盾构区间下穿并截除人行天桥部分桥桩的对策

储柯钧，赵 亮，徐 骞

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

盾构区间下穿并截除人行天桥部分桥桩的对策

储柯钧，赵 亮，徐 骞

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

以沈阳地铁2号线工业展览馆站—文体路站区间(以下简称工—文区间)下穿文化路立交桥人行天桥并截除部分桥桩为例，为确保盾构掘进过程中该天桥桥体的安全，通过对桥桩截桩后管片后期承载力、结构变形等特点建立三维数值模型，并进行计算分析后，进一步优化设计方案，同时采取了以下措施：施工前先对人行天桥两端桥墩处采用临时钢托架进行支撑加固；掘进过程中合理优化盾构掘进参数，同时采取同步注浆与二次补强注浆措施，不但避开了立交桥主桥桥桩，同时还避免了采用桩基托换这一高风险、高代价方案。竣工并通车运营后，经过近1年的跟踪监测，桥梁结构稳定，最终变形收敛至稳定值，充分验证了该措施的可行性。

沈阳地铁；盾构；加固；截桩；天桥；变形控制；临时托架

0 引言

自19世纪盾构法诞生以来，盾构工法凭借其安全、高效、对环境影响小、抗干扰能力强等诸多优点，广泛应用于隧道及地下工程领域[1-3]。城市地铁工程的建设，既促进了城市化建设进程，又受到城市化基础建设的制约，主要体现在地铁车站站位选择以及区间线路走向上。地铁线网均位于人口密集的城市市区，这些中心城区往往高楼林立、市政路桥纵横交错、地下管网错综复杂。因此，新建的地下隧道往往会对既有建(构)筑物产生一定程度的影响[4]。这些影响主要体现在以下2方面：一是对既有结构承载力的影响，包括倾覆、滑移，甚至可能造成连续倒塌；二是变形，包括沉降、倾斜、产生过大的裂缝或是挠度等[5]。而如何采取措施规避或控制这些风险工程，是地铁工程设计和施工需要研究的重点。

穿越工程在城市轨道交通建设过程中时有发生，但均以临近下穿居多[6-7]，以避免直接扰动或接触既有建(构)筑物的基础,而对于盾构在掘进过程中直接截除建(构)筑物桩基的行为较少。本文将通过沈阳地铁2号线工—文区间具体工程案例，着重介绍区间下穿并截除人行天桥部分桥桩过程中的设计方案和施工保护措施，通过对桥桩截桩后管片后期承载力、变形进行系统计算分析，改变桥桩桩基的受力特征，并经三维模型数值模拟分析进行变形预测，优化设计方案和设计参数，并与施工工艺紧密结合，避免在立交桥桩基密集区进行桩基托换，最终使得施工得以顺利进行。运营后跟踪监测1年，变形逐步趋于稳定值，充分验证了该措施的可靠性。

1 工程概况

1.1 区间及人行天桥概况

沈阳地铁2号线工—文区间位于沈阳最繁华主干道——金廊街道青年大街下方，呈南北走向，区间长度1 302.180 m，单洞单线圆形断面，外径6 m，C50钢筋混凝土结构，采用盾构法施工，线路纵向呈“V”字形坡，最大纵坡30‰。

文化路立交桥共分4层，人行天桥位于第3层，跨越底层文化路下拉槽。天桥全长40.6 m，三跨一联，主跨长25 m，2个边跨长均为7.8 m，结构形式为预应力板柱结构。该桥共设4组桥墩，基础形式为墩下单桩基础，桩径1.2 m，桩基深17.2 m，C25钢筋混凝土，桩底为2 m长素混凝土桩，桩体类型为端承摩擦桩。天桥实景如图1所示。

图1 文化路立交桥人行天桥实景图Fig.1 Picture of pedestrian bridge of Wenhua Road

本区间北起工业展览馆站，右线出站后南行105～1 145.6 m 4次穿越人行天桥桥桩，下穿部位区间覆土厚度约为15.5 m，区间结构外皮与天桥A桩竖向净距为4.67 m，与B桩交叉1.19 m，与C桩交叉0.611 m，与D桩竖向净距为5.8 m。区间与桥桩位置关系如图2—5所示。

图2 区间下穿天桥段总平面图Fig.2 Plan of running tunnel crossing underneath pedestrian bridge

图3 区间右线与桥桩纵剖面位置关系图(单位：mm)Fig.3 Profile showing relationship between running tunnel and piles of existing pedestrian bridge (mm)

图4 区间右线与B桩横剖面位置关系图(单位：mm)Fig.4 Cross-section of pile B and running tunnel (mm)

图5 区间右线与C桩横剖面位置关系图(单位：mm)Fig.5 Cross-section of pile C and running tunnel (mm)

1.2 工程地质

区间穿越桥桩区段地层自上而下依次为杂填土、粉质黏土、中粗砂、砾砂，隧道洞身所穿越的地层均为砾砂，场地内隧道围岩分级为Ⅴ级。

场地范围内地下水类型为第四系松散岩类孔隙潜水，主要赋存在中粗砂、砾砂层中，施工期间地下水位位于地面以下8～10 m。桥桩区地层及各土层物理力学参数如表1所示。

表1 地层及各土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of different strata

2 设计方案及应对措施

2.1 区间方案优化

相对于矿山法，盾构法具有安全、高效、限沉、经济等诸多优点，因此本区间采用盾构法施工。区间左线从立交桥桥桩间隙中侧穿而过，区间右线则无法躲避桥桩，按避其重就其轻的原则，避开主桥桥桩。北端工业展览馆站为3层车站，该车站施工期间受困于周边排水管线不足，考虑到车站降排水困难这一客观原因，车站埋深无法进一步加深，导致站后区间右线无法避免截断桥桩。经过对桥桩基础资料的详细调查，发现桩底以上2 m范围内为素混凝土桩，右线纵坡调整至30‰ 这一极限值后，能避免盾构触碰钢筋混凝土桩体，为盾构法施工的安全性提供了保障。

2.2 对桩体周边土体预加固，弥补截桩后桩端阻力损失

原桥梁设计时，天桥桥桩类型为端承摩擦桩，考虑到盾构掘进截桩后桩端承载力损失，为避免桩体荷载直接作用于盾构和管片上，设计时考虑对桩体一定范围内的土体进行预加固，通过增强桩侧摩阻力的方法来弥补桩端阻力损失，即将桩体类型改变为摩擦型桩。加固方法采用地面注浆加固[8]，加固平面尺寸为桩体外轮廓外3 m，加固深度为地面以下9 m，浆液采用1∶1水泥浆，导管采用φ45 mm小导管，长8 m，管距按0.75 m×0.75 m梅花形布置。桩体加固图如图6所示，加固后各层土体极限侧摩阻力标准值应不小于表2中的要求。

图6 桩体加固图 Fig.6 Reinforcement of pile

根据桥梁设计单位提供的桩体荷载，天桥单桩竖向荷载标准值为2 200 kN；以B桩为例，进行加固后单桩竖向承载力验算，加固后桩周土层物理力学参数详见表2。

表2加固后桩周土层物理力学参数
Table 2 Physical and mechanical parameters of strata after pile reinforcement

地层地层厚度lsi/m桩侧阻标准值qsik/kPa桩端阻力标准值qpik/kPa杂填土(加固后)370粉质黏土(加固后)190中粗砂(加固后)4120中粗砂(未加固)180砾砂(未加固)51102800

对于桩径大于800 mm的大直径桩，修正系数φsi=0.88，单桩的竖向极限承载力标准值

Quk=Qsk+Qpk=u∑φsiqsikli+φpqpkAp。

(1)

式中：u为桩身周长；li为桩周第i层土的厚度；Ap为桩端面积；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；qpk为极限端阻力标准值；φsi,φp分别为大直径桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数。

认定天桥桥桩单桩竖向荷载全部由桩侧摩阻力承担,则桩侧摩阻力标准值Qsk=3.14×1.2×0.88×(70×3+90×1+120×4+80×1+110×5)=4 675 kN。

侧摩阻力特征值Qs=Qsk/2=4 675/2=2 338 kN>2 200 kN(单桩竖向荷载标准值)，基本满足桩基承载力计算要求。

2.3 变形预测

根据盾构掘进施工工程，对区间右线下穿天桥桥桩进行了数值模拟分析。采用Midas-GTS软件建立地层-结构模型，采用摩尔-库仑本构关系，按照实际尺寸建模，计算范围沿地铁区间方向取70 m，垂直于地铁区间方向向上至地面，向下取盾构隧道中心线以下20 m。桥桩单元采用桩接触单元，该类型单元网格划分时无需节点耦合，能更确切地模拟桩与周边土体的相对滑移；计算过程考虑桩周地层预加固效果，其余参数均按地勘报告提供参数选取(见表3)。计算模型如图7所示。

表3 围岩及支护计算参数Table 3 Parameters of surrounding rock and support

图7计算模型
Fig.7 Calculation model

施工模拟过程主要分以下3步进行：

1)盾构穿越A桩，掘进至B桩处，尚未截桩，此时桩底最大变形值为1.94 mm，如图8所示。

2)盾构穿越截断B桩后，并掘进至C桩处，此时桩底最大变形值为3.01 mm，如图9所示。

3)盾构穿越截断C桩后，并穿越D桩，此时桩底最终累计变形值为4.47 mm，如图10所示。

经计算分析，随着盾构机向前推移，在盾构机掘进至距离A桩5 m左右，天桥桥桩出现沉降，整个穿越期间变形逐步加大，待盾构机掘进通过远离桥桩后，桩体沉降逐收敛至稳定值。整个过程桥桩和地表最大变形曲线如图11所示。

图8掘进至B桩处

Fig.8 Maximum deformation of pile tip when shield reaches Pile B (before Pile B is cut )

图9掘进至C桩处
Fig.9 Maximum deformation of pile tip when shield reaches Pile C

图10截断C桩并穿越D桩后

Fig.10 Maximum deformation of pile tip after shield cut Pile C and passed Pile D

图11 桥桩及地表沉降曲线图Fig.11 Curves of pile deformation and ground surface settlement obtained by numerical simulation

3 施工方案及应对措施

3.1 桥下架设临时钢托架

鉴于施工过程中盾构掘进对桩周土体产生扰动而可能导致降低其侧摩阻力值，为确保盾构穿越过程中人行天桥桥体的安全，施工前对人行天桥两端桥墩处采取了临时钢托架支撑加固措施。天桥支撑分为型钢钢架和脚手架2种。其中，A和D号桥桩上部结构跨度较小，承受荷载较轻，采取脚手架支托方案；而B和C号桥桩承受桥的绝大部分重力，故采取型钢托架方案。支托前，先对桥墩附近土体进行台阶型的硬化，再在台阶上架设托架。型钢托架上部布设千斤顶，一旦发生过大变形，可利用千斤顶的整体协调顶升，使桥梁恢复至原始状态。

3.2 盾构掘进过程中的自身参数控制

为减小盾构施工对天桥的影响，在施工中应尽可能地减小盾构掘进对周围土体的扰动，减小地表沉降，关键技术是要保持盾构开挖面的稳定和管片脱出盾尾后对盾尾空隙的及时充填。盾构开挖面的稳定可以通过优化掘进参数来控制，其主要参数有推进速度、盾构推力、出土数量、正面土压力机及姿态控制等[9-10]；管片与土体之间的空隙充填则采取同步注浆与二次补强注浆。在盾构掘进过程中进行同步注浆，使管片脱出盾尾后的环形空隙中及时充填足量的浆液，防止周围土体挤入，引起土体位移；二次注浆是弥补同步注浆的不足，是减小沉降的有效措施；同时注意盾构姿态的控制，在盾构通过人行天桥过程中确保姿态不出现较大的纠偏，保持连续均衡的施工状态。

4 施工监测及竣工后的跟踪监测

盾构穿越期间，监测人员、安质人员在此保持24 h值班，同时加密监测频率(4 h/次)。监测数据及时反馈给盾构司机，使盾构司机可以结合地面情况和地下施工情况进行综合分析，充分利用监测数据指导盾构掘进。在盾构穿越人行天桥过程中，桥体及桥下地面监测的日沉降值均未超过2 mm，裂缝变形均小于0.2 mm。穿越过程中通过对人行天桥段各监测点的监测情况统计，最大沉降点发生在北侧桥体，累计沉降为4.75 mm，监测结果均满足产权单位要求。区间竣工后，跟踪监测1年，发现桥体沉降增量甚微，不足0.5 mm，最后趋于稳定状态，与预测变形结果较为吻合。整个监测过程桥桩和地表最大变形曲线如图12所示。

图12 桥桩及地表变形实测值Fig.12 Curves of measured pile deformation and ground surface settlement

5 结论与建议

实际掘进过程中对盾构及管片壁后同步注浆的控制，以及维系土层损失平衡，是沉降控制的关键所在。采用地表注浆，对天桥桥桩进行预加固，通过提高桩体极限侧摩阻力来弥补桩端阻力的损失，使桩体竖向力重新达到受力平衡，也是本工程理论上成败的关键所在。然而，对于较深的土层，地表注浆的效果难以控制和检测，是本工程实施过程中的一大难点，今后工作中尚需进一步研究。

在城市轨道交通领域，穿越工程时常发生，如何选择最优施工方法确保既有结构的安全，且又能兼顾工程经济性是研究的重点。本工程通过前期详尽的基础资料调查、方案比选和结构验算，为该工程的顺利施工打下了坚实的基础。在整个穿越人行天桥施工过程中，通过切实落实各项技术方案，并结合实际施工情况，最终顺利地穿越了重大风险点，而且为以后类似工程施工积累了宝贵的经验。

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CountermeasuresforShieldCuttingandPassingUnderneathPilesofExistingPedestrianBridge

CHU Kejun,ZHAO Liang,XU Qian

(ChinaRailwayTunnelSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjing300133,China)

A shield-bored running tunnel of Line 2 of Shenyang Metro passes underneath the piles of an existing pedestrian bridge,and some of the piles have to be cut.In the paper,3D numerical simulation is established and analysis is made on the load-bearing capacity and structural deformation of the segment structure after the piles are cut; and accordingly the design is optimized and countermeasures,such as temporary support for the piles of the existing pedestrian bridge installed before the shield reaches,optimizing the shield boring parameters during boring,and simultaneous grouting and secondary reinforcing grouting,are taken.The monitoring shows that the pedestrian bridge keeps stable and the countermeasures taken are effective.

Shenyang Metro; shield; reinforcement; cutting pile; pedestrian bridge; deformation control; temporary support

2014-08-13;

2014-10-04

储柯钧(1982—)，男，江苏丹阳人，2005年毕业于西南交通大学，土木工程专业，本科，一级注册结构工程师，现从事隧道及地下工程设计工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.009

U 455.39

B

1672-741X(2014)11-1071-06