盾构下穿沪杭高铁高架桥设置围护桩的效果分析

吴义明

(浙江象山宏润建设集团股份有限公司,310004,杭州∥高级工程师 )



盾构下穿沪杭高铁高架桥设置围护桩的效果分析

吴义明

(浙江象山宏润建设集团股份有限公司,310004,杭州∥高级工程师 )

杭州地铁1号线乔司北站—临平高铁站区间左、右线盾构先后近距离侧穿沪杭高铁高架桥墩,为减少盾构掘进施工对高铁桥墩的影响,预先在隧道与被穿越高铁桥墩间打设围护桩。通过数值模拟和监测数据分析，证明预设的围护桩可有效减少高铁桥墩的沉降和水平位移。在实际工程中具有广泛的应用。

地铁隧道;高架桥墩;围护桩;地基变形

Author′s address Zhejiang Xiangshan Hongrun Construction Group Co.,Ltd.,310004, Hangzhou,China

杭州地铁1号线的盾构在杭州软土地层中,顺利穿越了大量建筑物,其中,杭州地铁1号线乔司北站—临平高铁站区间(以下简为“乔—临区间”)盾构穿越高铁高架桥施工是一大工程难点。该高铁高架桥桥墩沉降及水平位移允许值仅为3 mm。经数值分析与研究,在该区间盾构下穿高铁前,预先对盾构下穿高铁段进行围护桩加固,并在围护桩顶部设置圈梁、系梁支撑,以减小盾构施工对临近高铁桥墩桩基的影响。

1 工程概况

杭州地铁1号线18号盾构区间乔司北站—临平高铁站的左线、右线盾构先后于余杭高铁桩号K37+410.91～K37+455.91、K37+423.16～K37+468.16旁侧穿越余杭高铁高架桥桥墩。该区间左右线下穿段的盾构隧道中心埋深为 11.7 m,线间距为 15 m,隧道外径为 6.2 m、内径为 5.5 m,管片衬砌厚0.35 m。下穿段盾构主要穿越土层为③2粉砂及③5砂性粉土。隧道左线距离余杭高铁西侧承台桩基最小净距为 6.16 m,隧道右线距离余杭高铁东侧承台桩基最小净距为 5.19 m,为减少盾构掘进施工对高铁桥墩的影响,预先在盾构穿越段两侧(即隧道与高铁桥墩间)各打设1排φ800 mm钻孔桩及1排φ600 mm旋喷加固桩。旋喷加固桩与隧道间净距为 1 m,在围护桩桩顶设置圈梁,两排圈梁间设置混凝土系梁支撑。盾构穿越高铁段隧道与沪杭高铁桥墩平面位置关系如图1所示,纵剖面如图2所示。

场地地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水、孔隙承压水以及基岩裂隙水。浅层地下水属孔隙潜水,主要赋存于表层填土及③1～③7层粉土、粉砂中,由大气降水和地表水径流补给,地下水位受季节影响较大。承压含水层主要分布于深部圆砾层中,水量较丰富,隔水层为上部的淤泥质土和黏土层。承压含水层顶板高程为-26.00～-24.82 m,隔水层顶板高程为-14.02～-15.12 m。承压水头上升高的水位埋深一般在地面下 6.0～10.85 m, 其高程为 -3.23～1.63 m,且水位呈年周期性变化。

盾构下穿段的余杭高铁桥墩基础为承台桩基形式。桩基采用φ1.25 m钻孔桩,桩底标高为-67.663 m和-67.163 m,承台标高为 0.337 m和0.837 m,基础、上部结构形式及承台桩平面布置关系图如图3、图4所示。

图1 盾构下穿高铁段隧道与高铁桥墩相对关系平面图

2 盾构侧穿数值模拟

为减少盾构施工对高铁桥墩的影响,分别对非阻隔(未设围护桩)与阻隔(设围护桩)条件下的施工情况进行建模分析。模型建立了左右线盾构隧道、端头井及盾构穿越处西侧和东侧的桥墩承台和桩基。模型示意图如图5、图6所示。

计算模型通过“杀死”隧道内部土体并“激活”隧道管片来模拟盾构推进过程。计算结果表明,未设置围护桩时桥墩变形较大。在隧道与临近桥墩之间建立钻孔桩及旋喷加固桩后,桩基的位移云图如图7所示。

图3 余杭高铁承台及上部结构示意图

图4 余杭高铁承台桩位示意图

图5 计算模型平面图

由图7可知,盾构左右线侧穿高铁桥墩时,由于桥墩桩基形式为端承桩,故桩基沉降相对较小，桩基主要产生沿隧道方向的水平位移。以距离隧道最近的1号桩、2号桩作为分析对象,分别计算了未设置与设置围护桩时1号桩、2号桩的沉降值、水平位移值,计算结果如表1所示。

表1 桩的沉降、水平位移表

图6 计算模型局部示意图

图7 设置围护桩后的桩基位移云图

3 监测数据分析

3.1 正常推进情况

本工程左线侧穿高铁桥墩时,盾构各项参数设定均正常。设置左线盾构临近桥墩沉降监测点E17和E18，左线盾构临近桥墩水平监测点A13和A14。其中，E18和A13监测点直接布设于桥墩，且测点距离左线隧道最近，与隧道净距为6.2 m。在盾构穿越的不同阶段,桥墩的实际监测数据如表2所示。

表2 监测数据

由监测结果可知,在围护桩结构作用下,盾构正常推进时,其侧穿高铁桥墩施工对桩基沉降、水平位移影响较小。

但如果盾构施工过程中施工参数设置不当，即使有围护桩的隔离作用,也会影响高铁正常运营。施工参数对盾构穿越施工的影响可总结为:

(1) 盾构穿越桥墩前,桥墩沉降、水平位移主要受盾构切口土压设定的影响。土压设定值偏高时将出现盾构切口前方桥墩隆起,桥墩向外发生水平位移的现象；土压设定值偏低则会导致盾构切口前方桥墩沉降及桥墩向内发生水平位移。

(2)穿越过程中,桥墩受盾构扰动的影响较大。当盾构到达桥墩位置时,如大幅度进行纠偏以调整盾构姿态，将直接影响桥墩沉降及水平位移。

(3)穿越结束后,桥墩变形受同步注浆浆液凝结时间的影响。如同步注浆的浆液初凝时间长，则地面沉降相对较大,并使桥墩产生较大的水平位移。3.2 非正常推进情况

由于本盾构区间主要穿越的粉砂层含水量较大,故易出现螺旋机喷涌现象。这将造成较大的地面沉降。在盾构穿越前预先设置围护隔断桩将大大减少盾构掘进对高铁桩基的影响。特别在非正常掘进过程中,隔断围护桩将对周边土体起到有效的支护作用。

在乔—临区间右线穿越高铁的施工过程中,当盾构切口靠近加固区时，曾出现螺旋机喷涌现象(喷涌时间为2012年1月1日),导致无法有效保证盾构正面土压平衡并控制盾构出土量,从而造成盾构周边地面沉降累计达-16.62 mm。但由于隔断围护桩的作用及高铁端承桩本身的受力特性,桥墩桩基变形较小,其桩基最大沉降仅-0.63 mm,最大水平位移仅-0.93 mm。

图8、图9为盾构穿越段监测点布置图。

盾构螺旋机喷涌后，地面沉降及临近承台桩基的沉降情况如图10所示，临近承台桩基的水平位移情况如图11所示。

经分析,盾构正上方地面出现了较大幅度沉降,但在隔断围护桩外侧的桥墩沉降、水平位移较小。

3.3 数据对比与讨论

正常推进情况下桥墩水平位移监测点A13与A14在盾构切口穿越监测点时的位移监测值分别为0.85 mm与0.50 mm；非正常推进情况下,即

图8 盾构穿越段监测点布置图1

图9 盾构穿越段监测点布置图2

盾构机发生螺旋机喷涌后,盾构切口附近的桥墩水平位移监测点A11与A12的最大位移监测值分别达到0.95 mm与0.40 mm。可见，在围护桩隔断作用下,正常推进与非正常推进时桥墩水平位移都较小,而非正常推进情况下的桥墩水平位移相对较大。

图10 地面与桥墩沉降监测数据曲线图

图11 桥墩水平位移监测数据曲线图

正常推进情况下桥墩沉降监测点E17与E18在盾构切口穿越监测点时的沉降监测值为-0.33 mm、-0.54 mm;非正常推进情况下,即盾构机发生螺旋机喷涌后,盾构切口附近的桥墩沉降监测点E19、E20的沉降监测最大值达到-1.20 mm、-0.90 mm。可见在围护桩隔断作用下,正常推进与非正常推进时桥墩沉降都较小,非正常推进情况下的桥墩沉降相对较大。

4 结语

乔—临区间盾构下穿高铁高架桥工程的施工经验可为类似工程提供参考。本文论述了盾构在粉砂性地层中侧穿高铁的重点技术措施，并对盾构下穿时的高铁高架桥桥墩的沉降及水平位移等监测数据进行分析。分析结果表明，预设围护桩可有效减少盾构掘进对高铁桥墩的影响。

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[3] 张冰.地铁盾构施工[M].北京:人民交通出版社,2011.

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[6] 刘钊,佘才高,周振强.地铁工程设计与施工[M].北京：人民交通出版社,2004.

Analysis of the Retaining Pile Construction in Shield Tunnel Crossing the Viaduct Piers on Shanghai-Hangzhou High-speed Railway

WU Yiming

During the construction of Hangzhou Subway Line 1, the shield tunnel from Qiaosibei Station to Linping High-speed Railway Station will cross under the viaduct piers of Shanghai-Hangzhou High-speed Railway within a close range. In order to reduce the influence of shield construction on viaduct piers of the high-speed railway, retaining piles are set between the tunnel and the viaduct piers in advance. This strengthening method has been verified by numerical modeling and monitoring data analysis, it shows that the preset retaining piles could effectively reduce the settlement and horizontal displacement of viaduct piers, and will be widely applied in practical engineering projects.

metro tunnel; viaduct piers; retaining pile; ground deformation

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.06.025

2014-07-12)