顶管井施工对地铁桥墩影响的研究与分析

谷尚玲

(上海千年城市规划工程设计股份有限公司 201108)

引言

随着城市轨道交通(简称地铁)的快速发展及城市地下空间开发的进步，许多新建及修复(因地铁施工而损坏)管道工程的实施常常无法满足相关管理部门提出的地铁保护及避让要求。而地铁结构对地基变形的要求远较一般建(构)质情况及管道埋深，拟采用顶管施工。 本次模拟分析选取其中距离桥墩较近的W8、W10、W11 号顶管井，壁板外边缘与地铁墩台外边缘水平距离分别约为 4.6m、7.6m、7.4m，见图1。 地铁桥墩承台埋深1.4m，桥墩承台下基桩为端承摩擦桩，桩端持力层为中风化泥岩，见图2。筑物要高，如何在保证地铁安全的前提下实施拟建管道，成为近年遇到越来越多的难题。

1 工程概况

本工程位于南京市某城市主干路。 由于地铁施工，导致路面以及排水管线损坏严重，地铁施工完毕后，需对相关排水管线进行修建，结合地

图1 井的平面位置(单位：m)Fig.1 Location plan of the shafts(unit：m)

图2 土层分布剖面示意(单位：m)Fig.2 Presentation drawing of soil distribution(unit：m)

本工程施工过程中应加强对地铁结构的监测，并采取合理有效的工程措施将变形控制在允许的范围内[3]。 根据相关规范[2]及已有沉降，地铁管理部门要求的相关变形控制限值如表1 所示。

表1 地铁结构变形控制限值Tab.1 Limiting value of subway structural deformation

2 实施方案

2.1 止水帷幕方案

该场地地下水位仅为地表以下0.5m ～1m 之间，为尽量减小施工过程对地铁结构的影响，无法考虑降水方案，只能考虑止水帷幕隔水的思路。 常用的实施方案有压密注浆法、深层搅拌法、高压旋喷法、MJS 工法(全方位高压喷射法)。

MJS 工法作为止水帷幕施工工艺引起周边变形较小，能较好地满足地铁结构对变形控制的要求，尤其在距离地铁结构较近、位置紧张时有明显优势，当然成桩过程对环境的影响不容忽视，应结合相应的泥浆处理等环境保护措施。 综合本工程场地要求，地质情况及尽量减小施工影响范围要求，本工程最终采用MJS 工法作为止水帷幕方案，桩径 2m，咬合搭接700mm，桩长深度为井底以下7m，进入淤泥质粉质粘土夹粉砂层。

2.2 顶管井实施方案

(1)沉井法：顶管井外围先采用MJS 桩止水并加固土体，再进行沉井制作，井体结构分节浇筑，一次下沉。

(2)逆作法：井体外围先采用MJS 桩止水并内插型钢加强，然后井底采用高压旋喷桩满堂止水加固，最后按逆作井坑内作业次序分层开挖、浇筑，见图3。

图3 顶管井逆作法示意Fig.3 Presentation drawing of the shafts by top-down instruction

3 数值分析

3.1 模型建立

本工程采用MIDAS/GTS NX[4]建模计算，管道工程侧穿区间高架桥模型尺寸为280m(长) ×168m(宽) ×70m(高)。 W8 工作井平面尺寸[1]为7.2m ×4.7m，W10 接收井平面尺寸[1]为 5.0m ×4.8m，W11 工作井平面尺寸[1]为 7.0m × 7.0m。W8、W10、W11 井体埋深分别为 7.81m、8.40m、8.28m。 逆作法井室结构施工分三段，每段约 2m ～ 3m，见图3。 承台高为 2m，埋深1.4m，桥墩平均高度为13m； 桩长范围为48.5m～56.5m。

施工过程模拟：初始地应力平衡→高架桥构筑物激活→位移清零→加固区土体属性改变→位移清零→工作井、接收井逆作法(沉井)开挖。

由于MJS 施工时，会根据土体实时反馈的情况进行参数调整，其对扰动土体情况较难模拟，故本文对MJS 施工过程变形情况不进行数值模拟，改变加固区土体属性(将原土改变为MJS 工法处理后的加固土)后进行位移清零。

逆作法开挖施工为：抑制每段井体位置土体——激活每段井体结构——应力释放。

沉井法开挖施工为：抑制每段井体位置土体——施加荷载(摩擦力)、激活每段井体结构——应力释放。

单元节点信息：为了更准确地模拟既有建(构)筑物的力学特性，对重点关注的桩基础、顶管、承台部分以及周围土体网格进行了细化处理，而对远离所关心的区域采用较大尺寸的网格，单元划分采用自动混合六面体，最小单元尺寸0.3m，最大尺寸4m。

荷载及边界条件：整个模型添加自重荷载，水平方向约束侧向土体的X、Y向位移，竖直方向约束底部土体Z向位移，另外还需添加桩基绕Z轴方向的转动约束。 模型中施加静水压力，不考虑流砂、涌水等情况。

3.2 模型计算结果

两种井体施工方法(不包括止水帷幕、支护结构以及顶管的施工)对地铁桥墩的位移影响分别如下：

(1)沉井法施工对地铁桥墩的影响如图4 所示，桥墩最大沉降是2.8mm；

(2)逆作法施工对地铁桥墩的影响如图5 所示，桥墩最大沉降为1.46m。

图4 沉井法施工引起高架桥桥墩沉降分布(单位：m)Fig.4 Settlement pattern of the viaduct piers caused by sinking instruction(unit：m)

图5 逆作法施工完成后高架桥桥墩沉降分布(单位：m)Fig.5 Settlement pattern of the viaduct piers caused by top-down instruction(unit：m)

对比两种井体施工方法的计算结果，沉井法施工引起地铁桥墩的沉降大于逆作法施工引起地铁桥墩的沉降。 引起此结果的主要因素如下：(1)沉井施工时由于止水帷幕距离井壁有一段距离，不仅造成沉井施工过程中支护结构位移的增压，与逆作法相比止水帷幕距离地铁桥墩也更近。 (2)在沉井下沉过程中，井壁与土体之间产生的摩擦力易引起周边土体变形，当然本工程采用 MJS加固周边土体可大大削弱此影响，但仍较逆作法方案大。(3)在同样的管道埋深条件下，沉井结构的刃脚更深，扰动更大。 (4)施工过程的组织和控制也是不可忽视的因素。

结合上文模型计算分析结果，本工程采用对周边变形控制效果更优的逆作法方案。

4 实际监测结果

根据监测单位提供的本区段监测数据，W8井周围桥墩沉降最大的监测点为C3，W10、W11井周围桥墩沉降最大的监测点为C2、C1，均为近顶管井的观测点。 逆作法井体施工的累计沉降见表2，表中负值“ -”为沉降，正值“ +”为隆起。

表2 各监测点变形数据统计Tab.2 Settlement data statistics acorrding the relevant monitoring points

根据监测结果，MJS 桩体施工引起的变形占顶管井施工引起的全部变形量比重相比井体施工较小，桩体引起的隆起或沉降变形绝对值也比地铁控制标准小的多。 但MJS 桩体受施工过程各方面参数影响很大，建议施工时严格控制各项参数。

逆作法井体施工(不包括止水帷幕施工)引起的墩台实际位移与有限元计算结果对比见表3。

表3 有限元计算与实际施工监测结果对比Tab.3 Data of the finite element calculation and actual monitoring

根据本区段监测数据，逆作法井体施工(不包括止水帷幕施工) 引起的桥墩最大沉降为2.00mm，大于有限元计算的结果。 主要原因分析如下：(1)有限元软件无法真实地模拟围岩的状态、岩土非线性的特点以及地基的应力状态等，且实际施工操作过程影响沉降的因素较多，所以实际监测结果与有限元计算结果存在误差；(2)因本次变形绝对值较小，现场观测精度误差也易影响最终结果。

5 结论

本地铁沿线顶管工程，顶管井采用逆作法施工，止水帷幕采用MJS 桩，MJS 桩内插入型钢作为支护。 根据实施过程的监测结果，对地铁桥墩的最终影响变形量均满足相关规范及地铁部门要求。 结合本工程实践，提出以下几点总结，为相关设计及施工方案提供借鉴。

1.逆作法井在控制周边变形方面相对沉井施工更有优势。

2.采用MJS 工法制作逆作井时，井体施工引起的地铁桥墩位移占比较大。