比較大。同時(shí)，由于盾構(gòu)影響范圍內(nèi)土體擾動(dòng)產(chǎn)生負(fù)摩阻力導(dǎo)致樁體周邊及樁端反力的重新分布，樁側(cè)和樁端軸力增大，并導(dǎo)致豎向沉降的發(fā)生。

樁基沉降及附加軸力見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 樁基沉降圖Fig.5 Settlement of pile

圖6 樁基附加軸力圖Fig.6 Additional axial force of pile

由圖5可見(jiàn)，由于樁體軸向剛度較大，沉降沿樁身基本不變。前排樁及后排樁的沉降最大值出現(xiàn)在樁頂，樁身有較小的壓縮變形。同時(shí)，由于樁體頂部承臺(tái)的聯(lián)結(jié)作用使得群樁中前、后排樁的沉降差比較小。

盡管前排樁的沉降僅略大于后排樁，但由于前排樁樁側(cè)受盾構(gòu)影響的程度明顯大于后排，產(chǎn)生的負(fù)摩阻力較大，前排樁樁側(cè)磨阻力、樁端阻力增量均明顯大于后排樁，故前排樁內(nèi)軸力增量值較后排樁要大。樁身軸力最大值均出現(xiàn)在隧道底部深度附近。

通過(guò)以上分析可見(jiàn)，盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)樁基的變形和內(nèi)力都有影響，尤其對(duì)距離較小的樁基影響更為明顯。距離較近時(shí)，應(yīng)采取措施減小該影響。

3 綜合防護(hù)技術(shù)

3.1 綜合防護(hù)機(jī)理

本工程的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源于土體開(kāi)挖，采用大盾構(gòu)施工，是一種對(duì)地層擾動(dòng)少、環(huán)境變形小的施工方法。對(duì)盾構(gòu)施工的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，需要控制地層變形，按土層變形發(fā)展機(jī)理，可采取"降"或"堵"2種方式進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)。

1)加固地層降低地層變形。采用洞內(nèi)注漿、地面注漿等多種方式改良隧道周邊、隧道和樁基之間的土體，以達(dá)到降低地層變形的目的。注漿加固可大大提高土體的E、c、φ的值，減小μ值，從而提高了土體的整體強(qiáng)度和自穩(wěn)能力。

2)隧道與既有橋梁間隔離樁阻隔變形。隧道邊有剛性樁基時(shí)，地層開(kāi)挖釋放能量將被樁基部分吸收而導(dǎo)致地層變形降低。通過(guò)設(shè)置隔離樁吸收變形來(lái)達(dá)到阻隔變形傳遞的目的。隔離樁設(shè)計(jì)時(shí)一般可以采用錨桿樁、樹(shù)根樁、灌注樁等結(jié)構(gòu)形式。

復(fù)合錨桿樁成孔后在同一鉆孔中設(shè)置不同長(zhǎng)度的高壓注漿管，分段中、高壓注漿，施工采用了特殊的施工工藝根據(jù)需要調(diào)節(jié)注漿壓力，注漿壓力最高可達(dá)5 MPa，孔壁外側(cè)土層在高壓下，孔隙被充填，土體被劈裂、擠密，孔壁周圍的土體也被逐漸固結(jié)和強(qiáng)化，從而有效地提高了土體的物理力學(xué)性質(zhì)。

采用多排復(fù)合錨桿樁，提高隔離樁剛度，同時(shí)加固剛性樁體之間的土層，兼具以上兩種作用，更有效的阻斷地層變形傳遞，達(dá)到了綜合防護(hù)的效果。

采用套管護(hù)壁微擾動(dòng)施工，經(jīng)分析基本可忽略復(fù)合錨桿樁施工對(duì)橋樁的影響。

3.2 復(fù)合錨桿樁防護(hù)效果分析

3.2.1 計(jì)算模型的建立

在前述模型基礎(chǔ)上增加復(fù)合錨桿樁的模型，將注漿體及錨桿樁視為不同的彈性體。力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters

3.2.2 樁體參數(shù)的選擇

隔離樁必須穿過(guò)土體滑移面并具備一定的插入深度才能有效地限制土體位移。隨著隔離樁樁長(zhǎng)的增加，地面土體變形逐漸減小。采用3排復(fù)合錨桿樁布置，隔離樁樁長(zhǎng)分別為21 m(到盾心)、26 m(到盾底)、29 m(盾底3 m)、31 m(盾底5 m)情況下的計(jì)算結(jié)果。錨桿樁樁長(zhǎng)對(duì)橋樁變形的影響見(jiàn)圖7。

圖7 錨桿樁樁長(zhǎng)對(duì)橋樁變形的影響Fig.7 Lengths of anchor piles Vs deformation of existing bridge piles

由于盾構(gòu)施工導(dǎo)致的土體應(yīng)力釋放是全周范圍，因此，為了達(dá)到控制樁基沉降，隔離樁的設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)必須達(dá)到一定的深度，才能起到一定的遮擋作用，發(fā)揮減小地層變形的作用。根據(jù)計(jì)算分析，樁體達(dá)到盾構(gòu)底部3 m后，樁基的豎向沉降明顯變小。

單個(gè)錨桿樁直徑小，剛度相對(duì)較小，但可以采取多排梅花形布置并于頂部設(shè)置圈梁使多排錨桿樁形成整體，且其間的土體經(jīng)過(guò)加固，使得鋼筋與加固后的加固體形成了一個(gè)有一定水平剛度的隔離體，同時(shí)加固后的土體自身應(yīng)力釋放率也得到改善，復(fù)合錨桿樁能起到較好的隔離作用。采用1、2、3、4排29 m復(fù)合錨桿樁情況下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 錨桿樁排數(shù)對(duì)橋樁變形的影響Fig.8 Rows of anchor piles Vs deformation of existing bridge piles

由圖8可知，單排樁剛度較小，頂部連接的多排樁剛度明顯增加，控制樁后土體變形的效果很明顯。設(shè)置3排錨桿樁即可滿足工程需求。

3.2.3 錨桿樁布置

在大盾構(gòu)與近端橋梁樁基之間設(shè)置3排復(fù)合錨桿樁，樁徑 φ150@600，呈梅花形布置。樁頂設(shè)置1 350 mm×600 mm冠梁。復(fù)合錨桿樁底標(biāo)高8.9 m，樁長(zhǎng)26 m，樁底距隧道底約3 m。剖面圖見(jiàn)圖9。

圖9 采用錨桿樁防護(hù)橫剖面圖(單位:mm)Fig.9 Profile of protection of existing bridge piles by means of anchor piles

3.2.4 樁基位移

根據(jù)分析，采用隔離樁保護(hù)措施后，地層損失率0.4%時(shí)，盾構(gòu)施工對(duì)橋梁的主要影響如下:橋樁最大豎向變形1.9 mm，最大水平變形為1.35 mm，承臺(tái)水平位移0.5 mm。相鄰橋墩累計(jì)最大差異沉降1.7 mm，軌道累計(jì)最大沉降2.0 mm，滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求。錨桿樁防護(hù)后橋樁沉降分析結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 錨桿樁防護(hù)后橋樁沉降分析結(jié)果Fig.10 Analysis result of settlement of existing bridge piles protected by anchor piles

該盾構(gòu)區(qū)間已經(jīng)于2013年3月成功穿越機(jī)場(chǎng)快軌，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，穿越側(cè)橋墩最大豎向變形1.5 mm，水平變形0.9 mm。采用多排復(fù)合錨桿樁具有明顯的防護(hù)作用。

4 結(jié)論與建議

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)單洞雙線盾構(gòu)近距離穿越橋樁基礎(chǔ)進(jìn)行了模擬分析，對(duì)不同位置橋樁的位移、應(yīng)力進(jìn)行比較，并對(duì)用復(fù)合錨桿樁進(jìn)行防護(hù)的方法進(jìn)行了深入研究，主要結(jié)論和建議如下。

1)單洞雙線盾構(gòu)隧道近距離穿越已建橋樁基礎(chǔ)時(shí)，將使樁基產(chǎn)生相當(dāng)大的位移和應(yīng)力，距離較近時(shí)，將嚴(yán)重影響樁基礎(chǔ)的安全使用，需要論證采取隔離樁主動(dòng)防護(hù)的必要性。

2)復(fù)合錨桿樁可多排組合形成較大剛度，并同時(shí)對(duì)樁基周邊土體加固，在環(huán)境條件嚴(yán)苛處作為盾構(gòu)穿越的防護(hù)隔斷樁顯示出其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

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