地铁隧道暗挖施工引起的桥桩基础变形规律与控制技术

(任建喜 杨 锋, 贺小俪 朱元伟

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院,710054,西安; 2.中铁十五局一公司,710048,西安∥第一作者，教授)



地铁隧道暗挖施工引起的桥桩基础变形规律与控制技术

(任建喜1杨 锋1,2贺小俪1朱元伟2

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院,710054,西安; 2.中铁十五局一公司,710048,西安∥第一作者，教授)

以西安地铁3号线通化门站—胡家庙站区间侧穿长乐桥为工程背景,通过FLAC3D模拟计算,对比分析CRD(交叉中隔墙加台阶)法和台阶法施工对长乐桥桩基变形的影响。CRD法施工对长乐桥桩基变形的影响小于台阶法,故该区间侧穿长乐桥应该采用CRD法施工。长乐桥桩基采取袖阀管注浆加固后,通过现场变形监测反馈,长乐桥桩基变形在可控范围内,可确保地铁施工期间长乐桥的安全使用。验证了袖阀管注浆参数的合理性,研究结果可为类似工程提供参考。

地铁隧道; 暗挖施工; 中隔墙加台阶法; FLAC3D模拟; 桩基变形

First-author′s address College of Architectural and Civil Engineering,Xi’an University of Science and Technology,710054,Xi’an,China

随着科技的发展,将会有更多的城市开始修建城市地下交通,因此,地铁建设在我国具有长期的发展前景[1]。城市地铁施工对周围的地层产生扰动后会引起地层沉降或隆起,邻近结构物因地层的不均匀沉降可能发生坍塌破坏[2],将影响人民生命和财产的安全。因此,开展地铁施工对既有结构物的变形规律研究,显得非常重要。目前分析研究隧道开挖的方法主要有理论分析研究[3-5]、室内试验研究[6-8]和现场原位测试等。西安地区属于典型的湿陷性黄土地区,开展西安地区地铁区间隧道暗挖施工对邻近结构物的变形影响规律研究具有重要的理论价值。

1 工程概况

西安地铁3号线通化门站—胡家庙站区间(以下简为“通—胡区间”)位于西安市金花北路地下,暗挖隧道场地周边及地下环境较复杂,右线暗挖隧道初衬开挖面距既有的长乐桥桩基础仅0.5 m,暗挖区间要穿越f4地裂缝。通一胡区间由南向北依次跨越西北工业大学洼地、槐芽岭黄土梁地貌单元。沿线地层自上而下依次为素填土、新黄土、饱和软黄土、古土壤、老黄土和粉质黏土。通—胡区间暗挖隧道主要穿越的地层为饱和软黄土、古土壤和老黄土。

对通—胡区间地铁施工有直接影响的是地下潜水。潜水层水位约为地下9.5～11.6 m。根据2010年10月—12月地质勘察钻探显示,场地内地下潜水稳定水位埋深10.4～15.6 m之间。

2 暗挖施工诱发既有桥梁桩基础变形的模拟

2.1 计算模型的建立

综合考虑隧道和桥梁的尺寸资料,由于地铁暗挖隧道开挖影响区域为开挖尺寸的3～5倍,且计算模型既要满足求解精度要求,也要满足计算速度要求,故最终确定计算模型沿隧道轴线方向长60 m,垂直隧道轴线方向宽84 m,竖直方向高为50 m。采用的FLAC3D计算模型图见图1。

图1 FLAC 3D计算模型

通—胡区间暗挖隧道与既有长乐桥的位置关系图见图2。模型中各土层的物理力学参数见表1。管片、等代层和桥梁计算参数见表2。

图2 暗挖隧道与既有桥梁的位置关系

2.2 FLAC3D数值模拟计算分析

通过FLAC3D模拟预测比较CRD(交叉中隔墙加台阶)法和台阶法开挖对既有桥梁桩基础的影响(主要对比不同施工方法对长乐桥桩基竖向位移和水平位移的影响),选择对既有桥梁桩基础影响最小的施工方法。故采用两种工况进行计算。

表1 通—胡区间各土层物理力学参数

表2 通—胡区间桥梁、等代层及管片参数

工况1采用CRD法施工,开挖过程及时进行初期支护,并在施工过程中对长乐桥进行变形监测。

工况2采用上下台阶法施工,支护方式选用“短台阶+临时仰拱法”。开挖过程及时进行初期支护,并在施工过程中对长乐桥进行变形监测。

2.2.1 长乐桥桩基础竖向变形对比分析

通—胡区间暗挖隧道侧穿长乐桥时,在长乐桥桥桩基础上布置一些模拟监测点以监测两种工况下的桥梁桩基础变形情况。图3为长乐桥桩基础的竖向位移云图。

由图3可知,由于暗挖隧道施工的影响,接近隧道侧的桩基础变形较大。同时因为桩基础相对于土体的刚度很大,有少部分桩基础侧发生了向上的位移。台阶法施工引起长乐桥的最大向下竖向位移为18.78 mm,CRD法施工引起长乐桥的最大向下竖向位移是16.11 mm,较台阶法的影响减小了 2.67 mm。

2.2.2 长乐桥桩基础水平变形对比分析

图4为长乐桥桩基础的水平位移云图。图5为长乐桥桥桩基础水平变形曲线。

由图4可知,施工隧道影响范围内的桩基础变形较大,邻近地面的桩基础主要产生负向位移(远离隧道方向为正，反之为负),而接近隧道的桩基础则产生正向位移。CRD法施工对桥梁桩基础的影响区域较台阶法小。台阶法施工诱发的长乐桥桩基础最大水平负位移为 24.29 mm,最大正位移为 18.60 mm,CRD法诱发的长乐桥桩基础最大水平负位移为17.83 mm,最大正位移为15.02 mm。

图3 长乐桥桩基础竖向位移云图

图4 长乐桥桩基础水平位移云图

图5 长乐桥桩基础水平变形曲线

分析图5桩基础的水平变形曲线可知,在邻近隧道轴线范围内,即桩基础埋深在10～20 m范围内。桩基础的变形最明显。台阶法施工诱发桥梁桩基础产生的变形明显大于CRD法施工的影响。台阶法施工诱发1#桩基础产生的最大水平位移为16.44 mm,5#桩产生的最大水平位移为11.34 mm；CRD法施工诱发1#桩基础产生的最大水平位移为8.89 mm,5#桩产生的最大水平位移为5.89 mm。而且通过图6 a)和图6 b)比较可见,CRD法施工诱发桥桩基础产生变形的曲线变化趋势相对比较平缓,即CRD法施工对既有长乐桥桩基础的变形影响较小。

分析FLAC3D计算结果可知,CRD法和台阶法施工都会诱发长乐桥基础发生变形。其中，CRD法施工引起长乐桥的最大竖向位移是16.11 mm；台阶法施工引起最大竖向位移是18.78 mm;CRD法诱发长乐桥桩基础产生的最大水平负位移是17.83 mm,产生的最大正位移是15.02 mm；台阶法施工诱发长乐桥桩基础产生的最大水平负位移是24.29 mm,产生的最大水平正位移是18.60 mm。因此，为了减小地铁隧道施工对长乐桥变形的影响,该区间侧穿长乐桥期间应该采用CRD法施工。

3 预防桥梁桩基础变形的控制措施

通—胡区间隧道浅埋暗挖采用CRD法施工会诱发长乐桥发生变形。为确保隧道施工过程中的长乐桥变形在可控范围内,需对附近部分立交桥梁桩基采取预加固措施。结合地铁隧道施工中常用的桥梁变形控制措施与工程实际情况,拟采用袖阀管地表注浆加固技术来控制暗挖隧道施工期间既有长乐桥的变形。同时，在暗挖施工中严格遵守“管超前、严注浆、短开挖、强支护、勤测量、早封闭”的施工原则办理,还需加强地表及建(构)筑物的监测,及时进行信息反馈,以确保施工安全。

袖阀管注浆的注浆压力初拟为0.5～1.0 MPa,稳压约为1.5 MPa。注浆量可根据实际注浆效果进行调整。钻孔机采用100型或300型工程地质钻机,套管护壁。注浆机械采用FV 5 D、KBY50/70型等双液注浆泵,还需配备能制造浆液的设备和高压注浆管路系统。

第一轮次注浆可在清水清洗袖阀管后进行,然后再次用清水清洗袖阀管内水泥浆,待已注水泥浆凝固12 h后再开始下一轮的补充注浆。一般3d后即可从已安装的袖阀管中下沉注浆钢管。这时管底的封管材料已达到了0.3 MPa的强度要求。施工中首先将4份带有双塞的钢管下沉到设计注浆部位,然后，自上而下进行每段3 m的注浆工作,施工中要保证每段注浆均具有0.3 m的搭接。以下是本工程具体的注浆参数和步骤。

(1) 浆液设计：采用配合比为1:1的水泥浆液作为注浆材料。其中，设计浆液比重是1.51。

(2) 注浆压力参数：施工中的注浆压力值可通过注浆速度和压力表前的回浆管控来控制其大小。采用0.5～0.8 MPa的注浆压力来加固13.5～17.5 m段地层;采用0.8～1.5 MPa的注浆压力加固17.5～46.0 m段的地层;采用0.5～0.8 MPa注浆压力来加固46.0～48.0 m段地层。

(3) 注浆速度：以30～80 L/min的注浆速度来注浆加固底部和顶部的地层,以80～150 L/min的注浆速度来加固中间地层。施工中可依靠搅拌桶的容积和注浆泵的档位来控制注浆速度。

(4) 终灌标准：将13.5～17.5 m和46.0～48.0 m两地层段的注浆压力维持在0.8 MPa,将17.5 m～46.0 m段的注浆压力维持在1.5 MPa。每段均稳压10～15 min,且不能使地面产生裂缝、隆起或冒浆,然后即可终止注浆。

4 隧道暗挖施工变形监测方案设计

4.1 监测的项目及监测频率

根据浅埋暗挖隧道施工总平面图,并结合《地铁工程监控量测技术规程》中暗挖法监控量测项目及要求的规定,确定本工程相关的主要监测项目及其控制标准见表3。

表3 监测内容及频率

4.2 监测点布置

通—胡区间地表沉降监测点的布置主要沿隧道轴线和垂直隧道轴线两个方向进行布置。长乐桥的变形测点对称布置在长乐桥每个桥墩两侧,图6为长乐桥桥墩沉降地表监测点的布置平面图。

4.3 现场监测数据与模拟预测数据对比分析

因为监测时本工程浅埋暗挖隧道CRD法施工只在左线隧道进行了20 m,右线隧道还没有开始,所以本文只将左线CRD工法所得模拟预测数据与现场监测数据进行对比研究分析,以评价注浆效果及施工对长乐桥的影响。

根据设计的监测方案,对长乐桥的桥桩进行沉降监测,并根据相关公式计算桥桩的倾斜、沉降和倾斜，结果分别见表4和表5。

图6 长乐桥桥墩沉降监测点布置图

由表4可知,长乐桥现场沉降实测值比模拟预测值要大一点。这是因为模拟过程中忽略了隧道开挖土层的自然固结沉降。现场实测的最大桥墩沉降值为5.36 mm。这是因为该测点距暗挖隧道最近,受隧道施工影响较大。

由表5可知,模拟预测和现场实测得到的桥墩沿隧道轴线方向的倾斜均较小。模拟预测的最大倾斜率为0.21 ‰,现场实测的倾斜率为0.24 ‰,远小于规范控制要求的2 ‰。

由长乐桥沉降值和沿隧道轴线方向倾斜结果可见,采取袖阀管注浆措施减小了CRD法施工对长乐桥变形的影响,确保了地铁施工过程中长乐桥的安全使用,也验证了袖阀管注浆参数的合理性。

5 结语

(1) 通过FLAC3D软件模拟预测了CRD法和台阶法施工对长乐桥的影响。模拟结果表明CRD法施工诱发长乐桥桩基础变形较台阶法小。故该区间暗挖隧道侧穿长乐桥期间应该采用CRD法施工。

表4 长乐桥桥墩各监测点沉降监测结果 mm

表5 长乐桥桥墩沿隧道轴线方向倾斜监测结果 ‰

(2) 为了减小CRD法施工对长乐桥桩基变形的影响,需要对隧道附近部分长乐桥桩基进行袖阀管注浆加固。设定合理的注浆参数,提升袖阀管注浆效果,确保隧道CRD法施工过程中长乐桥的安全使用。

(3) 分析现场监测结果可知,长乐桥桩基采取袖阀管注浆加固后,可将CRD法施工对长乐桥的影响降低至可控范围内,验证了袖阀管注浆参数的合理性,研究结果可为类似工程提供参考。

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Deformation Law of the Existing Bridge Pile Foundation Caused by Metro Tunnelling and the Control Technology

REN Jianxi, YANG Feng, HE Xiaoli, ZHU Yuanwei

Taking the section from Tonghuamen Station to Hujiamiao Station on Xi'an metro Line 3 as the engineering background, which crosses from the side wear of Changle Bridge, and through analog calculation by using FLAC3D, the effects of CRD method and step method on the deformation of Changle Bridge pile foundation are compare and analyzed. The influence of CRD construction method on the pile foundation deformation is less than that of the step method, so this method is recommended for side wear of Changle Bridge pile foundation. After taking the sleeve valve tube grouting reinforcement, the feedback of the deformation monitoring shows that the deformation of Changle Bridge pile foundation is in the controllable range, and this method could guarantee the safety of Changle Bridge during metro construction, at the same time verify the rationality of the parameters for sleeve valve tube grouting. This research can provide a reference for similar projects.

metro tunnel; tunnelling construction; CRD method; FLAC3D simulation; pile foundation deformation

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.09.023

2016-03-04)