砂卵石地层下复合锚杆桩对保护桥桩的作用分析

王东清

(北京城建集团有限责任公司，北京 100088)

0 引言

近年来，复合锚杆桩施工技术在地铁下穿各种桥梁基础等建筑物的加固中得到应用，它对桥桩等建筑物起到了一定的保护作用。但复合锚杆桩造价较高，受环境影响因素大［1］，在砂卵石等持力较好的地层中的实际作用有待进一步分析和确定。姚宣德［2］分析了隧道开挖过程引起的地层移动与变形对桥梁桩基础的影响。杨慧林等［3］对复合锚杆桩施工工艺特性和机制进行了分析，总结出在临近既有桥梁、建筑等基础进行新建地下工程施工时，采用复合锚杆桩加固地层，能有效保护既有建构筑物基础，减小并控制沉降。杨陕南［4］根据地铁10号线公主坟暗挖站卵石含量较多的地层情况，针对桥桩距离车站净距离只有4 m时，采用复合锚杆桩加固桥桩。贾永刚等［5］通过计算分析暗挖隧道对既有桥桩的影响，并结合隧道施工的实际监测资料，认为在暗挖隧道下穿桥桩时采用复合锚杆桩加固的措施是安全可靠的。文献［6－7］详细介绍了复合锚杆桩的施工工艺以及技术要求，对施工过程中可能出现的问题及相应对策进行了阐述。陈广亮［8］则从另一个角度出发，采用洞内施作复合锚杆桩对桥桩周边土体进行加固，以提高桥桩摩阻力。王力勇等［9］在隧道结构施工时采用增加临时仰拱及水平袖阀管注浆等工程措施加固隧道周边地层，控制沉降，保证隧道掘进安全。吴文忠等［10］利用有限元，对隧道施工产生的地表沉降变形及引起建筑结构内力变化进行分析，为隧道施工沉降控制指标的确定提供了依据。

以往工程多采用复合锚杆桩对桥梁或建筑物进行加固，注重复合锚杆桩的实施效果。没有对持力较好的砂卵石地层下是否必须采取加固措施进行针对性的研究。本文在同种地层、同施工工艺、同施工环境和同施工标准条件下，分别对采用复合锚杆桩和不采用复合锚杆桩2种施工情况进行实际工程类比，通过连续的监测和数据分析，使人们对复合锚杆桩在砂卵石地层中对桥桩等建筑物的保护作用有了新的认识。

1 工程概况

北京地铁14号线暗挖区间近距离下穿某大型立交桥，其中近距离穿越桥桩7次(地铁隧道距离穿越桥桩净距离在5 m以内)，且桩端在隧道中心线以上的隧道肩部——受力最不利位置。地铁暗挖隧道为马蹄形标准断面(6 570 mm×6 480 mm)，格栅间距500 mm，初衬厚度250 mm。自上而下主要地层为粉土填土①、粉砂至细砂②3、圆砾至卵石②5、中砂、粗砂⑤1、卵石⑤和层卵石⑦。隧道结构覆土厚度为10.1～15.3 m，隧道穿越地层主要为卵石⑤层、中砂和粗砂⑤1层。地下水位于结构线以下。设计采用复合锚杆桩对桥桩进行加固保护，使其与隧道间形成隔离来控制桥梁沉降。

2 沉降控制要求及加固措施设计

2.1 桥梁沉降控制要求

1)桥梁竖向均匀沉降15 mm。

2)纵向不均匀沉降位移控制值为5 mm。

3)墩柱横桥向相邻基础不均匀沉降位移控制值为3 mm。

4)桥区相关道路路面沉降控制值为10 mm。

2.2 加固措施设计

为保证施工过程的安全，设计主要采用复合锚杆桩对桥桩进行隔离加固，对桥桩周围土体加固和改良，以不降低原有侧摩阻力为目的来控制沉降，具体位置关系如图1和图2所示。

3 理论分析

本工程暗挖隧道边缘最近处距离桥桩不到1 m，如果不采取相应措施，该部分桥桩的整体摩擦力将会全部失去，并且周边土体变形也会导致未动土层摩擦力的降低。经验算，丽泽桥桥桩单桩承载力以侧摩阻为主，约占总承载力的65%，端阻力约占总承载力的35%，根据桩身进入长度不同，卵石⑤层和卵石⑦层提供的侧摩阻力较大。计算过程中假定侧阻力损失率为20%，经加固后，加固体弹性模量和泊松比发生变化，加固体强度升高。按5 MPa计算得出侧阻力和端阻力各占总承载力的50%，所以加固区的重点为桩端和处于卵石⑤层和卵石⑦层的桩周。

通过连续体的快速 Lagrangian分析法，利用Mohr－Coulomb弹塑性本构模型，从整体上研究桩—土—隧道三者间的作用特征，着重分析不同施工工况下单桩、群桩的位移及内力变化规律，得出隧道贯通时土体变形曲线如图3所示。隧道施工对地表及隧道周围土体造成了较大范围的影响，主要表现为上覆土层出现较大程度地沉降，隧道底部土体向上隆起，最大的土体变形出现在隧道顶部。由图3(a)可知，桩体的存在对其周围土体变形影响较大，施工过程中桩体的下沉引起周围土体的附加沉降，竖向变形明显增大。从图3(b)可以看出，沿隧道施工前进方向，地表土体的最大沉降主要发生在施工前期地表段，而后期地表的变形较小。隧道周围土体存在波浪状的变形，这表明在不同施工工况中土体应力都得到了一定程度的释放。

图3 贯通时土体变形曲线(单位:m)Fig.3 Calculated ground deformation after tunnel breakthrough(m)

4 复合锚杆桩施工技术

4.1 复合锚杆桩方案设计

复合锚杆桩直径150 mm，采用φ50钢管(煤气管)和3根φ18定位钢筋作为复合锚杆桩钢筋笼子的骨架，每段长100 mm，间距1 m，3根φ20钢筋作为复合锚杆纵向主受力筋。另附3根φ20塑料管作为注浆管，每根注浆管出浆口范围距底端4 m，注浆管φ20 mm，出浆孔φ4 mm，4孔竖向错开150 mm，复合锚杆桩构造图如图4所示。采用2次注浆，第1次注浆压力0.4～0.5 MPa，孔口溢浆时结束本次注浆，水泥浆水灰质量比0.5∶1;第2次注浆采用中高压注浆，注浆压力1.0 ～1.5 MPa，水泥浆水灰质量比 0.75∶1，在第1次注浆完成后10～15 h进行;第3次注浆压力1.5～2.0 MPa，在第2次注浆完成后5～10 h进行，水泥浆水灰质量比0.75∶1。注浆采用普通硅酸盐P·O42.5水泥。

4.2 复合锚杆桩施工机械选型

根据加固地层大部分为砂卵石的实际情况，采用日本RPD130C全液压锚杆钻机成孔，采用能满足设计注浆压力的双液注浆机。施工机具如图5所示，具体机械设备投入见表1。

表1 工程机械设备投入安排Table 1 List of machinery needed to install composite bolt piles

4.3 复合锚杆桩施工

4.3.1 施工工艺

复合锚杆桩施工主要有机具选型、钻孔、安装钢筋笼及注浆管、注浆几个步骤，如图6所示。

4.3.2 施工准备

首先对加固区周边区域进行物探，探明地下管线类型、规格和埋深，并采用人工挖探方法，对挖探出的地下管线进行标识，之后将探槽回填密实。

4.3.3 成孔

当止浆盘达到强度以后进行复合锚杆桩钻孔施工，钻孔采用日本RPD130C全液压锚杆钻机，移动钻机就位，调整钻杆垂直度，进行钻进施工至设计标高，并根据实际情况进行跳孔施工。

4.3.4 下放钢筋笼及安装注浆管

采用整体加工、分段下放的原则进行钢筋笼作业和安装。分段的钢筋笼在安装入孔的同时，采用直螺纹接驳器按安装次序连接牢固。安装时需对准孔位，缓慢下放，避免钢筋笼碰撞孔壁。注浆管共计3根，均为直径20 mm的钢制自来水管，采用丝扣连接，分段长度与钢筋笼相同。注浆管上的出浆孔直径为4 mm，间距150 mm，最下端的出浆口距离注浆管端部4 m。第1根注浆管端不封闭，另外2根管端封闭，并且第2根注浆管比第1根和第3根短4 m。安装注浆管时，将第2根和第3根注浆管的出浆孔用塑料胶带粘贴以隔离浆液，防止第1根管注浆施工时，浆液封堵其他注浆管出浆孔。

4.3.5 注浆

钢筋笼及注浆管安装完毕后，按设计要求参数进行浆液配制和注浆。

5 实施效果及沉降分析

现场对1－4轴和1－5轴2个与隧道净距离为1.4 m左右的桥桩进行复合锚杆桩加固，从现场开挖情况来看，复合锚杆桩桩体坚固，周边土体相对密实，加固效果图如图7所示。由此得出，复合锚杆桩施工工艺本身起到了加固地层的作用，但对控制桥梁的沉降作用需做进一步分析。

图7 复合锚杆桩加固效果Fig.7 Consolidation effect of composite bolt piles

5.1 对采用了复合锚杆预加固措施的桥梁沉降分析

经过对桥梁的监测及分析，在复合锚杆桩施工初期，数据呈下降趋势，累计沉降最大达1 mm;在复合锚杆桩完成后，整体地层加固注浆结束，沉降最终为0.51 mm;随着隧道的开挖施工，数据逐渐再次下降，隧道在开挖施工期间，总沉降累计3.0 mm;初衬回填注浆完毕后，沉降数据呈微弱回升趋势，回升约0.5 mm，最终总沉降为2.5 mm。随着时间的推移，在回填注浆完毕1个月后，沉降稳定，最终总沉降3 mm左右。以桩与隧道的净距为1.45 m的1－4轴和净距为1.41 m的1－5轴2处为例，各施工期间沉降曲线如图8所示。

图8 2012年采用复合锚杆桩加固措施桩体沉降曲线Fig.8 Curves of settlement of bridge piles consolidated by composite bolt piles in 2012

5.2 对未采用复合锚杆加固措施的桥梁沉降分析

在施工过程中，因复合锚杆桩受场地限制，距离隧道0.49 m的2－18轴和距离隧道4.26 m的2－17轴2个桥桩取消了复合锚杆桩加固措施，采用直接暗挖施工通过的方法。经过对桥梁的监测及分析，在隧道开挖至距离桥桩20 m时，即对桥梁产生沉降影响;在隧道施工至桥桩时，桥梁沉降约3.5 mm;初衬回填注浆完毕后，沉降数据呈微弱回升趋势，回升约0.5 mm，总沉降为3.0 mm。随着时间的推移，在回填注浆完毕1个月后，沉降稳定，最终总沉降3.5 mm。以桩与隧道的净距离为0.49 m的2－18轴和净距离为4.26 m的2－17轴为例，各施工期间沉降曲线如图9所示。

5.3 沉降控制效果对比分析

根据各施工阶段的数据得出，采用复合锚杆桩施工会导致桥梁自身的微小沉降，约为1 mm;没有采用复合锚杆桩施工的，没有该沉降。最终隧道通过，回填注浆完毕，沉降稳定后，采用复合锚杆桩加固的桥梁总沉降3 mm，没有采取复合锚杆桩加固措施的最终沉降3.5 mm。

6 结论与建议

在砂卵石地层下，复合锚杆桩施工本身导致桥梁沉降约为1 mm，实际有效控制沉降仅为0.5 mm，且在复合锚杆桩施工期间需严格控制施工质量及进度，尤其需注意“跳仓施工”以及严格控制注浆量和压力，以减少复合锚杆桩施工本身导致桥梁的沉降。鉴于复合锚杆桩造价较高，受环境、工艺影响因素大等原因，在砂卵石等较好地层下，不建议大量使用复合锚杆桩保护桥桩，而是进行背后回填注浆来减少桥桩的沉降，尤其是桥桩距与隧道水平净距离大于2 m的情况。过去一味强调复合锚杆桩对保护桥基的作用，没有对持力较好的砂卵石地层是否需要采用复合锚杆桩进行有针对性的研究，更缺少此地层条件下“采用”与“不采用”复合锚杆桩2种情况对桥桩沉降影响的分析和对比。鉴于此类工程对比实例较少，期待在施工过程中积累更多的监测数据和类比资料做进一步的研究。

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