劉歡

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 城市軌道與地下工程設(shè)計(jì)研究院 地下工程所，湖北 武漢 430063)

目前，軌道交通已成為各大城市發(fā)展公共交通、解決交通擁堵問(wèn)題的首選，但是，軌道交通的建設(shè)必然會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響．其中，盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿橋梁樁基是建設(shè)過(guò)程中較為常見(jiàn)的難題． 新建隧道施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)既有橋樁受力和變形的影響應(yīng)控制在要求的范圍內(nèi)，也要保證軌道交通的正常運(yùn)營(yíng)．《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》(GB 50652—2011)中提到:小凈距隧道是指兩隧道間距小于隧道直徑的60%． 因此，有必要計(jì)算和分析小凈距盾構(gòu)隧道的施工對(duì)既有橋樁影響的受力特征，并以此為依據(jù)，采取必要的預(yù)控或控制措施減小新建盾構(gòu)隧道對(duì)既有橋樁的影響．

以鄭州地鐵1 號(hào)線二期市體育中心站—龍子湖中心站區(qū)間盾構(gòu)隧道以小凈距側(cè)穿尚賢東橋橋樁為例，利用有限差分程序FLAC3D 模擬盾構(gòu)施工過(guò)程，分析盾構(gòu)施工對(duì)不同凈距的橋樁的影響，并提出合理的橋樁保護(hù)方案，可為類似工程提供借鑒．

1 工程概況

1．1 周邊環(huán)境

鄭州地鐵1 號(hào)線二期市體育中心站—龍子湖中心站區(qū)間沿明理路下方敷設(shè)．場(chǎng)地主要為黃河沖積平原，較平整，周邊為城市道路、建筑，北低南高．城市道路下方管線較密集．該區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，隧道外徑D=6 m．盾構(gòu)隧道在DK36 +290—DK36 +420 段以半徑650 m 側(cè)穿既有的尚賢東橋．區(qū)間線路側(cè)穿橋梁處盾構(gòu)隧道埋深約12．5 m，線間距為9．6 m．

尚賢東橋采用城－A 荷載等級(jí)設(shè)計(jì)，為雙幅橋、三跨(32 m+48 m +32 m)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，基礎(chǔ)采用樁接承臺(tái)，樁基為鉆孔灌注樁，樁徑為1 200 mm，墩臺(tái)樁長(zhǎng)為45 m，橋臺(tái)處樁長(zhǎng)為35．2 m．

新建區(qū)間盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋樁的平、剖面關(guān)系如圖1 與圖2 所示． 盾構(gòu)隧道與橋梁樁基之間的凈距見(jiàn)表1．

表1 盾構(gòu)隧道與樁基最小凈距m

1．2 橋樁控制標(biāo)準(zhǔn)的制定

一般情況下，采用允許位移值作為橋樁的沉降控制值．但是，橋樁的沉降控制值的制定，既要滿足橋樁的承載力要求，又要滿足橋梁上部結(jié)構(gòu)的允許沉降值，因此，依據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)、《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ 99—2009)和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)，結(jié)合鄭州地鐵1 號(hào)線一期工程穿越橋梁的工程經(jīng)驗(yàn)，建議本區(qū)間側(cè)穿尚賢東橋單墩沉降允許位移值取15 mm，單樁水平位移允許值取6 mm． 為有效控制樁基的沉降和水平位移，取樁基沉降和單樁水平位移允許值的80%作為警戒值，取樁基沉降和單樁水平位移允許值的40%作為預(yù)警值．制定的橋樁控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2．

圖1 區(qū)間隧道與尚賢東橋平面關(guān)系圖(單位:m)

圖2 區(qū)間隧道與尚賢東橋剖面關(guān)系圖(單位:m)

表2 橋樁控制標(biāo)準(zhǔn)mm

2 施工影響預(yù)測(cè)

利用快速拉格朗日有限差分程序FLAC3D，對(duì)盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋樁過(guò)程進(jìn)行模擬分析．

2．1 工程地質(zhì)及材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，工程所處場(chǎng)地為黃河沖積平原，地形平坦，地表以下50 m 以內(nèi)地基土屬第四系(Q)沉積地層，主要地層為填土層、黏質(zhì)粉土層、細(xì)砂層及中砂層． 選取F1Jz2-Ⅲ14-47 鉆孔進(jìn)行計(jì)算．土層分布及各層土的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3．

表3 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

2．2 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

為簡(jiǎn)化分析，不考慮土體流變與混凝土蠕變以及地下水的影響，同時(shí)，盾構(gòu)隧道圓形開(kāi)挖面上應(yīng)力釋放為10%;不考慮盾構(gòu)管片與圍巖之間空隙同步注漿及二次注漿．

采用直角坐標(biāo)系，其中，x 方向長(zhǎng)度為50 m，y 方向長(zhǎng)度為10 m，z 方向長(zhǎng)度為40 m，模型寬度大于5d(d為孔洞直徑)，左線隧道在x 軸上的取值范圍為－7．8 ～－1．8 m，右線隧道在x 軸上的取值范圍為1．8 ～7．8 m，z 軸取值范圍均為－12．5 ～－18．5 m．模型中，取z 方向?yàn)橹亓Ψ较?，隧道沿y 軸方向布置．模型計(jì)算模型網(wǎng)格如圖3 和圖4 所示，模擬過(guò)程如圖5 所示．

圖3 三維計(jì)算模型示意圖

圖4 三維計(jì)算模型網(wǎng)格圖

圖5 模擬流程圖

2．3 結(jié)果分析

2．3．1 隧道施工對(duì)周邊土體的影響分析

由于隧道開(kāi)挖引起的地層擾動(dòng)，盾構(gòu)隧道縱向所在區(qū)域的正上方一定范圍內(nèi)的土層發(fā)生了變形，橋樁及承臺(tái)也由于盾構(gòu)隧道的開(kāi)挖發(fā)生了豎向和水平位移．當(dāng)左線盾構(gòu)隧道貫通時(shí)，地層最大豎向沉降為17．85 mm，地層最大水平位移為4．55 mm． 當(dāng)雙線盾構(gòu)隧道貫通時(shí)，地層最大豎向沉降為17．06 mm，地層最大水平位移為4．76 mm． 計(jì)算所得隧道周邊土體水平、豎向位移云圖如圖6—9 所示．

圖6 左線隧道通過(guò)后地層豎向位移云圖

圖7 左線隧道通過(guò)后地層水平位移云圖

圖8 雙線隧道通過(guò)后地層豎向位移云圖

圖9 雙線隧道通過(guò)后地層水平位移云圖

2．3．2 隧道施工對(duì)橋樁的影響分析

尚賢東橋0#—3#墩臺(tái)最近橋樁的豎向及橫向位移、軸力、彎矩如圖10—13 所示．

圖10 0#—3#墩臺(tái)最近橋樁豎向位移圖

圖11 0#—3#墩臺(tái)最近橋樁水平位移圖

圖12 0#—3#墩臺(tái)最近橋樁軸力圖

圖13 0#—3#墩臺(tái)最近橋樁彎矩圖

分析圖10—13 可知，隧道施工對(duì)樁基的變形影響主要有:

1)從圖10—11 可以看出，雙線盾構(gòu)隧道貫通后，與盾構(gòu)隧道凈距最小的橋樁(0#墩臺(tái))的豎向和水平位移最大，分別為4．67 mm 和1．92 mm．

2)從圖12—13 可以看出，雙線盾構(gòu)隧道貫通后，與盾構(gòu)隧道凈距最小的橋樁(0#墩臺(tái))的軸力和彎矩最大，最大軸力在樁身1/2 處，為2 638 kPa，樁底軸力為463 kPa;彎矩在鄰近隧道位置處最大為588 kN·m．

3)從圖10—13 可知，隧道開(kāi)挖對(duì)既有樁基的影響隨著樁基距隧道軸線距離的增加而減?。?左線隧道的施工主要對(duì)臨近一側(cè)的橋樁影響較大，對(duì)遠(yuǎn)離左線隧道的橋墩影響很小，并且與左線隧道距離較近的橋樁，由于距離隧道軸線更近，故其變形也更大．右線隧道施工后，距離較近的橋墩的樁基位移明顯增加，變形規(guī)律跟臨近左線隧道的橋樁相似．

4)樁基的變形特征．在隧道拱頂水平面以上主要為沉降和趨于隧道的水平位移;在隧道范圍內(nèi)及底部約1D ～2D 范圍內(nèi)隨著周?chē)馏w的向外移動(dòng)而發(fā)生遠(yuǎn)離隧道方向的變形，但變形量較小;隧道底部1D ～2D 以下至樁底的范圍內(nèi)，樁基變形也基本以趨向隧道的水平位移為主，沉降量很?。?/p>

經(jīng)驗(yàn)算，橋樁的最大沉降量、轉(zhuǎn)角均滿足橋梁設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)，樁端軸力在巖層極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)．

3 施工過(guò)程控制

根據(jù)國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，土壓平衡盾構(gòu)在施工中需要采取以下綜合措施，以控制對(duì)橋樁的影響．

3．1 前期準(zhǔn)備工作

盾構(gòu)機(jī)在距離橋樁20 m 時(shí)，加強(qiáng)設(shè)備維修，進(jìn)行刀盤(pán)、注漿系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、推進(jìn)千斤頂及監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備的檢修，確保穿越過(guò)程中設(shè)備無(wú)故障、連續(xù)勻速通過(guò)．

3．2 盾構(gòu)掘進(jìn)控制

對(duì)盾構(gòu)到達(dá)0#墩臺(tái)前50 m 范圍內(nèi)的掘進(jìn)參數(shù)及地面沉降情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，制定盾構(gòu)掘進(jìn)最優(yōu)參數(shù)．在穿越橋梁時(shí)應(yīng)適當(dāng)放慢盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度，勻速穿越橋梁區(qū)段，以盡量減少對(duì)土體的擾動(dòng)．

加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)中的工況管理，嚴(yán)防泥餅生成和土倉(cāng)堵塞，避免在橋梁范圍內(nèi)清洗土倉(cāng)，減少盾構(gòu)推進(jìn)方向的改變．

確保盾尾密封，加強(qiáng)盾尾艙的管理:在推進(jìn)過(guò)程中，增加盾尾刷保護(hù)及嚴(yán)格控制盾尾油脂的壓注;安排專人觀察盾尾漏漿情況，確定無(wú)漏漿后再進(jìn)行正常掘進(jìn)．

3．3 加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)

加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)橋樁的監(jiān)測(cè)．在過(guò)橋面布設(shè)主觀測(cè)斷面，對(duì)地層和軌面做變形量測(cè)．充分重視監(jiān)控量測(cè)信息化施工，及時(shí)優(yōu)化調(diào)整掘進(jìn)施工參數(shù)，做到信息化動(dòng)態(tài)施工管理．

4 結(jié) 語(yǔ)

1)小凈距盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿橋樁施工時(shí)，橋樁產(chǎn)生較大的水平和豎向位移，并產(chǎn)生了一定的軸力和彎矩．

2)橋樁距離盾構(gòu)隧道距離越近，盾構(gòu)施工對(duì)橋樁的影響越大．

3)對(duì)于本項(xiàng)目而言，盾構(gòu)隧道以小凈距側(cè)穿橋樁時(shí)，在不采取加固措施的情況下，橋樁的變形在允許范圍內(nèi)，盾構(gòu)隧道可安全通過(guò)．

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