田晓艳 谷拴成

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院,710054,西安; 2.西安石油大学机械工程学院,710065,西安∥第一作者,博士研究生)

地铁隧道对邻近既有桥桩影响及施工方法优化*

田晓艳1,2谷拴成1

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院,710054,西安; 2.西安石油大学机械工程学院,710065,西安∥第一作者,博士研究生)

隧道开挖会对周边土层造成扰动,导致既有桥桩发生变形,从而影响桥梁的运营安全。以西安地铁3号线区间隧道为工程背景,采用FLAC3D数值模拟软件对比分析隧道不同施工方法对既有桥梁桩基的影响,并综合考虑各种因素,提出环形开挖预留核心土法作为该区间隧道的施工方法。通过现场监测分析表明,该施工方法能够有效降低地表沉降及对既有临近桥梁桩基的影响,对黄土地区该类隧道工程具有一定的借鉴价值。

地铁隧道开挖; 施工方法; 既有桥梁桩基; 施工影响; 模拟分析

在一些特殊情况下，有些地下工程不得不在已有桥梁桩基附近修建。在既有桩基附近进行隧道施工时,会对周边土层造成扰动,使地层的原有初始应力场遭到破坏。而土体的变形又会向桩基施加侧向或者轴向力,从而使桩基产生弯曲和沉降,进而导致其承载能力降低,影响桩基上部结构的运营安全,严重还时会使桩基上部结构发生失稳破坏。

实际工程建设中,为了保证桩基的稳定一般会采取较为保守的施工方案。而这种方案往往不利于控制工程造价。基于这一现状,本文以西安地铁3号线延兴门站—咸宁路站区间(以下简为“延—咸区间”)隧道工程为工程背景,通过对施工过程进行数值模拟,分析了不同施工方法下隧道施工对地表沉降和桥桩变形的影响,为邻近桥桩的地铁隧道施工和支护方案的优化提供依据。

1 工程概况

延—咸区间隧道沿金花南路地下布设(见图1),采用马蹄型断面,起讫里程为Z(Y)DK28+089.638—Z(Y)DK28+633.229。延—咸区间线路左线长544.917 m,右线长543.591 m。金花南路(东二环)为南北向交通干道,地面车流及人流密集,道路两旁建筑物林立。地铁区间线路在地下穿越立丰人行天桥,并与东二环立交及互助路立交并行。东二环立交桥(建工桥)桥面高3.5～9.2 m,顺东二环向北延伸,其桥梁基础采用桩长为35～52 m的桩基础。桥梁围护结构边缘距桥梁桩基最小距离为5.1 m,距桥梁边缘最小距离为1.55 m。

场地地下水位埋深为3.00～7.50 m,地下水位高程为416.00～417.58 m,属赋存于第四系松散层中的孔隙潜水类型。主要含水层为新黄土、古土壤及老黄土。以上含水层组中既无明显隔水层,也无明显具承压性的含水层。本地区第四系孔隙潜水含水层厚度约20～80 m,地下水位年变化幅度约1.00～2.00 m。各地层相应的物理力学参数见表1。

表1 围岩材料的物理参数

2 数值模拟分析

2.1 模型的建立

根据实际工程参数,采用FLAC3D软件建立包含隧道、桥梁基础及周围土体在内的分析模型。鉴于隧道施工对周围土层影响大小的不同,故模型中不同位置地层的网格单元疏密程度不同。

(1) 模型大小。为了便于模拟,计算模型沿开挖方向(y轴方向)取138 m,横向(x轴方向)沿以隧道轴心面为中心左右各取45 m,厚度自地面以下取48 m。以竖向为z轴建立x、y、z坐标。

图1 既有桥梁桩基与地铁隧道位置关系

(2) 边界条件。地表面为自由边界;沿z轴方向模型底部为固定边界;沿x轴及y轴方向两侧为固定边界。桩及承台密度为2 600 kg/m3,桩直径为1.5 m,弹性模量为30 000 MPa,泊松比为0.2。

为研究地铁双线隧道开挖对邻近既有建工桥桩基的影响,采取台阶法、预留核心土法、CRD(中隔墙加台阶)法及双侧壁导坑法等4种不同施工方法,研究隧道开挖对地表和桩基沉降的影响。

隧道和桥梁桩基模型及其位置关系如图2所示。选取A桥墩桩基础(1#—4#)和B桥墩桩基础(5#—8#)进行研究。

2.2 计算结果分析

2.2.1 隧道开挖对地表的影响

隧道不同施工方法诱发的地层竖向位移云图,如图3—图6所示。由图3—图6可知,地铁隧道若采用上下台阶法，则施工完成后引起的地层竖向位移云图沿左右线隧道的对称中心线基本对称分布,右侧上方土体沉降偏大;采用环形开挖预留核心土法、CRD法、双侧壁导坑法,施工完成后引起的地层竖向位移云图沿左右线隧道中心线基本对称分布。

图2 地铁隧道与桥桩位置模型

在模型中设置地表沉降监测点,可得出各施工方法对应的地表沉降曲线(如图7—图10)所示。

图3 上下台阶法施工地层竖向位移云图

图4 环形开挖留核心土法施工地层竖向位移云图

图5 CRD法施工地层竖向位移云图

图6 双侧壁导坑法施工地层竖向位移云图

图7 台阶法施工地表沉降曲线

由图7—图10可知,隧道开挖引起地层沉降变化是一个渐近的动态变化过程,但隧道不同施工方法引起的地表最终沉降曲线基本呈“U”型。不同施工方法引起的地表最大沉降值均出现在两隧道的拱顶部位,而大小各有不同。上下台阶法、环形开挖预留核心土法、CRD法及双侧壁导坑法引起的地表沉降量分别为36.7 mm、30.0 mm、20.2 mm和15.3 mm。可见,双侧壁导坑法引起的地表沉降量最小。这是由于双侧壁导坑法施工能及时封闭成环,故能有效控制周围岩土体的变形。

图8 预留核心土法施工地表沉降曲线

图9 CRD法施工地表沉降曲线

图10 双侧壁导坑法施工地表沉降曲线

2.2.2 隧道开挖对桩基变形的影响

通过对桩顶沉降模拟结果的分析,可得到隧道不同施工方法引起的桩顶沉降(见表2)及桩顶x向水平位移(见表3)。

由表2和表3可知,采用不同浅埋暗挖法进行施工时,地铁隧道开挖引起的桩顶竖向位移和水平位移与桩基距隧道的距离成反比,且桩顶向隧道一侧倾斜。隧道近侧桩基受到的影响最大。将不同施工方法按对桩基的影响由大到小排序为:上下台阶法、环形开挖预留核心土法、CRD法、双侧壁导坑法。究其原因,上下台阶法施工成拱时间较慢,对围岩扰动最大，故沉降最大。而且1#及2#桩所受影响最大,3#及4#桩所受影响次之，5#及6#桩所受影响更小,7#及8#桩所受影响最小。这是由于桩距隧道轴线越远,桩体受扰动程度就越小。

表2 不同开挖方法对应的桩顶沉降 mm

表3 不同开挖方法对应的桩顶x向水平位移 mm

基于施工方法对地表沉降、桩体沉降及水平位移的影响，综合考虑各种施工方法的适用性及工程成本,本区间隧道开挖应采用环形开挖预留核心土法进行施工。对变形要求比较高的路段,从安全及控制变形的角度考虑,可采用CRD法或双侧壁导坑法过渡施工。

3 现场监测及分析

该区间隧道在通过桥梁桩基附近时采用环形开挖预留核心土法施工,并布设了一定数量的监测点,以及时了解隧道开挖对临近桩基的影响。

3.1 地表沉降变形监测

为了解地层沉降对既有桥梁桩基的影响,沿隧道轴线布设了地表沉降监测点(如图11所示),以监测隧道开挖时引起的地表沉降。测点纵向间距为6～8 m,横向间距为2.5 m。

3.1.1 隧道开挖引起地表沉降变形的分析

因隧道左线施工已滞后于隧道右线100 m左右,故仅考虑隧道左线开挖对地表沉降的影响。为便于分析,选取1个典型监测断面对隧道开挖引起的地表变形曲线进行分析(见图12)。

图11 地表沉降测点布置图

由图12知,随隧道掌子面的开挖，监测断面沉降发展趋势变化一致,依次经历微小变形阶段、急剧沉降阶段和稳定变形阶段。隧道施工完成时地表沉降最大值为30 mm左右,与数值模拟计算结果基本一致。这进一步验证了数值模拟计算结果的准确性(见图12)。

3.1.2 地表沉降与隧道掌子面距离的关系分析

为深入分析地铁隧道开挖引起的地表沉降与开挖掌子面距离的关系,选取隧道拱顶上方的典型监测点L4-2进行分析。隧道左线单洞开挖过程中洞顶地面沉降随掌子面的变化曲线,如图13所示。

由图13可知,在开挖掌子面通过测点L4-2前后的一段时间内，地表沉降经历了4个阶段。

图12 断面ZDK28+135.625监测点沉降变化曲线

图13 监测点L4-2沉降与隧道掌子面距离的关系曲线

(1) 超前微小下沉阶段。当工作面开挖到距测点距离L为-3D～-1D时(D为隧道洞口直径),开挖对地表产生影响。该阶段的沉降量约占总沉降量的5%～15%。

(2) 急剧变形阶段。当隧道工作面开挖至距测点1D～3D时,地表变形快速增长。该阶段沉降量约占总沉降量的55%～65%,且沉降速度最大的点在开挖工作面附近。

(3) 缓慢变形阶段。当隧道工作面开挖至距测点3D～5D范围时,地表变形速度减缓。该段沉降量约占总沉降量的15%～20%。

(4) 稳定变形阶段。当隧道工作面距测点超过5D后,地表沉降增长缓慢,趋于稳定。该阶段沉降量约占总沉降量的5%。

3.2 桥梁桥面监测分析

桥面监测距离不大于50 m。测点的纵向间距一般为6～8 m,横向间距平均为3.5 m。监测断面共23个,如图14所示。

图14 桥面沉降监测测点布置图

选取桥梁桥面上1个典型监测断面,对其沉降进行分析。该断面沉降点的沉降过程如图15所示。

图15 典型监测断面沉降曲线

由图15可知,桥面的总体沉降都不大。经过统计,各断面中最大沉降为5.40 mm,最小沉降为0.55 mm,而沉降量控制值为30 mm，因此该桥梁是安全的。但靠近隧道左线边的测点沉降比左外侧的大,且最大沉降相差4.45 mm,故桥梁整体向隧道左线倾斜沉降。

4 结论

本文以西安地铁3号线延兴门站—咸宁路站区间暗挖隧道工程为依托,采用数值模拟和现场实测方法,对隧道不同施工方法对地表沉降和桩基变形的影响进行分析,得出如下结论:

(1) 地铁隧道暗挖施工时,不同施工方法对周边环境的影响不同。数值模拟结果表明,环形开挖预留核心土法不仅能有效将地表变形控制在允许的范围内;同时,对邻近桥梁桩基的扰动较小；而且,该法施工工艺简单,工程造价低。故实际施工采用环形开挖预留核心法。

(2) 结合现场实测,对环形开挖预留核心土法施工引起的地表沉降和桩体变形进行分析。实测分析结果表明,该法合理可行,桥基在施工期间未发生安全隐患,对类似工程具有参考意义。

(3) 隧道开挖引起的地表沉降随距掌子面距离的变化大致分为超前微小沉降阶段、沉降急剧增大阶段、变形缓慢阶段及稳定变形阶段。沉降实测值变化基本符合Logistic曲线模型。

(4) 采用信息化量测对地铁施工信息进行及时监测和反馈,能实现对工程的全过程控制与管理。同时,快速施工快速封闭有利于控制地层变形,也有利于有效控制邻近既有桥梁桩基的变形。

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Influences of Subway Tunnel on the Adjacent Existing Bridge Piles and Optimization of Construction Methods

TIAN Xiaoyan, GU Shuancheng

Tunnel excavation will cause disturbance to the surrounding soil,cause a deformation of the existing bridge pier,thus affect the operation of the bridge is safe.Based on xi 'an metro line 3 tunnel as the engineering background,using numerical simulation software FLAC3D analysis of tunnel in different construction methods for the influence of both the bridge pile foundation,considering various factors,that the area between the tunnel circular excavation reserved core method should be adopted in construction.Through the field monitoring analysis shows that the construction method can effectively reduce the surface subsidence and the influence on both the adjacent bridge pile foundation,the tunnel in the loess area project has a certain guiding significance and reference value.

subway tunnel excavation; construction methods; existing pile foundation of bridge; construction influnces; simulation analysis

College of Architecture and Civil Engneering,Xi′an University of Science and Technology,710054,Xi′an,China

*陕西省教育厅科学研究项目(2013JK0961)

U 456.3; TU 433

10.16037/j.1007-869x.2017.03.028

2015-04-23)