高架桥桩基作用下地铁隧道围岩稳定措施研究

■ 中铁十九局集团轨道交通工程有限公司 王威

城市地下轨道交通工程因处于市区，会在一定程度上受到周边环境的影响，其中区间隧道下穿城市高架桥的情况并不少见。下穿高架桥是隧道施工过程中的重要风险源，桥桩会将高架桥的作用力传递到地表，进而改变地层的应力分布，对隧道围岩和结构产生不利影响[1]，杨贵永等[2]分析了地铁区间隧道施工对下穿高速桥的影响；熊家全[3]研究了地铁隧道浅埋暗挖施工对桥桩的影响；张文正[1]对盾构隧道下穿机场线桥桩结构变形进行了研究；韦猛等[4]分析了隧道衬砌开裂机理和加固措施；郑明新等[5]研究了偏压隧道洞口段注浆加固效果；众多学者[6]-[10]对复杂情况下隧道围岩的稳定性进行了研究。本文针对地铁隧道下穿高架桥情况时隧道围岩稳定措施进行了探讨，并给出相应建议。

1.工程背景

本文以乌鲁木齐市轨道交通某区间下穿高架桥桩基为例，研究隧道围岩稳定控制措施的作用并进行优化。该区间隧道下穿高架桥桥面结构为8墩柱7跨连续梁、跨径为18m，为墩柱下独立基础，基础截面为2.4m×3.4m、4.6m×3.6m，埋深为2.5m，有3座基础位于暗挖隧道正上方，有1座基础与暗挖隧道水平距离1.32m，基础底距暗挖隧道顶垂直距离为12.3m。隧道下穿范围采用地面注浆及洞内补充注浆加固措施，注浆压力0.3MPa—0.5MPa、扩散半径不小于1m。施工过程加强隧道自身刚度、控制开挖步距、及时封闭结构、及时背后注浆、多次补充注浆。

2.数值模拟

2.1 模型建立

选取隧道穿越桥桩断面进行建模，考虑隧道施工影响范围运用迈达斯GTS NX建立48m×38m的模型，考虑到巨厚卵石层的存在，计算范围内土体按照杂填土层和卵石层选取，地层按照MüC屈服准则计算，结构材料按照弹性体计算，将桥桩桩基的作用以荷载形式加在模型上，模型如图1所示。

图1 数值模型示意图

2.2 施工方案

采用暗挖法进行施工，隧道断面为马蹄形，在开挖过程中利用洞内补充注浆进行加固，设计工况如表1所示：

表1 设计工况

2.3 结果评价

模型计算后的结果表明，隧道开挖后洞周呈现拱顶下沉、底部隆起和两边收敛的情况，地表出现沉降槽曲线，在这些关键位置布设测点，获得数据结果，分析扇形注浆范围大小、注浆扩散厚度和加强仰拱对隧道结构和土体变形的影响。

2.3.1 注浆范围

此次采用先施工做初衬再背后注浆的方案，通过数据分析发现，注浆扇形范围对隧道开挖后的底部隆起和两边收敛有一定改善作用，影响程度在0.1mm左右，相对来说可以不予考虑，本文重点分析其对洞周和地表竖向位移的影响。注浆之后，与注浆之前相比在拱顶下沉量和地表沉降值上均有一定增加，但变化量比较小，同时随着注浆范围的增大，两者均有增大的趋势，如图2、图3所示。同时监测到注浆前后洞周最大剪力出现在拱顶正中位置，并且最大剪力值有所减小，随着注浆范围增大，最大剪力值不断减小，因此，注浆改善了衬砌的受力情况，注浆范围的加大是有利的，但注浆过程中对土体有较大扰动，且注浆后并没有在注浆范围内立即形成应有的强度，这些导致了较小的附加变形。

图2 注浆范围对拱顶下沉量的影响

图3 注浆范围对地表最大沉降值的影响

2.3.2 注浆厚度

注浆扩散范围至少为1m，在增加注浆厚度后，对隧道洞周两边收敛和底部隆起的影响非常小，几乎可以忽略不计，而对拱顶下沉量和地表最大沉降值的影响较大。在注浆范围为120°时，注浆厚度加大，拱顶下沉量和地表最大沉降值均增加，如图4所示。增加浆液扩散范围显然对地层的扰动更大，在改变地层属性后并不能立即产生目标强度，增加了土体的竖向位移，但此后注浆改变了地层的应力分布，在拱顶中间位置出现的最大剪应力随着注浆厚度增加而减小，这对隧道结构显然是有利的。

图4 注浆厚度对地表最大沉降值和拱顶下沉量影响

2.3.3 加强仰拱

在之前的分析中，仰拱强度与初衬相同，此次大幅度提高仰拱的强度，极大地改变了结构和地层的应力分布，如图5所示。洞周应力集中处分别在顶部和底部中间，后底部应力最大值大幅度增加，顶部应力最大值略有减小，同时拱顶下沉量、底部隆起量和地表最大沉降值均有明显减小，对隧道两边收敛的影响几乎可以忽略。

图5 仰拱加强前（上）和加强后（下）洞周应力集中处最大值

3.稳定措施分析

3.1 注浆措施

在城市地铁隧道建设中，通常采用浅埋暗挖法和盾构法进行开挖，由于城市浅层覆土大多为回填土，承载能力难以达到要求，在施工时往往需要进行注浆预加固处理以及洞内补充注浆加固。下穿高架桥是隧道施工的重要风险源，桥桩对地层的作用不可忽视，在对注浆效果的评价中可以发现，注浆措施对隧道上部土体影响较大，在桥桩基作用下，注浆范围和注浆厚度的加大会导致施工措施对地层的扰动加剧，对拱顶下沉和地表沉降影响明显，在一定程度上加大了变形量，但是拱顶中间位置的剪应力呈减小趋势，证明注浆方法仍然是有利的。因此，在下穿高架情况采取注浆措施，要对注浆范围和厚度进行充分考虑，对浆液配合比、注浆压力和注浆量的控制要结合现场实际情况，通过对地表建（构）筑物、地表、土体深层变形的实时监控量测，确保土体扰动最小，并且可以及时产生一定承载能力。

3.2 加强仰拱

注浆预加固措施对改善地层和结构应力分布作用有限，仅仅对隧道上部土体能够起到一定的改良作用，并不会明显改变隧道结构整体的应力分布情况。通过施做仰拱或者对仰拱强度进行加强，可以直接改变隧道的受力。通过数值计算结果对比发现，加强仰拱后，地表最大沉降、拱顶下沉以及底部隆起均有明显减小，隧道结构应力分布改变明显，特别是底部即仰拱中间位置应力加大明显，可以认为仰拱承受了更多的来自隧道上部结构以及地层的作用，提高了结构整体的承载能力。增设仰拱或者加强仰拱在隧道建设中对于减弱高架桥桩基的作用具有良好效果。

3.3 对比分析

注浆措施作用范围在隧道上部土体内，并且注浆效果是在注浆完成一段时间后产生的，注浆范围越大、厚度越大，变形也就越大，可以看到在形成最终承载力之前隧道和地表变形仍在加大，但是最终在拱顶的剪应力却是减小的，这证明注浆对结构的有利性。而加强仰拱后，隧道底部中间位置应力明显加大，隧道结构整体变形以及土体整体位移都得到减小，可以看出，仰拱承受更多的结构与土体综合作用并提高了隧道整体的承载能力和围岩稳定性。相比较而言，加强仰拱对结构和土体受力变形的改善，作用范围更大且更有利，可以比注浆措施更及时地发挥作用。在受到高架桥桩基作用时，加强仰拱对提供隧道整体承载能力和围岩稳定性效果更好。

4.总结

研究发现：通过注浆措施，在一定程度上可以改变注浆范围内的应力分布，对围岩稳定有利，但注浆不可避免会扰动原有地层且不能立即产生应有强度，注浆范围越大厚度越大，特别是有桥桩桩基作用下，这种影响越明显，因此，要根据现场情况选择合适的注浆方式减小对地层的扰动，同时确定适当的浆液配比来保证能够产生目标效果。

设置加强仰拱，可以有效改善隧道受力情况，对减弱桥桩桩基作用的影响有较好效果。对于下穿高架情况下，可以通过增加仰拱强度来提高隧道整体承载能力，改善围岩稳定性。