地铁盾构隧道下穿既有桥群桩基础保护方案研究

2015-03-16谭富圣

铁道勘察 2015年2期

关键词：桥桩新建盾构

谭富圣

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

Research on the Protection Plan of Subway Shield Tunnel Building Beneath Existed Bridge Pile Group Foundation

TAN Fusheng

地铁盾构隧道下穿既有桥群桩基础保护方案研究

谭富圣

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

Research on the Protection Plan of Subway Shield Tunnel Building Beneath Existed Bridge Pile Group Foundation

TAN Fusheng

摘要根据沈阳地铁十号线某盾构区间隧道近距离下穿既有桥梁群桩基础的工程实例，结合既有桥梁的结构形式、现场周边环境条件、工程位置地质条件、新建盾构隧道与既有桥桩位置关系以及现场作业空间及施工条件，综合确定适合本工程的扩大板基础托换方案，并通过理论分析及数值模拟计算，进一步研究扩大板基础托换方案的合理性。研究结果表明，在盾构正常施工条件下，通过扩大板基础托换的实施，可大幅减少盾构隧道施工期间既有桩基的绝对沉降及群桩之间的差异沉降，显著降低下部新建盾构隧道管片的弯矩，改善新建盾构管片的受力条件。

关键词盾构隧道桥梁桩基托换下穿群桩沉降分析

1概述

随着城市轨道交通工程的大量建设，盾构隧道下穿既有桥桩的工程会越来越多，此类工程在施工过程及使用期间，新建隧道与既有桥梁之间存在着复杂的相互影响关系[1]，在设计施工过程中究竟采取何种处理措施，与现场的环境条件、既有桥梁的结构形式、新建隧道的施工工艺以及两者之间的相对位置关系等因素都密切相关[2-3]。结合沈阳地铁十号线某盾构区间下穿既有桥梁群桩基础的工程实例，系统研究既有桥梁的保护方案，分析保护方案实施过程的受力情况以及新建盾构隧道施工过程及使用期间与既有桥梁之间的相互影响。

2工程概况

沈阳地铁十号线某盾构区间位于崇山东路下方，线路出起点车站后沿崇山东路东行，下穿既有桥桥桩后到达终点车站。整个区间采用盾构法施工，为标准单洞单线圆形断面，结构外径6 m，厚度0.3 m，线间距12～15 m，覆土厚度9.8～17.8 m。崇山东路为沈阳市主干道，地面交通繁忙，车流量很大。

既有桥由新桥、旧桥两部分组成，新桥2012年建成，新桥的高架部分桩长37 m，桩径1.5 m，上部是30 m跨度的连续梁，新桥的平交部分桩长16 m，桩径1.2 m，上部为9 m、12 m跨度普通钢筋混凝土空心板，桩均为钻孔灌注桩；旧桥1985年建成，桩长15 m，桩径0.8 m，钻孔灌注桩，桩间距4.6 m(垂直桥向)×8.7 m(沿桥向)，垂直桥向桩顶设连续盖梁，盖梁顶部放置钢筋混凝土预制简支板。桥下为新开河，河底铺浆砌片石，河水深度1～2 m，桥下净空2.5 m左右，无地下管线。

本区间下穿既有桥的旧桥部分，其中盾构穿越既有桥桥桩部位结构顶与河底的覆土厚度约13.8 m，盾构区间线路中线间距为15 m，区间结构顶与既有桥桩底之间净距离最小为1.14 m。新建地铁盾构隧道与既有桥桩之间关系如图1、图2所示[4]。其中新桥设计过程考虑了后期地铁建设的影响，本处不再考虑新建盾构隧道施工对新桥的影响。

图1　既有桥桩与盾构隧道位置关系平面(单位：mm)

桥址处地层从上到下依次为：杂填土、粉质黏土、中粗砂、砾砂、圆砾、砾砂，桥桩桩底位于砾砂层中，区间隧道穿越砾砂、圆砾层。地下稳定水位埋深为10.1～12.8 m，地下水均为潜水。

图2　既有桥桩与盾构隧道位置关系立面(单位：mm)

3存在问题及保护方案分析

盾构隧道必须下穿既有桥桩，最安全的处理方式是临时拆除既有桥梁，待盾构施工完成后重建。但本工程所处位置地面交通繁忙，不允许地面交通受到影响，搭设临时替代桥梁条件也不具备。同时此方法造价高、工期长，因此不予考虑。

首先分析在不对既有桥梁桩基础进行托换处理条件下，盾构隧道施工完成状态的受力情况。此处仅分析新建隧道在基本组合作用下的受力情况，不分析在偶然组合作用下的受力[5]。桥梁自重按实际尺寸计算，上部汽车荷载按公路-Ⅰ级荷载考虑，最终计算单根既有桩承受最大荷载为1 626 kN，按桩端向下45°扩散后的均载作用在盾构隧道顶部，与盾构隧道承受的其他恒载进行组合(自重+水、土压力)，最终计算管片最大弯矩437.5 kN·m，对应轴力620 kN。按压弯构件计算，配筋率是正常段的2.5倍，已经接近超筋限值。另外，在地铁运营阶段，列车荷载产生振动，会带动管片及管片周边局部地层产生振动，既有桥桩端部与新建隧道管片之间距离仅为1.14 m，桩端在地铁振动范围之内。上部桥梁荷载和下部地铁荷载均存在振动，两者之间土体在长期振动荷载作用下难于保证强度不受影响。从以上两点考虑，即使盾构隧道施工期间能够保证既有桥梁的临时安全，也需要对既有桥梁桩基进行托换，以改善盾构隧道修建完成后两者的受力条件，确保使用年限内的安全。

图3　既有桥采用桩基托换示意立面(单位：mm)

桥桩托换最常用方式是在既有桥桩附近打设新桩，将新桩与既有桥桩或盖梁连接，通过新桩受力代替旧桥桩，此种方式受力明确，如图3所示。但本工程采用此种方式有一定困难，首先本工程桥下有新开河，仅能在河流枯水期进行桩基托换，否则导流困难，其次桥下净空仅为2.5 m，打桩设备实施难度大，施工工程量大、工期长且难度大，因此需考虑其他桥梁托换方式。本工程考虑在旧桥部位把桩基采用扩大基础连为整体，此种托换方式在下部盾构施工条件下，虽然受力不如桩托换方式明确，但把独立受力的桩基础连为整体，共同受力。由于下部的盾构施工对上部的整体基础影响只是局部，且这个局部在不断移动，大大降低了盾构施工对单桩的影响，只要及时实施管片背后注浆等处理措施，完全可以大幅降低盾构施工期间对既有桥梁的影响，同时也解决了运营期间两者之间的相互影响问题。此外，这种加固方式施工周期短，现场操作方便，因此重点对此种托换方式进行有限元计算，以检验此托换方式施工过程及使用期间的安全程度。

4桩基托换过程受力分析

对既有旧桥桩基础承载力进行核算，按照《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63—2007中5.3.3条公式进行计算，单桩最大承载力为1 502 kN，小于前面计算的单桩最大承受荷载1 626 kN。但实际桥梁运营良好，应该是计算方法改变导致可靠度的改变。为了进行扩大基础托换施工，现场需下挖2.4 m，由于上部摩阻力的减少，根据现有规范计算，桩基承载力变为1 430 kN，相比开挖前承载力变化4.8%，变化数值在承受范围内，扩大基础形成并受力后，由于扩大基础下部的③3地层承载力修正前的标准值为280 kPa，扩大基础承载力修正前就能达到7 212.8 kN，远远大于1 626 kN，托换后承载力完全满足要求。综合考虑抗冲切及构造要求，最终采用1.5 m厚度的钢筋混凝土扩大基础板。

5盾构推进过程受力分析

为了预测新建地铁盾构隧道施工对既有桥桩在不进行托换及进行托换两种方案下的影响状况，同时分析两种方案对盾构管片内力的影响，根据现场岩土参数，采用Flac软件建立地层—结构模型[7]，模拟盾构施工过程对两种既有桩基处理方式的具体影响规律。

5.1　计算模型及参数

模型以新建盾构隧道轴线方向为y轴，垂直隧道轴线为x轴，竖直方向为z轴，模型在y轴方向上长70 m，在x轴方向上长45 m，z轴方向上长45 m。隧道在z轴方向上距离桥桩底部1.14 m，隧道轴线相距15 m，桩间距为4.6 m×8.68 m(斜长)，扩大基础尺寸为16 m×35 m×1.5 m，扩大基础底部距离桥桩底部10.4 m，扩大基础顶部距离模型上边界(即河底)0.7 m。

根据新建盾构隧道、既有桥梁及新建扩大基础的空间位置关系，建立三维计算模型，整个模型网格划分效果如图4所示[8]，其中既有桩、新建扩大基础与下部新建隧道模型如图5所示，模型共划分为365 977个单元，62 782个节点。

图4　计算模型网格划分

图5　既有桥-扩大基础-隧道计算模型

模型中既有桩、新建扩大基础、盾构管片及土体均采用实体单元，其中既有桩基采用C30混凝土，新建扩大基础采用C40混凝土，盾构管片采用C50混凝土，均为弹性材料，土体本构模型采用Drucker-Prager模型，桥桩顶部荷载按最不利工况加载。计算模型中各土层的参数取值如表1，弹性材料参数按《混凝土结构设计规范》取值[9]。

表1　各个土层参数取值

5.2　计算工况及结果分析

根据实际施工情况，主要模拟以下5种工况。

工况1：新建盾构隧道施工前的初始工况。指既有桥桩顶部加载后，桩基及周围土层在自重及桩顶荷载作用下的初始状态。

工况2：新建盾构施工前，进行桩基托换的扩大基础部位土方开挖完毕状态。

工况3：新建盾构施工前，进行桩基托换的扩大基础浇筑完成状态。

工况4：新建盾构隧道分段掘进施工，为减少计算工作量，整个隧道的开挖过程分4段模拟，每段长度为17.5 m。

工况5：不进行地面扩大基础桩基托换，工况1的初始状态达到平衡后，即按工况4施工状态分段进行盾构掘进施工[10]，分段长度同工况4。

工况1作为既有桥桩的初始受力状态，将既有桩位移进行清零，重点研究桩基托换过程及后期盾构穿越桥桩过程对既有桩的影响及下部盾构受力影响。在工况1条件下，既有桩最大压应力为3.14 MPa，最大拉应力为0.26 MPa。

工况2条件下，由于上部局部土体的开挖，使既有桥桩丧失部分摩擦力，导致既有桩略有下沉，沉降0.16 mm，桩最大压应力变为3.38 MPa，最大拉应力变为0.34 MPa。从计算结果可以看出，在既有状态下对桥桩部位下挖2.4 m对既有桩的承载力及变形影响较小，可以保证既有桥梁的安全。

工况3条件下，托换扩大基础浇筑完成后，既有桩基向下沉降0.06 mm，桩最大压应力变为3.43 MPa，最大拉应力变为0.32 MPa。从计算结果可以看出，扩大基础的施工，使桩的变形及应力变化较小。

工况4条件下，模拟盾构分段施工对采用扩大基础托换后既有桥桩的影响，计算结果如表2所示，其中垂直隧道开挖方向由前向后第3排既有桥桩从左到右沉降如图6所示，沿隧道开挖方向中间排桥桩由前到后沉降如图7所示。盾构隧道全部开挖完成工况地面、扩大基础及桩变形云图如图8～图10所示，桩最大主应力云图如图11所示。

表2　工况4桩基在有扩大基础条件下计算结果

图6　工况4条件下垂直隧道开挖方向第3排5根桩沉降

图7　工况4条件下沿隧道开挖方向中间排6根桩沉降

图8　有扩大基础盾构施工完成土体变形

图9　有扩大基础盾构施工完成扩大基础变形

图10　有扩大基础盾构施工完成桩基变形

图11　有扩大基础盾构施工完成桩基最大主应力

从计算结果可以看出，在施做扩大基础后，同一盖梁下一排桥桩最大差异沉降为0.7 mm，沿桥纵向差异沉降扩大基础内仅为0.3 mm，边桩与中间桩之间最大差异沉降仅为1.2 mm，轴向应力虽然有所增加，但在承载力范围内。新建盾构结构最大压应力5.6 MPa，最大拉应力0.9 MPa。

工况5条件下，模拟盾构分段施工对未进行扩大基础托换既有桥桩的影响，计算结果如表3所示，其中垂直隧道开挖方向由前向后第3排既有桥桩从左到右沉降如图12所示，沿隧道开挖方向中间排桥桩由前到后沉降如图13所示。盾构隧道全部开挖完成工况地面及桩变形云图如图14～15所示，桩最大主应力云图如图16所示。

表3　工况5桩基在没有托换处理条件下计算结果

图12　工况5条件下垂直隧道开挖方向第3排5根桩沉降

图13　工况5条件下沿隧道开挖方向中间排6根桩沉降

图14　无托换盾构施工完土体变形

图15　无托换盾构施工完桩基变形

图16　无托换盾构施工完桩最大主应力

从计算结果可以看出，在没有进行扩大基础托换情况下，盾构隧道施工导致桩基最大沉降达到15.19 mm(控制标准不大于10 mm)，同一盖梁下相邻桩基沉降差最大2.5 mm(控制标准差异沉降不大于2 mm)，沿桥纵向差异沉降最大2.8 mm，最大沉降及沉降差均超过控制标准。新建盾构结构最大压应力5.4 MPa，最大拉应力0.5 MPa。对比分析工况4及工况5计算结果可以看出，采用扩大基础进行桩基托换对不同桩之间差异沉降及桩绝对沉降改善效果明显，同时新建盾构管片拉应力改善明显，说明在扩大基础托换条件下，盾构管片弯矩减少很多，对管片内力改善效果明显。在扩大基础托换条件下，虽然既有桥桩轴向应力有所增加，但在承载力范围内。

6实施过程盾构控制措施

盾构工法相比较传统暗挖工法，虽然在控制地层变形方面存在优势，但施工过程如果控制不当，也会引起较大的地层变形，无法实现计算模型中假设的条件，因此施工过程需对以下几个方面重点控制[11-12]。

(1)左、右线两台盾构机不能同时穿越既有桥桩影响区，需一台顺利穿越后，另一台方可穿越，避免两台盾构近距离施工过程对土体的相互干扰和影响。同时，第一台盾构施工的参数应作为第二台盾构施工的重要参考，可以更好地控制第二台盾构施工过程对地层的影响。

(2)盾构推进过程中，需以较低的匀速推进，并根据监测数据及时调整土舱压力，从而科学合理的设置土压力值和适宜的推进速度等参数，以达到对地层的最小扰动。本工程建议推进速度控制在20～30 mm/min。

(3)严格控制盾构推进方向，推进过程定期跟进中线控制桩，加密施工中线、高程的测量频率，并据以随时调整输入数据，保证激光导向的正确无误，使盾构推进误差减少，控制超挖量。

(4)及时进行同步注浆施工，同步注浆要保证注浆量和注浆压力，注浆量一般控制在理论建筑空隙的180%左右，注浆压力要大于注浆位置的静止水压力及土压力之和，并做到尽量的填补而不是劈裂。

(5)做好二次补浆，二次注浆宜采用低压、少量、多次注浆的方式补充原有浆液固结收缩所产生的空隙，同时在本穿越部位的管片预留注浆孔，根据现场监测情况考虑利用注浆孔进行多次补浆[13-14]。

7结论

(1)一个工程的最终实施方案，需结合实施工艺、现场的实际条件及相互影响的位置关系最终确定，本工程案例中，如果新建盾构隧道与既有桥桩之间竖向距离进一步加大，通过数值分析可能无需地面桩基托换也可满足既有桥梁安全。

(2)任何对既有桥梁进行处理的托换方案，实施过程都会对既有桥梁受力产生影响，因此需分析具体托换方案实施过程既有桥梁的受力变化情况，确保托换方案实施过程既有桥梁的安全。

(3)采用扩大基础方式对既有桥桩进行托换，把原来独立的桩基础连为整体，在下部盾构隧道施工过程中，能有效减少既有桥桩之间的差异沉降并同时减少既有桥桩的绝对沉降。

(4)采用扩大基础方式对既有桥桩进行托换，对于盾构正下穿既有桩基且既有桩与新建盾构隧道之间距离较近情况，可以显著改善盾构管片的受力条件。