盾构隧道近距离侧穿桥桩沉降分析

汪 波，万忠豪，王运周

(1.中铁隧道集团三处有限公司,广东 深圳 518052； 2.南昌大学工程建设学院,江西 南昌 330031)

0 引言

盾构法在城市地铁隧道施工中经常遇到下穿或侧穿桥梁,为确保邻近桥梁使用安全和地铁工程施工安全,需要研究地层开挖对邻近桥梁基础的影响程度,并采取相应的保护措施[1-3]。郭一斌等[4]对盾构近距离侧穿超长桩基础研究并进行数值模拟,研究深度对盾构掘进下桩承载内力以及变形的影响;王国富、冯国辉等[5-10]分别研究了盾构隧道在一定条件下穿越桥桩风险控制值的确定及探讨相关控制方法;陈江等[11]以长沙地铁举例,研究盾构侧穿附近桥桩施工对周围建筑物的影响,通过计算以及实测表明,对桩基进行径向旋喷隔离加固能有效控制地表沉降,桩基处的地层水平位移明显减小;袁海平等[12]以合肥地铁1号线为例,对盾构近距离侧穿高架桥桩的施工力学进行了研究,分析研究了盾构掘进在不同工况的处境下桥桩受力、变形以及地层沉降的规律,证实了桩实体结构单元弯矩、剪力计算方法的可行性。

以上成果探讨了在一般地层情况下,盾构掘进对既有桥桩变形的理论分析、采取的加固施工措施和地面沉降变形规律等,但对于复杂条件下双线盾构隧道先后侧穿引起的桥桩和地面沉降变形影响,并结合现场监测数据进行验证等方面的研究较少。

南昌地铁轨道交通4号线坛子口站—丁公路南站区间隧道近距离侧穿坛子口立交桥桥桩,该区段所处地层为富水圆砾、中风化泥质粉砂岩地层,如何控制桥桩沉降,保证立交桥变形在规范要求之内,确保立交桥安全至关重要[13-14]。

1 工程概况

南昌市轨道交通4号线一期工程土建施工02合同段五工区段坛子口站—丁公路南站区间位于南昌市老城区西湖区内,区间基本呈南—北走向,线路左线长度756.8 m(短链34.066 m),右线790.8 m,盾构侧穿坛子口立交桥。

坛子口立交桥采用连续梁结构,桩基础,钻孔灌注桩,桩径为1.5 m,桩长28.0 m左右,桩底标高-4.486 m～-1.814 m,持力层进入中风化岩层1.0 m。左线隧道侧穿桥桩基础,距隧道外边缘的最小水平距离分别为2.3 m和7.8 m;右线隧道侧穿桥桩基础,距隧道外边缘的最小水平距离分别为1.6 m和8.9 m;盾构区间隧道拱顶埋深21.2 m～27.6 m,隧道开挖直径6 m,管片外径5.4 m、厚度0.3 m,注浆层厚度0.15 m,每片管片长1.2 m。立交桥实景图如图1所示,桥桩基础与隧道位置关系见图2。

区间地层主要为:杂填土、素填土、粉质黏土、细砂、中砂、粗砂、砾砂、圆砾、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩,隧道穿过该区段土层主要为圆砾、中风化泥质粉砂岩。本区间沿线按地下水类型可分为上层滞水、土层孔隙潜水、基岩裂隙承压水三种类型。上层滞水赋存于人工填土、粉质黏土、淤泥质土之中,无上覆隔水层,下部粉质黏土层、淤泥质土层为其隔水底板,深度1.0 m～3.0 m。第四系含水地层主要以细砂、中砂、粗砂、砾砂为主。基岩裂隙承压水主要赋存于强、中风化带中。地下水位平均位于地下6 m处。

2 盾构施工数值模拟

2.1 三维建模

为分析盾构施工对桥桩基础影响,采用plaxis3D三维有限元计算软件进行分析。一般隧道开挖影响范围为隧道中心3倍～5倍开挖宽度,为消除边界效应并满足较高的精度要求,沿隧道轴向取36 m且垂直隧道轴向方向取隧道轴向之外5倍洞径,即88 m,厚度方向取桩端之下18 m,即x×y×z=88 m×36 m×46 m。三维有限元模型如图3所示。

2.2 计算参数选取

计算中岩土层采用弹塑性D-P模型,盾构管片、桥桩均采用弹性模型,模拟中岩土层采用实体单元,管片、桩均采用梁板单元。土层及相关结构材料参数见表1。

表1 材料参数

其中管片采用C50P12钢筋混凝土,桥桩用C30混凝土,计算中考虑施工前已存在的荷载作用,桥梁上部结构按最不利荷载组合,换算成均布荷载100 kPa作用于桩上。

模拟过程中需要对掌子面施加一定的法向应力来模拟支护压力,盾构掘进参数土压力的设定是根据区间工程岩土工程勘察报告提供的地质情况及隧道埋深等情况,进行理论计算切口平衡压力,采取如下公式计算支护压力:

正面平衡土压力公式:

p=k0×γ×h

(1)

其中，p为平衡压力;γ为土体的平均重度;h为隧道埋深;k0为土的侧向静止平衡压力系数。

取γ=20 kN/m3,h=21.1 m,k0=0.38;代入式(1)得到p=160 kPa,故初步确定土压力范围为150 kPa～180 kPa。

故模拟过程中对掌子面施加0.18 MPa的法向应力来模拟支护压力;每次开挖进尺为一环宽1.2 m,模型中每条隧道取36 m长度进行模拟,共30环。

模拟工况为:1)先开挖右线隧道,后开挖左线隧道;2)先开挖左线隧道,后开挖右线隧道;3)左右线同时盾构,共三种情况。

分析过程中考虑离隧道只有1.6 m的2号桩为高风险对象。

2.3 计算结果分析

2.3.1 先开挖右线隧道,后开挖左线隧道

图4为工况1下沉降变形云图,其中图4(a)、图4(b)分别为右线、双线贯通后沉降云图。

可以看出,右线贯通后,最大沉降发生在隧道顶位置,为2.76 mm,地表沉降最大发生在隧道垂直方向中心,沉降在垂直洞轴线方向影响范围宽度大概40 m;双线贯通后,地表最大沉降为1.21 mm,沉降在垂直洞轴线方向影响范围宽度大概为58 m,影响范围增大。

图5为桥桩最大沉降与盾构面距桥桩距离关系曲线,桥桩基础与隧道平面位置关系见图6。

由图5可知,随着盾构开挖面距离桥桩距离越近,对桥桩影响越大;当盾构开挖面距离桥桩5 m时,盾构对桥桩沉降影响最大;开挖面出桥桩5 m后,桥桩沉降速率减小,沉降逐渐趋于稳定。右线隧道贯通在施工左侧隧道,左侧隧道施工对2号桩沉降影响较小,沉降较为缓慢。右线隧道贯通时桥桩最大沉降为0.88 mm,当双线隧道贯通时,由于地层受到两次开挖扰动的叠加作用,桥桩最大沉降由0.88 mm 增长至1.25 mm,右线隧道贯通时桥桩最大沉降占桥桩最大累计沉降量的70%。根据设计要求,桥桩最大沉降控制值为-10 mm～10 mm,桥桩最大沉降量未超过控制值。

图6为地表最大沉降与开挖面距桥桩距离关系曲线,同理对于地表沉降,在隧道盾构过程中土体沉降速率整体较为稳定,右线贯通时地表最大沉降为0.64 mm,占地表最大累计沉降量的53%,当双线贯通时对地表沉降所造成的最大沉降增加至1.21 mm(见图7),根据要求,地表沉降最大控制值为-30 mm～10 mm,同样未超过控制值。因此整个施工期间不影响行车安全。

2.3.2 先开挖左线隧道,后开挖右线隧道

图8为工况2下沉降变形云图,其中图8(a)、图8(b)分别为左线、双线贯通后沉降云图。

可以看出,左线贯通后,最大沉降发生在隧道顶位置,为2.77 mm,地表沉降最大发生在隧道垂直方向中心,沉降在垂直洞轴线方向影响范围宽度大概40 m;双线贯通后,地表最大沉降为1.22 mm,沉降在垂直洞轴线方向影响范围宽度大概为58 m。沉降影响范围与工况1一致。

图9为桥桩最大沉降与盾构开挖面距桥桩距离关系曲线,同样考虑离隧道只有1.6 m的2号桩。

由图9可知,由于是先开挖距离2号桥桩较远的左线,左线开挖对桩沉降影响较小,桥桩最大沉降为0.39 mm;当盾构右线隧道时,开挖面距离桥桩5 m时,盾构对桥桩沉降影响最大;开挖面出桥桩5 m后,桥桩沉降速率减小,沉降逐渐趋于稳定。双线贯通后桥桩最大沉降由0.39 mm 增长至1.28 mm。双线贯通后桥桩总体沉降较工况1增加了2.4%,相差较小。

图10为地表最大沉降与开挖面距桥桩距离关系曲线,与前者类似,左线贯通时地表最大沉降为0.65 mm,占地表最大累计沉降量的53%,当双线贯通时对地表沉降所造成的最大沉降增加至1.22 mm,较工况1增加了0.8%,两者相差很小。

由于两种开挖顺序对桥桩及地表产生的沉降几乎相同,因此在实际施工中无论是先开挖左线还是右线均可行。图11为盾构对2号桩产生的附加弯矩图，桥桩所受最大附加弯矩值为6.5 N·m，对桥桩的影响很小。

2.3.3 同时盾构侧穿

图12为工况3下沉降变形云图。

可以看出,同时贯通后,最大沉降发生在隧道顶位置,为4.5 mm,地表沉降最大发生在隧道垂直方向中心,地表最大沉降为1.56 mm,与前两种工况相比,隧道顶及地表沉降均增大。

双线同时盾构下,盾构隧道侧穿期间2号桥桩最大沉降与开挖面距桥桩距离关系曲线如图13所示。

由图13可知,与前后顺序侧穿类似,随着盾构开挖面距离桥桩距离越近,对桥桩影响越大;当盾构开挖面距离桥桩5 m时,盾构对桥桩沉降影响最大;开挖面出桥桩5 m后,桥桩沉降速率减小,沉降逐渐趋于稳定。双线隧道同时贯通时,桥桩最大沉降1.81 mm,较之工况1，2增加了约45%,在图14中,当双线贯通时对地表沉降所造成的最大沉降为1.56 mm,较之工况1，2增加了约29%。

同理,在同时侧穿的模拟过程中,桥桩所受到的附加弯矩见图15。由于同时侧穿一定程度上形成了平衡,桥桩所受附加弯矩最大值仅为0.12 N·m,桥桩所受附加弯矩影响可忽略。

双线同时盾构对桩、地表沉降均比方案一、二大,但满足设计允许值要求。

2.4 实际监测结果对比

实际盾构施工采用先盾构右线再盾构左线,盾构过程对地表布置了6个沉降监测点,对1号、2号及3号桥桩各布置了2个监测点,监测点分布如图16所示。

表2为地表最大沉降监测值,表3为桥桩最大沉降监测值。可知实际监测地表累计沉降为1.03 mm～3.77 mm,与数值模拟得出的地表最大沉降1.21 mm相比,两者差距不大。而实际监测2号桥桩累计沉降平均值1.35 mm,与数值模拟得出的2号桥桩最大沉降1.25 mm,两者接近。说明数值模拟方法合理正确,数值模拟预测盾构下穿立交桥桩的影响是可行的。

表2 地表沉降监测数据表

表3 坛子口立交桥桩沉降监测数据表

3 盾构沉降控制措施

1)盾构时在符合同步注浆技术与土压力的同时通过控制推进速度减小对土体的扰动,本工程实际采用盾构侧穿坛子口立交桥的正常推进速度控制在3 cm/min～4 cm/min之间,保持匀速推进。

2)注浆可以有效地对施工影响范围内土体进行加固,注浆压力控制在0.2 MPa～0.35 MPa。为保证同步注浆质量,控制地表沉降,要求同步注浆量足够。地表如果出现过大沉陷时,可通过二次注浆进行抬升和补强。

3)根据掌子面地层情况应及时调整掘进参数,调整掘进方向时应设置警戒值,达到警戒值时就应该实行纠偏程序。

4)提升监控力度,施工中加强对周围道路、管线和临近建筑物的监测,并及时反馈信息,据此调整和优化施工技术参数,做到信息化施工。

5)加强盾构设备的保养与维修,避免盾构发生故障。

6)正确进行管片拼装点位,确保拼装质量与精度,以使管片端面尽可能与计划的掘进方向垂直。

4 结语

1)实际盾构过程先开挖右线再开挖左线,侧穿坛子口立交桥之后,桥桩最大沉降为1.78 mm,地面最大沉降量为3.77 mm,数值计算所得的桥桩最大沉降1.25 mm及地面沉降量1.21 mm与监测结果较为吻合,均在设计允许范围。

2)左右线先后施工得到的桥桩及地表沉降值接近,双线同时盾构桥桩最大沉降为1.81 mm,较工况1，2增加了45%,地表沉降1.56 mm,较之增加了29%;隧道施工先后顺序对桥桩及地表沉降影响均较小,但双线同时盾构引起桥桩及地表沉降略大。

3)盾构过程进行双液浆注浆加固,控制盾构施工参数对桥桩沉降起到了很好的控制效果。