小净距桩基施工对既有地铁线路影响的设计和研究

刘鹤冰，何 达

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

1 工程概述

通惠河北路(东便门—四环)是北京市城市快速道路系统中15条放射线之一,属于市重点工程。该项目中修建的左转Z10匝道桥,跨越地铁复八线和八通线这两条线路的地面明线部分。桥梁基础采用混凝土承台加30 m长的钻孔灌注桩修建。钻孔灌注桩距离地铁遮阳棚边的最近距离为1.7 m,距离地铁明线轨道最近距离仅为6.0 m。桥梁基础与地铁平面位置关系如图1所示。

图1 桥梁基础与地铁平面位置关系

由于地铁复八线和八通线地铁已经运营,车辆通行频繁,输送人员较多,根据《北京地铁工务维修规则》，轨道沉降不得大于15 mm,施工如果引起较大沉降,超过标准,有可能影响到地铁的正常运行,从而造成较大的经济损失和社会影响。为了避免造成不良后果,设计针对本工点进行了专门的研究,采用三维有限元仿真分析的方法,对挖孔灌注桩开挖的全过程进行模拟。通过改变桩基施工顺序和施工方法找到一种最合理的开挖方式,明确施工中关键工序,为现场施工设计控制地面沉降提供了理论依据和技术支持,根据施工监测结果,设计满足了地铁沉降的要求,成功地达到了施工(匝道桥)和运营(地铁线路)两不误的要求。

2 桩基施工对地铁线路影响的研究

根据现场的情况和采取的施工措施,选用三维有限元程序对桩基施工的各个阶段进行了模拟,通过对比和分析来判断影响既有线路沉降的主要因素,从而选取最合适的工法进行设计和施工。

2.1 数值计算模型

研究采用ANSYS有限元程序进行数值模拟。拟定钻孔灌注桩的直径为1.5 m,根据影响范围为开挖直径5倍的原则[1],取土体的计算边界与钻孔灌注桩边缘相距7.5 m。因此土体的计算范围确定为长54 m、宽45 m、高40 m。地铁路基、钻孔灌注桩、钢套筒(为防止出现塌孔现象,在钻孔端部设置10 mm厚钢套筒)和地层土体均采用SOLIDE45实体单元,屈服条件采用Drucker-Prager屈服准则。建好的三维有限元模型如图2所示。

图2 三维有限元模型

2.2 围岩参数

桩基影响范围内的围岩,按成因年代可划分为人工堆积层、第四纪沉积层两大类,细分后可划分成4个主要地层。各层围岩的分布范围可参考图3,围岩力学参数见表1。

图3 围岩分布

表1 围岩力学参数

2.3 计算荷载

根据荷载类型可将荷载分成恒载和活载两部分。其中恒载为土体自重；活载为车辆荷载和泥浆压力。根据参考文献[2],车辆荷载可采用扫频计算的方法得到。当动载系数取1.2时,车辆荷载可按33 kPa的均布压力作用在轨道面上,承台和地铁线路关系见图1。

钻孔过程中,泥浆护壁对钻孔的约束作用,可等效成按梯度变化的侧向压应力作用在钻孔壁上。泥浆压应力可按公式(1)计算

σp=γgh

(1)

式中σp——泥浆的侧壁压应力，Pa；

γ——泥浆的密度，kg/m3,取水密度的1.2倍；

h——计算位置距泥浆面的高度，m。

2.4 开挖步和计算工况

2.4.1 计算工况

由于北承台和南承台相距27 m,大于5倍的桩基直径7.5 m,因此先挖北承台下的桩基还是先挖南承台下的桩基对最终计算结果影响不大。钻孔灌注桩的位置如图4所示。为了研究钻孔桩开挖顺序对地表位移的影响,采用2组计算工况分析,即按桩号1、2、3、4、5、6的顺序开挖和按照桩号4、3、2、1、5、6的顺序开挖。为了研究钢套筒长度对地表位移的影响,分别取钢套筒长度为5、10、15 m(列为工况3、2、4)对以上工况进行分析。整个桩基的施工过程分成4种计算工况进行模拟。这4种计算工况见表2。

表2 计算工况

2.4.2 开挖步

桩基开挖时,以10 m长的土体开挖作为一个开挖步,每根桩长30 m,故1根桩分3次挖完。开挖时,第1段土体(0～10 m)开挖需考虑的施工内容有：土体开挖、钢套筒支护、施加泥浆压力并为上一次挖好的桩灌注混凝土；第2段土体(10～20 m)和第3段土体(20～30 m)开挖只考虑土体开挖和施加泥浆压力这两个施工内容。计算中共有6根灌注桩需要开挖,故需要18个开挖步模拟开挖过程。再加上初始应力场和最后一根桩灌注混凝土这两个应力状态的计算,因此共需20个计算步才能完成整个桩基施工过程的模拟。计算中采用“死”、“生”单元的方法,实现土体的开挖和钢套筒、混凝土的支护[3]。

2.4.3 计算结果

按照上面所述的计算工况和开挖步计算,可以得到4种工况下的路基位移和桩壁径向位移。具体的计算结果见表3。

表3 不同工况下路基位移和桩壁位移比较 mm

从表3中可以看出,工况1的路基位移沉降最大；工况2、3、4的路基位移沉降较小,但相差不大。这说明先在远端施工灌注桩更有利于控制位移沉降。工况2、3、4都是在离地铁线路较远的地方先施工,只是钢套筒的长度不一样,因此路基位移沉降在这3种计算工况中差异不明显。但工况3的桩壁径向要比工况2、工况4的大。其原因是地面以下第1层土体的物理性质较差,弹性模量E=9.8 MPa,距地表11.26 m。工况3的钢套筒长度为5 m,未能穿透第1层土体,因此钻孔灌注桩的侧壁位移较大；工况2的钢套筒长度为10 m,虽然钢套筒的长度也未能穿透第1层土体,但钢套筒已有足够的长度,能较好地限制桩的侧壁位移,所以该施工方法的侧壁位移不大；工况4的钢套筒为长度15 m,钢套筒虽然穿透第1层土体并插入第2层土体中,但第2层土体的物理性质较好,弹性模量E=25 MPa,所以工况4的侧壁位移并没有比工况2的侧壁位移减少许多,但工况4的施工复杂程度和工程造价要高于工况2。

根据4种工况的位移分析比较,采用工况2(先远后近开挖,钢套筒10 m)所提供的施工方法进行施工。该施工方法既能保证钻孔灌注桩的施工不对既有地铁线路的运营产生较大的影响,又能尽可能地降低施工造价。

3 匝道桥桩基设计

根据研究结果和三维有限元分析,施工设计最终采用30 m钻孔灌注桩。为防止出现塌孔现象,需采用比重为1.2泥浆液体进行灌注,并在钻孔端部用10 mm厚钢套筒进行支护,桩基根据研究成果按4、3、2、1、5、6先远后近的顺序施工,同时加强既有地铁线路的监控,以确保对既有地铁线路影响最小。

4 现场施工监控

图4 位移控制点位置

现场施工桩基过程中,由于地铁路基面的位移随桩基开挖进程而不断发生变化。因此施工单位专门对路基面上一些关键位置进行位移监测,以便确保施工对既有地铁线路的影响在可以控制的范围内,并根据监控结果指导下一步施工,施工中选取了4个路基面上的关键点作为位移控制点。通过读取4个控制点在工况2下每个开挖步的位移值,得到控制点位移随开挖步发展的变化规律。各控制点的位置见图4,控制点位移随开挖步发展的变化规律见图5。

图5 竖向位移随开挖步变化曲线

从图5中可以看出,随开挖过程各控制点的竖向位移都在增大。其中控制点1、2的竖向位移大于控制点3、4的竖向位移。这说明北承台4根灌注桩开挖对地表位移的影响要大于南承台2根灌注桩开挖的影响；北承台下4根钻孔灌注桩的施工对路基位移影响最大,是控制路基位移沉降的关键工序。复八线线路最大位移沉降值约为8 mm,八通线线路最大位移沉降值约为4 mm,竖向位移满足轨道最大沉降不超过15 mm的要求[4],线路横向位移较小,很难准确量测,桩基施工没有对地铁复八线和八通线的正常运营产生影响,工程取得圆满成功。

5 结论

由于根据桩基开挖对既有地铁线路影响的难点进行专项研究,在确保地铁线路的运营安全的基础上,成功地进行了桩基施工,本工点的设计和施工主要有以下结论。

(1)采用有效的措施,合理的施工顺序可以最大限度地减少桩基施工对既有线的影响,本次设计和施工有效地控制了既有地铁线路的竖向位移,对其运营没有造成影响。

(2)数值分析对本工点的设计和施工具有重要的指导作用,计算结果和施工监测结果比较吻合。由于定性地判断了桩基施工过程和顺序对地铁线路的影响,从而使设计和施工能够从宏观角度对桩基施工过程进行把握,极大降低了风险。

(3)监测在本项目施工中,有效地指导了施工,使设计单位和施工单位能够根据监测结果检验设计和施工是否能够满足既有地铁沉降要求,以便及时修改设计,避免事故的发生。

[1]关宝树.隧道力学概论[M].成都：西南交通大学出版社，1993：49-54.

[2]翟 辉,刘维宁.地铁列车引起的低频地表响应及减振措施研究[J].都市快轨交通,2005(4)：101-105.

[3]黄 斌,杨 敏,熊巨华.不同桩型情况下的桩基差异沉降三维有限元分析[J].建筑科学，2005(2)：31-55.

[4]吴 波,高 波，等.城市地铁小间距隧道施工性态的力学模拟与分析[J].中国公路学报,2005(3)：84-89.

[5]杨 正.地铁工程的风险控制[J].铁道标准设计，2008(12)：25-27.

[6]北京地铁运营公司.北京地铁工务维修规则(试行)(2002)[S].

[7]GB50010—2002，混凝土结构设计规范[S].