地铁高架桥桩基施工对邻近构筑物的影响及控制

徐毅夫 刘维正 谭博 王锋 肖洪波 刘博

1.中建五局土木工程有限公司， 长沙 410116； 2.中南大学 土木工程学院， 长沙 410075

地铁线路日益网络化，规模不断扩大。由于城市建设中建筑用地有限，在既有构筑物附近进行高架桥桩基施工的情况愈发常见，桩基近接施工距离越来越近，对邻近构筑物的影响越来越突出。因此，预测桩基础施工对邻近构筑物的影响，研究控制既有构筑物变形的工程措施具有重要意义。

桥梁桩基与邻近建（构）筑物的相互影响可分为两类：一类是新建建（构）筑物对桥梁桩基的影响，另一类是新建桥梁桩基对既有建（构）筑物的影响。

第一类问题出现较早，研究也较多。文献［1］分析盾构隧道施工对桩基变形和承载力的影响，提出采用全方位高压旋喷注浆工法加固桩基。文献［2-3］结合数值模拟与现场监测对盾构隧道下穿桥涵引起的地表变形、控制标准及施工对策进行了全面研究。文献［4］提出下穿桩群前试挖、超前小导管预加固地层、制定应急措施、超前地质预报四项隧道下穿施工变形控制方法。文献［5-6］通过数值模拟研究隧道穿越群桩基础的桩基托换技术，探讨桥梁结构荷载传递机制。

对第二类问题也有一些研究。文献［7］结合现场监测与数值模拟，分析基坑开挖对周围土体、地上建筑和支护结构受力和变形的影响。文献［8］依据桩基与既有隧道的距离，对桥桩施工影响分区进行了划分。文献［9］采用数值分析的方法研究了隧道埋深、水平净距、桩基半径等因素对桩基近接施工的影响。文献［10］模拟了桩基施工全过程，分析了桩基近接对既有隧道位移和应力的影响。文献［11］针对钻孔灌注桩施工对隧道结构及位移的影响，提出了隔离保护措施。文献［12］对桩基荷载效应和隧道纵向变形进行研究，总结了隧道纵向变形的影响因素。

本文以新建长沙地铁1号线北延线上跨铁路框架桥和芙蓉北路空心板桥的桥台为工程背景，通过数值模拟和现场实测，分析不同钻孔顺序和加固措施下桩基施工对既有框架桥和桥台的影响，总结受力和变形规律，并提出相应的加固保护措施。

1 工程概况

长沙地铁1 号线北延线青冯区间（青竹湖路站—冯蔡路站）采用高架桥形式沿芙蓉北路中央敷设。该路段芙蓉北路穿越既有绕城高速公路、石长铁路西北联络线和正线，形成立交体系。地铁区间高架桥采用（55 + 85 + 49）m连续梁上跨既有公铁立交，B19#承台尺寸为6.7 m × 10.5 m × 3.0 m，下设6 根直径1.8 m 钻孔灌注桩，桩长68.0 m，桩心距3.8 m。

邻近的既有构筑物由北往南分别为：芙蓉北路空心板桥的桥台、西北联络线框架桥（跨度8.0 m）、正线框架桥（跨度15.5 m）。新建B19#桥墩承台边缘一侧距桥台最小距离约0.94 m，另一侧距西北联络线框架桥最小距离为1.53 m，见图1。其中：E1—E6 为既有桥台的桩基。

图1 B19#桥墩桩基与邻近构筑物位置关系

西北联络线框架桥的边墙及顶板厚均为0.7 m，底板厚1.0 m，顶部覆土厚约0.5 m。正线框架桥边墙厚0.9 m，顶板厚0.7 m，底板厚1.0 m。西北联络线框架桥和正线框架桥净距为1.18 m。

2 数值模拟

2.1 模型建立与参数选取

使用MIDAS/GTS 建立计算模型（图2），新建B19#桥墩桩基采用钻孔灌注桩，承台现浇施工，桩基施工段自上而下主要穿越素填土、残积砂质黏土和全风化花岗岩。

图2 计算模型

既有桩基采用线弹性模型模拟，新建桩基采用实体单元模拟。既有桩基和新建桩基均采用C35 混凝土。桩土接触单元采用无厚度的Goodman 单元模拟。新建B19#桥墩和承台均采用C40 混凝土，框架桥采用C30混凝土。计算参数见表1。

表1 计算参数

2.2 工况设计（见表2）

表2 不同工况的钻孔顺序和加固情况

2.3 测线和测点布置

紧靠桩基平行于桥台布置地表沉降测线A-A'，在西北联络线框架桥靠桩基侧布置框架桥纵向沉降测线B-B'，见图1。另外，在桥台上布置纵向沉降测线，在既有桩基上布置水平位移和弯矩测点。

2.4 模型验证

采用所建模型对文献［13］中的类似工程地质条件隧道水平位移进行计算。隧道水平位移模拟计算值与文献［13］实测值对比见图3。

图3 隧道水平位移模拟计算值与文献［13］实测值对比

由图3可知，模拟计算值与实测值基本吻合，说明所建模型和参数选取合理。

3 计算结果分析

3.1 地层沉降

从工况2 整体沉降图中提取z向断面，见图4。可知，地层沉降大致呈U 形分布，向上延伸至地表。沉降大小与距桩基距离成反比。桩基附近地层沉降较大，地层最大沉降出现于桩基处，其值为23.8 mm。

图4 工况2 z向断面沉降

不同工况测线A-A'地表沉降曲线对比见图5。可知，不同工况地表沉降均呈凹槽形，工况1、工况2、工况3 施工对土体的扰动程度依次减弱，最大沉降分别为24.2、23.8、21.7 mm，工况4最大沉降13.2 mm。与未采取注浆加固措施的工况1、工况2、工况3 相比，工况4 地表最大沉降分别减少45.4%、44.5%、39.2%。这说明跳桩法施工与注浆加固可有效减少地表沉降。

图5 不同工况下地表沉降曲线

3.2 既有桥台变形

不同工况下桥台沉降曲线见图6。可知：①不同工况均是桥台中心（桩基施工处）沉降较大，两侧沉降较小，工况1—工况4桩基施工处与桥台两端最大差异沉降分别为7.2、6.9、6.3、3.5 mm。与工况3 相比，工况4 桩基施工处与桥台两端的最大差异沉降减少了44.4%。②工况1—工况4 桥台最大沉降分别为12.26、11.30、10.12、5.21 mm。与工况3 相比，工况4桥台最大沉降减少了48.5%。

图6 不同工况桥台纵向沉降曲线

3.3 既有桩基水平位移和受力

不同工况下既有桩基水平位移变化曲线见图7。以桥台中心为0 点，横坐标负值表示远离新建桩基方向。可知，不同工况桩基水平位移均集中于桥桩上部10 m，最大水平位移出现在桩顶，远离新建桩基方向。既有桩基E3、E4 水平位移较大，最大达到6.42 mm。这是由于E3、E4 距新建桥墩桩基更近，受桩基施工影响大。加固后（工况4），既有桩基E3 水平位移最大值从工况3 的5.25 mm 降至3.59 mm，降幅31.6%。工况3 水平位移小于工况1 和工况2，说明跳桩钻孔对既有桩基的影响小于排式钻孔和连续钻孔。

图7 不同工况下既有桩基水平位移变化曲线

不同工况下既有桩基弯矩变化曲线见图8。其中：弯矩为正表示受拉，为负表示受压。

图8 不同工况下既有桩基弯矩变化曲线

由图8 可知：①6 根既有桩基弯矩分布规律相似，随埋深增大，均由正值转变为负值。E3 弯矩最大，其值为535 kN·m，出现在埋深14 m 处。②工况3 中E3 最大弯矩略小于工况1和工况2。与工况3最大弯矩（492.4 kN·m）相比，工况4 最大弯矩（359.5 kN·m）减少了27.0%，说明注浆加固能明显减小既有桩基的弯矩。

3.4 框架桥的应力和变形

不同工况下测线B-B'西北联络线框架桥纵向沉降曲线见图9。可知：框架桥中部沉降较大，两端沉降较小。工况1—工况4 框架桥中部和两端最大差异沉降分别为5.0、4.9、4.7、3.2 mm。与工况3 相比，工况4 最大差异沉降减少了31.9%。工况1—工况4最大沉降分别为11.03、10.12、8.65、4.61 mm。与工况3相比，工况4最大沉降减少了46.7%。

图9 不同工况下西北联络线框架桥纵向沉降曲线

工况2西北联络线框架桥和正线框架桥最大主应力分布见图10。其中：受拉为正，受压为负。可以看出，最大拉应力（3.54 MPa）出现于正线框架桥顶面，最大压应力（1.35 MPa）位于西北联络线框架桥的底面。

图10 工况2框架桥最大主应力分布

对于C30 钢筋混凝土，需考虑混凝土的拉应力及压应力。GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》规定混凝土拉、压应力设计值分别为1.43、14.3 MPa。

不同工况下框架桥最大主应力见表3。

表3 不同工况下框架桥最大主应力

由表3可知：不采取加固措施的三种工况，最大拉应力均超过规范规定的设计值。与工况3 相比，采取注浆加固措施的工况4 最大拉应力减少64.4%，满足规范要求，说明注浆加固效果显著。

4 变形控制措施和实施效果

4.1 变形控制措施

根据以上分析，实际施工时采取跳桩钻孔和三项控制措施：①袖阀管注浆加固；②桩基反循环钻进成孔；③实时监测和反馈。

1）袖阀管注浆加固

桩基施工前对桩基周边土体注浆加固。注浆时注意控制注浆压力，并对铁路框架桥和公路桥进行监测，如发现异常立即停止施工。

设置A、B、C 三种注浆孔，注浆范围为桩基边缘以外不小于2.5 倍桩径，A、B、C 三种注浆孔深度分别为18、8、18 m。袖阀管注浆采用DN50 型厚4 mm 的PVC（Polyvinyl Chloride）管，上设溢浆孔，溢浆孔环向间距30 cm，开孔数不小于4 孔。注浆孔呈梅花形布置，间距（排距×孔距）为1.0 m × 1.0 m。注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆。

2）桩基反循环钻进成孔

桩长68 m，为避免塌孔桩基施工采用反循环钻进成孔，长钢护筒跟进至砂质黏土层。

主要施工步骤：

①清除杂物，设置泥浆沉淀池，用黏土、纯碱添加剂等制作优质泥浆。

②测量放线，埋设护筒。护筒采用厚10 mm 的Q235A 钢板卷制而成，护筒内径比钻孔桩的桩径大20 cm。

③钻机就位及钻孔。利用钻机旋转造浆，造浆量为桩用混凝土体积的2倍。

④反循环清孔，注意保持孔内水头，防止坍孔。

⑤钢筋笼制作和吊装、灌注水下混凝土等。

⑥泥浆补充。钻进过程中若有泥浆损耗，应予以补充。

3）实时监测

结合工程现场条件，采用徕卡自动全站仪实时监测。根据TB 10314—2021《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》中的规定，框架桥竖向位移预警值为±4.8 mm，控制值为±8.0 mm；桥台水平位移预警值为±4.2 mm，控制值为±7 mm。

顺铁路方向在两个框架桥内部每5 m 布置1 个监测断面，共布置7 个断面。西北联络线框架桥每个断面布置框架桥变形监测点4 个、轨道变形监测点1 个，正线框架桥每个断面布置框架桥变形监测点4 个、轨道变形监测点2个，见图11。

图11 监测方案

4.2 实施效果

2023年4月13 日至5月18日新建B19#桥墩的桩基施工。为分析新建19#桥墩桩基施工对框架桥和芙蓉北路空心板桥桥台位移的影响规律，取西北联络线框架桥断面1、断面4的8个位移监测点（XB1-1—XB1-4、XB4-1—XB4-4）和桥台位移监测点（QT-1—QT-7）进行分析。框架桥和桥台位移时程曲线见图12。其中：水平位移为负表示背离新建桩基方向，为正表示朝向新建桩基方向。

图12 框架桥和桥台位移时程曲线

由图12可知：①桩基施工前框架桥和桥台位移较小，开始施工时位移逐渐增大。框架桥首先隆起，随着桩基施工逐渐沉降。最大沉降出现在测点XB1-3处，其值为-3.59 mm。框架桥竖向位移在-3.59 ～1.18 mm变化，小于预警值，满足变形控制要求。②桥台水平位移最大值为-1.97 mm，出现在测点QT-2 处，桥台水平位移在-1.97 ～ 1.52 mm，小于预警值，满足变形控制要求。对于XB1-3 和QT-2 水平位移较大的测点需加强监测，以便及时调整施工方案。

5 结论

本文以新建长沙地铁1号线北延线上跨铁路框架桥和芙蓉北路空心板桥的桥台为工程背景，通过模拟分析得到以下结论：

1） 桩基施工时，地层沉降、框架桥和桥台最大沉降均出现于桩基施工处，地层沉降大致呈U 形，向上延伸至地表，沉降大小与距桩基距离成反比。未加固时框架桥和桥台位移均超出限值。

2） 三种钻孔顺序中跳桩钻孔对沉降变形的控制效果最好。跳桩钻孔，比加固前相比，注浆加固后框架桥和桥台的最大沉降分别减少了46.7%和48.5%，框架桥中部和两端最大差异沉降减少了31.9%，桩基施工处和桥台两端最大差异沉降减少了44.4%。西北联络线框架桥最大拉应力减少64.4%，框架桥和桥台的安全性得到较大提高。

3） 桩基施工时采取袖阀管注浆加固、桩基反循环钻进成孔和实时监测三种变形控制措施。经监测，框架桥竖向位移在-3.59 ～ 1.18 mm，桥台水平位移在-1.97 ～ 1.52 mm，均小于预警值，满足变形控制要求。