盾构施工对高速铁路桥梁桩基的影响分析及防护措施

2014-05-04李波

铁道建筑 2014年5期

李波

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

近年来，随着新建地铁下穿既有桥梁工程的大量涌现，如何保证地铁施工过程中既有桥梁的安全至关重要。地铁隧道盾构施工法因具有对周围环境影响小、施工安全快速等优点已成为地铁建设的主流施工方法［1］。盾构施工由于超挖、顶推力、盾尾空隙、注浆等因素的影响，不可避免使地层产生位移［2］，从而降低了既有结构的基础承载力，同时引起附加变形、差异沉降以及侧向位移。地层变形达到一定程度后就会危及邻近结构物的安全［3-4］。如何预测盾构穿越既有结构所引起的地层位移，确保既有结构的正常使用和盾构的顺利掘进，是盾构隧道设计与施工中的关键技术问题［5］。国内外学者对此进行了大量研究，文献［6-9］分别对地铁盾构下穿房建桩基、公路桥梁桩基和普通铁路桩基等实际工程进行了分析，并归纳总结了盾构施工对桩基的影响机理。文献［10］对地铁盾构下穿京津城际高速铁路段路基研究发现，对下穿段一定范围内的土体进行注浆加固，可有效控制施工引起的路基沉降。然而，对于盾构下穿高速铁路桥梁桩基的实例研究较少。本文结合南京城轨线工程，对盾构下穿京沪高速铁路桥梁桩基的施工过程进行数值模拟，计算分析盾构施工对桥梁桩基的影响，同时提出施工防护措施，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

南京至高淳城际快速轨道禄口机场至南京南站工程(简称城轨线)，长约34.9 km，其中高架段长约16.3 km。本次下穿京沪高速铁路桥梁段位于胜太路站～南京南站区间，线路由西南向东北穿行，在下穿大片临建片区及规划龙西立交至机场路后沿道路向北行进，于里程ZDK33+625—ZDK33+650(左线)从京沪高速铁路跨秦淮新河特大桥37～39号墩之间穿越，隧道埋深26～28 m。左线隧道洞身距桩基最小净距仅6.4 m，右线隧道与桩基最小净距为8 m，如图1所示。由于高速铁路对线路的平顺性要求高(两轨面差异沉降不得大于5 mm，相邻两墩台工后沉降差不得大于5 mm)，且隧道外边缘至高铁桥梁桩基的净距小，因此研究盾构法施工隧道对京沪高速铁路桥梁桩基的影响规律，确保盾构施工的顺利进行和京沪高速铁路的正常运营十分必要。

图1 盾构隧道与铁路桥梁桩基的位置关系

隧道穿越桥墩处岩性从上至下主要有:①-2b2-3素填土，由软～可塑状粉质黏土组成;③-1b1-2粉质黏土，可塑～硬塑，中压缩性;③-2b2-3粉质黏土，软～可塑，中压缩性;K1g-2强风化粉砂岩，风化强烈，岩芯呈砂土状;K1g-3中风化粉砂岩，风化较弱，岩石较完整。

2 有限元数值模拟

2.1 有限元模型的建立

采用Abaqus软件建立桥梁桩基、土体和隧道的三维有限元模型，分析模型沿隧道纵向取30 m，横向取100 m，土体厚度为40 m。模型中土体、管片结构、注浆层和承台桩基均采用八节点实体单元模拟。桩基和土体分别采用线弹性材料和弹塑性材料模拟，桩土间摩擦效应采用面—面接触单元模拟，土体的本构关系服从Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则［11］。边界采用位移边界，顶板为自由边界，侧面仅约束水平位移，底部仅约束垂直位移。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

2.2 计算参数

盾构施工对地层的扰动采用综合地层损失来模拟。参照已有施工经验，以0.5%地层损失率作为直线段正常施工时的取值，此时工作面径向位移经换算为8 mm。土体、承台和桩基础的计算参数见表1。

表1 计算参数

2.3 盾构施工过程模拟

盾构施工是一个动态过程，盾构法施工主要分为3个阶段:第1阶段是土体开挖阶段，旋转盾构机前端的全断面切削刀盘来切削开挖面的土体，通过杀死盾构机处所在单元来模拟开挖土体，同时施加150 kPa的均布顶进力;第2阶段是衬砌(管片)拼装、注浆阶段，盾构机向前推进一定长度(即衬砌或管片的宽度)后，进行衬砌(管片)的拼装及盾尾注浆，通过设置10 cm厚的等代层来模拟浆体材料，此时，由于盾构密封舱的脱离，隧道洞室表面的土压力主要由从盾尾向衬砌环外围注入的浆体压力来平衡;第3阶段是盾尾脱离阶段，填充在衬砌(管片)和土层间的注浆材料逐渐凝固，强度不断增加，此时通过增加衬砌单元来模拟。

在施工过程中，随着盾构与桩基间距离的不断变化，盾构施工会对桩基产生持续的影响。在不同施工阶段，盾构施工对桩基的影响机理和程度均有所不同。

3 计算结果分析

桩基布置见图3。其中，角点1、2靠近左线隧道开挖线，因4个角点变形规律相似。本文选取左右线隧道之间距隧道最近的38号桥墩处具有代表性(对盾构施工的影响最为敏感)的桩基进行分析，探究盾构施工过程中桩顶周围土体及桩基位移的变化规律。

图3 桩基布置

3.1 桩基沉降分析

沉降较大的1号桩顶部及其周围土体节点的沉降值随隧道开挖步的变化趋势如图4所示。

图4 沉降值随隧道开挖步的变化趋势

由图4可知，土体节点沉降的发展规律与桩基类似，但土体节点沉降量始终大于桩基，且1～3步的沉降量增幅较4～6步大。桩基和土体的沉降差异说明它们之间产生了滑移，这种滑移随着开挖步数的增加而逐渐增大，最终滑移量约为1.27 mm。

3.2 桩基侧移分析

侧移量较大的1号桩的顶部、中部、底部的x方向(顺桥向)位移随隧道开挖步的变化情况如图5所示。

图5 1号桩x向位移随隧道开挖步的变化趋势

由图5可知，桩基底部向远离隧道方向偏移(位移为正值)，桩顶部向靠近隧道方向偏移(位移为负值)，桩基顶部产生的位移最大。这是由于该隧道埋深较大，盾构掘进过程中，盾构机对土体的挤压使隧道两侧的土体向远离隧道的方向移动，从而引起桩基底部发生远离隧道的侧移，而隧道开挖引起隧道上覆土体向隧道内移动，土体的移动带动桩基的上半部分发生靠近隧道的侧移。另外，左线开挖结束时，1号桩顶部的x向位移为－2.25 mm;右线开挖结束时，其x向位移为－1.31 mm，说明左线隧道开挖对桩基的影响较大，这是因为左线隧道距离桩基较近。

受盾构机顶进力的影响，桩基还将在y方向(盾构掘进方向)产生侧移。1号桩在不同开挖步y方向的侧移如图6所示。

图6 桩基y向侧移随隧道开挖步的变化趋势

由图6可知，1号桩顶部的位移大于中下部，可见桩基在y方向也会发生倾斜。在隧道开挖过程中，随着盾构机的靠近，桩基y向位移增大，顶进力对桩基的影响变大;随着盾构机的远离，桩基y向位移逐渐减小，顶进力的影响逐渐变小。

3.3 桩基内力分析

隧道开挖过程中，桩基和土体之间产生了沉降差，其对桩基会产生一定的附加力。隧道开挖后1～4号桩的桩身附加轴力如图7所示。

图7 桩基附加轴力分布

由图7可知，随着隧道的开挖，桩身轴力均有增大，轴力增幅最大处约在桩长9～16 m的位置，且1号和2号桩的附加轴力较大，在桩身15 m左右的位置其轴力分别增至164 kN和180 kN。盾构施工引起的桩基附加轴力会对桥梁的地基带来不利影响。

4 防护措施

由上述盾构施工对桩基的影响分析可知，盾构施工会引起桩基沉降和侧移，使桩身的轴力增大。其扰动作用会引起桥墩的变位，从而给高速铁路的安全运营带来风险。因此，除了在盾构施工过程中严格控制盾构掘进的施工参数和减少土体扰动外，在施工前也必须采取主动防护措施，尽量消除盾构施工对高速铁路桥梁桩基的影响。

常用的主动防护措施主要有地层注浆加固、隔离防护桩阻隔、桩基托换和结构顶升等。由于设置隔离防护桩的风险最易控制，本项目选用此措施。在隧道与桥梁桩基之间设置一排钻孔灌注隔离桩，采用分批次跳跃施工。隔离桩直径1.0 m，间距1.5 m，距隧道外边缘净距0.5 m，隔离防护桩的桩身伸入隧道底以下1 m，防护长度沿隧道线路方向超出铁路桥梁桩基6 m左右。隔离防护桩的桩顶设置1.1 m×0.8 m冠梁，冠梁间采用0.4 m厚钢筋混凝土梁支撑，冠梁及横撑加强了各隔离桩之间的联系，从而形成刚性隔离墙，能有效阻隔隧道施工对桥梁桩基的扰动。

在设置隔离防护桩及隧道盾构施工全过程中，对38号桥墩墩底和墩顶的纵横向位移及沉降进行了监测，其中墩底值为承台4个角点监测的平均值。选取38号桥墩墩底和墩顶的纵横向位移及沉降最大值，对其设置隔离防护桩前、后的理论计算值和监测值进行了对比，见表2。