基于双层永久衬砌结构的桩基托换施工力学行为研究

胡瑞青,戴志仁,王立新,崔玉龙,李储军

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室,西安 710043)

引言

随着城市轨道交通线网的逐步加密[1-3]，远期地铁线路建设时，受既有线限制与周边环境影响，在线路走向与敷设方式、空间关系与结构形式以及施工方法与工程措施等方面提出了极其苛刻的要求[4]。在既有线占据城市主要地下廊道后，地面建(构)筑物桩基侵入隧道现象将愈加频繁。针对地铁隧道下穿桥梁桩基的托换技术及施工力学行为，国内外众多专家学者进行了深入而广泛的探讨，并取得了丰硕的研究成果。徐前卫等[5]依托某地铁区间下穿桥群桩基础工程，研究了扩大板式基础托换以及盾构机直接切桩的施工方案。邓涛等[6]以盾构隧道穿越桥梁的桩基主动托换工程为背景，分析了在不同顶升荷载作用下复杂超静定结构的内力与位移响应，研究成果可为后续类似桩基托换工程提供宝贵的决策依据和技术指导。周济民[7]针对既有桥梁结构的形式、周边环境及现场作业空间等，提出了桩基托换及盾构直接切桩的施工方案。

通过调研，国内外日益增多的桩基托换工程多数采用桩式托换[8-15]，而受现场条件和周边环境等影响，常规桩梁式托换体系可能无实施条件或施工难度较大，因此，基于隧道衬砌结构的洞内群桩基础托换技术应运而生。宋南涛等[16-20]对隧道衬砌结构托换群桩基础施工工艺进行了研究与应用，而对群桩基础洞内托换施工过程中变形特性及受力机理等的空间施工力学行为鲜有报道，本文运用有限元程序，分析研究基于双层永久衬砌结构的桥梁桩基托换施工力学行为，以期为后续类似工程提供崭新的设计理念和施工工艺。

1 工程概况

西安地铁1号线二期张家村站—后卫寨站矿山法区间下穿太平河段，右线矿山法隧道洞门管棚施工时，管棚钻进至10.6 m长度时遇到障碍物，因此对太平河基础资料重新调查，太平河河床结构为浆砌石+混凝土，河床两侧存在跨河桥的桩基，其中，太平河主道桩基础墩2座，每座墩布置4根摩擦桩，辅道桩基础墩2座且每座墩布置3根摩擦桩，桩径均为1.0 m，桩长20 m，桥跨结构为70 cm厚预制板梁(简支梁结构)，经现场实测，本段区间左线两根桥桩侵入隧道二衬约0.6 m，右线两根桥桩侵入隧道二衬分别为2.3 m和0.2 m，太平河桥桩基与矿山法区间隧道平面位置关系如图1所示。

图1 太平河桥桩基与矿山法隧道平面位置关系示意

受场地条件与周边环境限制，常规桩梁式托换体系无实施条件，且为降低施工成本，减少施工周期，采用双层永久衬砌结构的桩基托换体系，避免了常规桩梁式托换体系实施期间，噪声大、占地大，以及管线的改迁工作。矿山法区间下穿太平河桥桩托换段剖面如图2所示。

图2 矿山法区间下穿太平河桥桩托换段剖面

2 桩基托换施工工艺

2.1 结构设计支护参数

太平河桥桩侵入地铁隧道结构处采用在地铁隧道二衬外侧设置一层800 mm厚直墙圆拱钢筋混凝土衬砌，对桥桩进行托换。托换衬砌的外衬为初期支护，由网喷支护与钢拱架等支护型式组成，托换衬砌与地铁隧道二衬之间铺设防水层。

托换衬砌段断面采用“CRD”法施工。采用钢筋网、喷射混凝土、格栅钢架及超前支护联合作为初期支护，施工时辅以临时支护，断面变化处以堵头墙衔接，过渡段采用素混凝土回填，托换衬砌段隧道开挖前采用上半断面超前小导管注浆预加固地层，加固段长度为8 m，对于隧道上方桥台下预埋袖阀管，根据监测情况进行补偿注浆。桩基托换段隧道支护参数如表1所示。

表1 托换衬砌段断面支护设计参数

2.2 桩基托换施工工艺

基于双层永久衬砌结构的桩基托换体系主要施工步骤如下，桩基托换段施工工序如图3所示。

图3 桩基托换段施工工序示意

(1)矿山法施工

桩基托换段暗挖断面采用CRD法施工，施工时应遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的基本工艺。施工组织计划和施工工序，必须严格遵守“先排管，后注浆，再开挖，注浆一段，开挖一段，支护一段，封闭一段”的原则进行。每步开挖后，及时施做初期支护和临时支护，严格控制每循环的进尺长度0.5 m，每步台阶长度不宜过长，以3～5 m为宜，以便尽早封闭断面。

(2)植筋

在桥梁桩基上与托换衬砌结构接触位置处等角度植入钢筋(桥桩一周10根)，植筋要求如下：植入钢筋为φ22 mm，单根长度为1 000 mm，植入深度为350 mm>15d(d为钢筋直径)；植筋钻孔直径为28 mm；钻孔应注意避免截断原结构内部钢筋；钻孔后孔内残渣及粉尘应清理干净；水平方向植筋时，植筋施工应交错进行。

(3)浇筑托换衬砌和洞内断桩

太平河桥桩托换段初支施工完成，待标准段上半断面开挖进尺3 m后，封闭掌子面，施做桥桩托换衬砌，待托换衬砌达到设计强度后，方可继续向前开挖，且待桥桩托换衬砌施做完成达到设计强度后，再凿出侵入地铁衬砌结构桩基及临时支撑。

3 模型建立

3.1 计算模型

运用岩土与隧道有限元分析软件MIDAS GTS，建立三维有限元模型，对基于双层永久衬砌结构的桥梁桩基托换体系的施工力学行为进行分析。根据圣维南原理，有限元模型基本尺寸为40 m×70 m×35 m(x×y×z)，模型边界满足与隧道净距大于3倍洞径的要求。地层从上至下依次为杂填土、黄土状土、细砂、中砂及粗砂，隧道拱顶覆土厚度10.7 m。地层、托换衬砌、二衬及桥梁上部结构均采用3D实体单元模拟，初期支护采用2D板单元模拟，桥桩基采用1D梁单元模拟，同时考虑灌注桩与周围地层之间的摩擦接触性质，桩土间采用桩界面单元。计算模型四周采用横向约束边界条件，底部采用固定边界条件，顶面采用自由变形边界。太平河桥-暗挖隧道-地层整体有限元模型如图4所示，太平河桥与暗挖隧道的空间相对位置关系如图5所示。

图4 太平河桥-暗挖隧道-地层有限元模型(单位：m)

图5 太平河桥与暗挖隧道空间位置关系

3.2 计算参数

托换衬砌、二衬、初期支护及桥梁结构等结构材料采用线弹性本构模型，土体采用修正摩尔-库伦本构模型，超前小导管注浆预加固采用等效地层加固方式[16]，土体、支护结构及桥梁结构的物理力学参数如表2所示。

表2 土体及结构物理力学参数

3.3 暗挖隧道施工模拟及计算工况

浅埋暗挖隧道施工工序复杂，包括掌子面开挖、喷锚支护、浇筑二次衬砌及拆除临时支撑等，考虑到隧道施工的时空效应，开挖支护过程采用单元“激活”“钝化”控制法模拟，且隧道开挖的时空效应采用应力释放系数进行模拟，即首先钝化开挖的土体单元并对开挖轮廓线上的地层进行应力释放，随后激活支护结构，完成剩余应力的释放。

结合工程具体情况，计算中假定：隧道开挖荷载释放30%，然后施做初期支护，当开挖荷载释放50%时，浇筑托换衬砌，而二衬作为安全储备不在计算中体现出来[20-21]。

根据矿山法隧道施工开挖面的不同位置，沿隧道暗挖施工方向选取了若干主要施工阶段作为计算工况，如图6和表3所示。

图6 暗挖隧道施工掌子面位置

编号计算工况R(L)T-Step1右/左线扩挖段AR(L)T-Step2右/左线托换段A-桩身外露R(L)T-Step3右/左线托换段A-托拱及切桩R(L)T-Step4右/左线扩挖段BR(L)T-Step5右/左线托换段B-桩身外露R(L)T-Step6右/左线托换段B-托拱及切桩R(L)T-Step7右/左线隧道贯通

4 结果分析

4.1 隧道施工桥跨结构变形分析

考虑到隧道施工的空间效应[21]，分析桥跨结构变形时，选取近隧道侧桥跨结构纵向及横向一系列特征点，桥上部结构监测断面布置示意如图7所示。

图7 桥跨结构监测断面布置示意

主道和辅道典型施工工况下隧道正上方桥跨结构纵向沉降曲线如图8所示。桥跨结构特征点主要施工阶段沉降值如表4、表5所示。由计算结果可知，矿山法隧道施工对主道和辅道桥跨结构的影响规律基本相同，且桥桩基础均位于隧道开挖引起的沉降槽之内，桥跨结构沉降变形叠加效应显著，左线隧道开挖引起辅道上部结构沉降约占累计总沉降量10%，右线隧道开挖引起主道桥跨结构沉降约占累计总沉降量20%；隧道桩基托换段土方开挖过程中，桩基出露施工阶段引起的桥跨结构沉降值占总沉降量的23%～30%，为隧道衬砌结构洞内托换群桩基础施工的关键工序，因此桩基托换施工过程中应予以重点关注。由于右线隧道托换段A处桩体开挖暴露长度较短，桩基侧摩阻力即桩基承载力损失较小，故该托换段拱顶正上方桥跨结构在桩基外露过程中沉降变形占比相对较小，因此对于部分侵入隧道内的桩基，应尽量利用既有的桩基承载体系，少破除桩基，以减小桥梁结构沉降变形。

图8 不同施工步监测断面沉降曲线

表4 不同施工步辅道桥跨结构特征点沉降值

表5 不同施工步主道桥跨结构特征点沉降值

图9 左右线隧道贯通监测断面沉降曲线

隧道贯通后主道和辅道桥跨结构横向沉降曲线如图9所示，桥跨结构特征点沉降极值如表6所示。由计算结果可知，桥跨结构及墩台最大沉降变形均紧邻隧道一侧，主道和辅道桥跨结构最大不均匀沉降分别为1.98 mm和1.74 mm，由不均匀沉降引起的主道和辅道桥面最大横向倾斜度分别为0.11‰和0.14‰。

表6 隧道贯通后桥跨结构特征点沉降极值

矿山法隧道贯通后桥梁结构沉降变形云图如图10所示。由图10可知，桥梁结构沉降变形最大值位于紧邻隧道一侧的拱顶正上方，由于辅桥托换段B处较托换段A处桩基侧摩阻损失较大，故辅桥沉降最值区域偏向托换段B侧。

图10 暗挖隧道贯通太平河桥沉降云图

综上所述，基于双层衬砌的桩基托换体系施工过程中，桩基外露施工阶段引起的桥梁结构沉降变形较大，因此，除尽量利用原有承载体系，少破除桩基外，应及时施做托换衬砌实现桩基荷载的有效传递，竖向承载体系的快速转换是控制沉降变形的有效措施。

隧道超前支护可改善加固围岩，充分调动部分围岩的自承载能力，且可以提高桩基侧摩阻力，降低桩基托换段施工引起的桥梁结构沉降变形。因此结合现场条件和周边环境，托换衬砌段隧道开挖前采用上半断面超前小导管洞内注浆预加固地层，洞内注浆超前加固围岩后暗挖隧道施工对桥桩基础及桥跨结构的沉降变形影响规律基本相同，仅在量值上大幅降低。隧道周围地层加固前后桥跨结构特征点沉降变形极值(隧道贯通)如表7所示。由表7可知，经洞内注浆加固周围地层后，桥跨结构特征点沉降值(隧道贯通)减少约20%，超前支护加固效果显著。

表7 隧道周围地层加固前后桥跨结构特征点沉降变形

4.2 托换衬砌主应力分析

典型施工阶段桩基托换节点区域衬砌结构主应力如表8和图11所示，隧道洞通后桩基托换节点区域衬砌结构最大主应力云图如图12所示。由计算结果可知，桩基托换节点区域均产生明显的应力集中现象，且托换节点处衬砌结构主应力随隧道施工进度呈递增趋势。隧道贯通后托拱结构在桩基节点区域最大主压应力为4.28 MPa，远小于混凝土的轴心抗压强度设计值，托拱结构在桩基节点区域出现局部拉应力，最大主拉应力为2.45 MPa，大于混凝土的轴心抗拉强度设计值，故桩基托换节点处托拱结构应适当加厚并增加配筋量，以满足结构强度要求。辅桥桩基托换段A处桩基开挖暴露长度较短(即桩基侧摩阻力损失较小)，衬砌结构最大主拉压应力相较其他桩基托换节点区域较小，对托拱结构受力有利。

表8 桩基托换节点区域衬砌结构主应力 MPa

图11 不同施工阶段桩基托换节点区域衬砌结构主应力

图12 隧道贯通桩基托换节点处衬砌结构主应力云图

洞内预注浆加固地层前后桩基托换节点区域衬砌结构主应力如表9所示。由表9可知，地层加固后桩基托换节点区域衬砌结构主应力得到较大幅度降低，降低幅度为17%～25%。

表9 洞内注浆加固前后桩基托换节点区域衬砌结构主应力

5 结论与建议

以西安地铁1号线矿山法区间下穿太平河桥工程为背景，运用有限元程序分析研究了基于双层永久衬砌结构的桥梁桩基托换空间施工力学行为，主要结论如下。

(1)受场地条件限制与周边环境影响，常规桩梁式托换体系往往无实施条件，而基于双层永久衬砌结构的桥梁桩基托换体系具有环境影响小、托换体系安全可靠，最大程度避免了常规托换体系施工环境影响大(振动、噪声及粉尘等)、施工成本高及受力体系复杂等弊端，该施工技术可为后续类似工程提供宝贵的决策依据和技术指导。

(2)矿山法隧道施工过程中，桩基暴露侧摩阻力损失，该施工阶段对桥跨结构沉降变形影响较大，占桥跨结构累计总沉降量23%～30%，为隧道衬砌结构洞内托换群桩基础施工的关键工序，因此，桩基托换施工过程中应予以重点关注。

(3)基于双层永久衬砌结构的桥梁桩基托换体系在完成竖向承载体系的有效转换后桩基托换节点区域托拱结构产生明显的应力集中现象，因此，桩基托换节点处托拱结构应适当加厚并增加配筋量,以满足结构强度要求。

(4)基于双层永久衬砌结构的洞内托换群桩基础施工过程中桩基开挖暴露长度愈短，施工引起的桥跨结构沉降变形及桩基托换节点区域主应力值愈小，因此桩体应尽可能利用原有的承载体系，减少桩体的截除。

(5)矿山法隧道下穿桥桩段隧道开挖前进行洞内预注浆加固，提高了围岩和桩基的自承载能力，大幅度降低了桥跨结构沉降变形(约降低20%)及托拱结构的受力(降低17%～25%)，同时暗挖隧道施工前宜在桥台下方预埋袖阀管，暗挖隧道施工过程中根据监测情况，若桥台沉降达到报警值应及时进行地面跟踪注浆，以确保桥梁结构安全。