任建喜 于松波 孟 昌

（西安科技大学建筑与土木工程学院，710054，西安∥第一作者，教授）

浅埋暗挖施工改变了隧道周围土体的围岩应力，所引起的变形通过土体介质传递至邻近构筑物，致使其发生一定的变形，甚至会威胁到构筑物的正常使用［1－3］。实践中，浅埋暗挖施工引起邻近构筑物变形破坏的事例层出不穷，原因在于施工设计人员未能掌握浅埋暗挖法施工引起邻近构筑物的变形规律，不能采取有效的控制措施。虽然不少学者和专家对此进行了大量研究，也取得了许多成果［4－9］。但是，对于地质条件复杂的西安黄土地区，浅埋暗挖法施工引起邻近构筑物变形规律仍需研究。本文以西安地铁3号线某区间隧道中隔墙加台阶（CRD）法施工工程为依托，研究CRD 法施工对邻近桥桩变形的影响规律，并提出合理有效的控制桥桩变形措施，以确保施工过程中桥桩的安全稳定，为西安地区相似工程条件下地铁隧道的安全施工提供技术支撑。

1 工程概况

研究的地铁隧道CRD 法施工工程在西安地铁3号线某区间内，其左线隧道自里程ZDK31＋443.908往北开挖至ZDK31＋575.908，右线隧道自里程 YDK31＋443.965 往北开挖至 YDK31＋560.965。该区间隧道邻近重要性为Ⅰ级的东二环长乐桥，其桥桩基础为直径1.3 m、埋深43 m 的钢筋混凝土摩擦桩，距地铁隧道仅有1～3 m，其平面位置关系见图1。

该区间隧道下穿地层的地质条件复杂，地层岩土主要是素填土、新黄土、老黄土、古土壤及粉质黏土。由地质勘查报告可知，对地铁施工产生影响的是地下潜水，潜水层水位约为地下9.5～11.6 m，场地内地下潜水稳定水位埋深10.4～15.6 m 之间，补给水源主要为大气降水和侧向地下水径流。场区内采用井点法进行降水，通过侧向径流排泄。

图1 西安地铁3号线地铁隧道与既有桥桩的平面位置图

2 CRD法施工对邻近桥桩变形影响的数值模拟

2.1 FLAC 3D模型的建立

数值模型的准确建立对模拟出可靠的桥桩变形规律至关重要。FLAC软件模拟采用显式算法以得到模型所有运动方程的时间步长解，准确记录材料的渐进破坏和跨落，因此本文采用此软件进行预测研究。暗挖隧道施工断面为8.47 m（高）×8.08 m（宽），拱顶埋深约为10 m，左右线隧道轴线间距约为11 m，暗挖隧道右线外轮廓线距离既有桥桩基础的边缘为3 m。考虑隧道和桥梁的尺寸资料及暗挖隧道施工的影响范围，最终确定计算模型的尺寸为60 m（长）×84 m（宽）×50 m（高）；考虑到桥梁车道荷载与桥身自重均由桥墩承受，模拟中每个桥墩承受荷载采用3 587 kN；采用莫尔－库仑模型模拟开挖土体，模型上表面无约束，其余界面加法向约束。建立的FLAC3D 计算模型见图2。

图2 FLAC3D 计算模型

2.2 计算参数的确定

由地质勘查资料可得，模型中各土层物理力学参数如表1所示。CRD 法施工的初期支护材料是厚度为300 mm 的C25早强混凝土，二次衬砌为厚度为500 mm 的C40混凝土。桥梁及支护结构计算参数见表2。

表1 土层物理力学参数

表2 桥梁及支护结构计算参数

2.3 CRD法施工的FLAC 3D模拟

数值模型严格按照CRD 法施工方案进行开挖支护模拟。模拟工况为：左上导洞→左下导洞→右上导洞→右下导洞，超前小导管采用Cable单元，一衬和二衬采用实体单元。在模拟开挖过程中进行桥桩变形的计算，数值模拟地表沉降及桥桩变形监测点布置见图3。

图3 地表沉降及桥桩变形监测点布置图

2.4 模拟计算结果分析

2.4.1 地表沉降规律分析

由图4可得，地表最大沉降位置在两开挖隧道轴线中间的上方，最大值为34.87 mm，地表沉降槽范围为两隧道轴线左右20 m 内。由开挖隧道与桥梁的平面位置关系可得，长乐桥位于CRD 法施工诱发的地表沉降槽范围内。

图4 地表沉降曲线图

2.4.2 桥桩水平位移变化规律分析

桥桩埋深比开挖隧道埋深大很多，在隧道开挖影响范围内，既有桥梁桩体主要发生水平变形，竖向位移很小。因此本文主要研究分析CRD 法施工诱发的桥桩水平变形规律。桥梁桩基础水平位移云图和水平变形曲线分别如图5、图6所示，图中的正位移值表示桩体向背离隧道方向位移，负位移值表示桩体向靠近隧道方向位移。

图5 桩基础水平位移云图

图6 桩基础水平变形曲线

从图5和图6可以看出，CRD 法施工诱发的既有桥桩的水平位移较大，桥桩顶端和底部发生负向位移，桥桩中部桩体产生正向位移；桥桩距地铁隧道愈近其水平变形愈大；在桩体埋深10～22 m 范围内，CRD法施工诱发的桥桩变形最显著，其中桩体埋深约在15 m 时达到水平位移最大值，原因在于该位置与隧道轴线在同一水平位置，即隧道开挖引起土体卸载效应最大的位置；桥桩最大负位移为17.83 mm、最大正位移为15.02 mm，究其原因为，隧道开挖导致其影响范围内的土体应力重分布，从而改变既有桩基础的桩侧和桩端摩阻力，降低了桩基础抵抗变形的能力，使之产生倾向隧道侧的水平变形。

2.4.3 桥桩倾斜率分析

隧道采用CRD 法施工时模拟计算得到的1＃、2＃、3＃、4＃桥墩沿隧道轴向倾斜率分别为2.47%、1.85%、2.88%、2.14%。由此可知，桥墩主要沿隧道轴向发生了倾斜，桥桩产生的倾斜率随其距开挖隧道的距离减小而增大，这是由于邻近隧道侧的桥桩位于隧道开挖后所形成的沉降槽内，受施工影响较大。CRD 法施工引起长乐桥桥桩发生的最大倾斜率为2.88‰，超过了允许控制值2‰。

综上所述，CRD 法施工诱发的桥桩水平变形和桥墩倾斜率较大，已超过变形允许值，为保证施工过程中既有桥梁的安全，须对桥梁基础采取加固措施。

3 变形控制措施

通过对比注浆法、隔离法和托换法等各种控制措施的加固原理和适用特性，考虑西安地区地质条件及桥桩变形的原因，本工程采取袖阀管注浆技术来加固既有桩基周边土体，以改善桥桩基础周边土体性质，提高桩体桩侧摩阻力及抵抗变形的能力，从而保证地铁隧道施工期间既有桥梁的安全使用。

根据现场实际及数值模拟结果设计了桥桩变形控制方案，袖阀管环绕桥桩四周布置（见图7），加固土层深度为48 m（上部空桩为13.5 m，下部实桩为34.5 m），按照从外到内、间隔跳灌的注浆原则进行注浆加固。注浆参数见表3。

图7 袖阀管布置平面图

表3 袖阀管注浆参数

4 现场监测及数据分析

科学合理的监测方案为控制施工对既有构筑物产生不良影响提供可靠的参考数据，是准确评价加固方案的前提。现场监测的主要内容为桥墩沉降与桥桩倾斜。

4.1 监测点布置

监测点应布置在视野良好便于监测的地方。桥墩的监测点材料为φ20 mm 的半圆头弯曲钢筋，长为200 mm。其施工方法是将钢筋用钻机打入长乐桥的桥墩中，同时用砂浆将钻孔填充密实以使钢筋固定，最后在钢筋端头涂防腐剂以防止钢筋的锈蚀。桥桩监测点布置设计如图8所示。

图8 长乐桥监测点布置图

4.2 监测频率

对加固后的桥桩变形进行现场监测，其频率为：在隧道开挖施工之前进行第一次监测以取得初值；当开挖断面距监测断面前后距离小于2倍开挖洞径时，1次／d；当开挖断面距监测断面前后距离不大于5倍开挖洞径时，1 次／2d；当开挖断面距监测断面前后距离大于5倍开挖洞径时，1次／周。

4.3 实测数据和模拟数据对比分析

根据设计的监测方案，对东二环长乐桥的桥桩进行沉降监测，桥桩的沉降和倾斜结果分别见表4和表5。

通过分析表4可知，采取加固措施后桥墩沉降量明显减小，现场实测的桥墩最大沉降量为7.36 mm，小于控制标准值15 mm；由表5可知，采取加固措施后桥墩沿隧道轴线方向的最大倾斜率仅为控制值（2‰）的52.5%。

综上所述，对东二环长乐桥采用的加固措施起到了良好加固效果，减少了隧道CRD法施工对邻近既有桥桩的变形影响，保证了地铁施工期间桥桩的安全稳定。

表4 桥墩沉降模拟与实测结果表mm

表5 桥墩沿隧道轴向倾斜监测数据表 ‰

5 结论

1）采用FLAC3D 软件预测了西安地铁3号线某隧道CRD 法施工诱发的既有桥桩的变形规律。模拟计算结果表明，CRD 法施工引起的邻近桥桩最大水平变形和倾斜率均超出变形允许值，必须采取加固措施以保证施工过程中既有桥桩的安全稳定。

2）提出了采用袖阀管注浆技术对既有桥梁基础周围2 m 范围的土体进行加固的控制变形措施，加固实施后的现场监测表明，实测值均小于其变形允许值，施工过程中既有桥梁安全稳定，表明文中所提出的控制变形措施是合理有效的。

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