隔离桩加固施工对邻近高铁桥梁沉降变形的影响分析

卢克晖

中铁十八局集团有限公司 天津 300222

在轨交交通修建过程中，不可避免会遇到多条线路相交的问题，新建铁路线路施工对既有铁路高架桥必然会产生一定的影响，为了确保既有铁路运行的安全性，必须对既有铁路高架桥桥墩和桥基进行加固[1-3]。

隔离加固手段是当前工程领域较为常用的一种施工手段，在大型基坑、桥梁基础、铁路隧道工程中的应用尤为普遍[4-7]。城市铁路很多时候采用高架桥的形式穿越通过，因此新建轨道交通线路必然会对高铁桥墩和基础的稳定性及变形产生影响，采用隔离桩对既有铁路桥梁及其基础进行加固施工，成为当前工程领域较为常用的方式之一。

李杰[8]对盾构下穿高铁桥群钻孔灌注桩隔离加固技术进行了探讨分析，认为当采用分批次对称成孔灌注时能有效减小施工对高铁桥群结构的影响；刘宝龙[9]通过数值分析法，研究了隔离桩施工对邻近铁路桥墩位移的影响，认为隔离桩浇筑施工会导致桥墩下沉，隔离桩加固后，水平位移较小；石舒[10]、林炳泉等[11]、唐黎斌等[12]则分别进行了隔离桩施工对桥梁桩基的影响，从不同角度阐述了隔离桩施工的可行性与必要性 。

本文在总结前人相关研究成果的基础上，首先对隔离桩施工对既有铁路高架桥桥墩和基础变形的影响进行了数值模拟和实测结果的对比分析，然后对隔离桩施工顺序对既有铁路高架桥桥墩和基础变形的影响进行了探讨，得到了对桥梁基础影响最小的施工工序。

1 工程概况

郑州至济南高速铁路山东段某隧道下穿京沪高铁高架桥，下穿段的地层从上到下依次为杂填土、黄土层、黏土层、粉质黏土层，穿越区地下水位埋深11.2～17.8 m，水位标高为24.2～30.2 m。为减小盾构施工对高架桥桥墩和基础的影响，保证京沪高铁的正常运营，决定采用隔离桩对桥桩基础进行加固。

隔离桩与104#桥墩的距离大于30 m，与105#桥墩的最小距离为7.9 m，京沪高铁高架桥连续梁的高度为6 m，隔离桩的桩长分别为30 m（10根）和36 m（42根），如图1所示。

图1 隔离桩与高架桥截面关系

2 数值模拟及现场监测

2.1 数值模拟概况

利用Midas GTS软件建立三维实体模型（图2）。由于穿越区土层大部分为黏性土，故计算分析时采用摩尔-库仑本构模型模拟土体与桩基的相互作用，采用弹性本构模型模拟桥梁桩基、承台、桥墩和隔离桩；使用三维实体单元进行填充封闭区域的模拟（如土层、承台、桥墩以及隔离钻孔桩），使用梁单元模拟桥梁桩基，使用节点耦合模拟设置接触单元。

图2 有限元三维实体模型

桩界面参数为：剪力0.000 18 kN/mm2、切向刚模0.000 2 kN/mm3、法向刚模0.02 kN/mm3、黏聚力100 kPa、摩擦角15°；桩端界面参数分别为：桩端承载力7 000 kN、桩端弹簧刚度250 kN/mm；土体容重2.1×10-8kN/mm3、初始孔隙比0.5、渗透系数0.01 mm/s。模型尺寸为：长80 m、宽50 m、深60 m。各土层物理力学参数及各结构参数见表1和表2。

表1 各土层物理力学参数

表2 各结构力学参数

2.2 现场监测概况

采用NET05全站仪、AMS自动变形监测软件、通信传输系统等构建自动监测系统，对隔离桩施工过程桥墩及基础的位移变形进行24 h监测。

观测点布置方式为：每个桥墩4个竖向位移观测点（墩顶和墩身各2个）、2个水平观测点，桥墩间梁低两端各布置一个渠底观测点，后视点远离施工区域，距观测墩约90 m（图3）。

图3 现场观测点布设

3 结果分析

3.1 沉降分析

对桥墩和桩基的沉降模拟值和实测值进行统计分析，得到两者的沉降对比曲线（图4）。

图4 沉降结果分析

从图4中可以对比看到：桥墩结构的沉降量从上往下依次递增，即桥墩＜上承台＜下承台＜桩基，桥墩的最大沉降值为1.35 mm，桩基的最大沉降值为1.68mm；靠近隔离桩施工区域的桥墩和桩基沉降值大于后排的沉降值，即JS5＞JH5＞JX5，JS5的最大沉降值为1.35 mm，JX的最大沉降值为1.17 mm；同一水平线上的沉降变形相差较大，同一竖直方向的沉降变形基本相同，表明桥墩在垂直方向发生了竖条状的细微变形；从模拟沉降结果与实测结果的对比可知，实测曲线和模拟曲线基本吻合，两者相差最大值仅为0.2 mm，可见本次模拟参数的选择还是比较合理的。

3.2 y方向位移分析

对桥墩及桩基y方向的水平位移值进行了实测和模拟统计（图5）。

图5 y方向水平位移结果分析

从x方向位移情况可以看出，桥墩y方向位移值从上到下依次减小，且偏向隔离桩方向，墩顶最大位移值为0.27 mm；桩基y方向的位移值从上往下呈先增大后减小变化特征，即呈“C”字形变化，位移最大值出现在隔离桩长度处。

这表明隔离桩施工对周围土体的影响随着钻孔深度的增加而增加，在孔底处对位移变形影响最大；桩基的y方向位移背离隔离桩方向，最大位移值为0.3 mm；模拟值与实测值基本吻合，变化趋势基本一致，最大相差值为0.23 mm；与沉降值表现一样，越靠近隔离桩施工区域的桥墩和桩基的y方向位移值越大。

3.3 x方向位移分析

对桥墩及桩基x方向的水平位移值进行了实测和模拟统计（图6）。

图6 x方向水平位移结果分析

从x方向位移情况可以看出，桥墩墩顶处的x方向位移最大，桩基的外侧位移值大于内侧位移值；JS5的最大位移为正值（0.26 mm），而JH5和JX5的最大位移为负值，分别为－0.20 mm和－0.25 mm；模拟值与实测值吻合度较高，最大相差值仅为0.07 mm，再次说明本文模拟参数选择的合理性、模拟结果的可靠性。

4 施工顺序对桥墩的影响

为了进一步对隔离桩施工对桥墩的影响进行评估，对不同隔离桩施工顺序（施一隔三、施一隔五、施一隔七以及施一隔五对称跳桩施工）条件下的沉降及位移变形进行了模拟分析（模拟参数仍采用第3节参数），结果如图7所示。

图7 不同施工顺序对桥墩沉降位移的影响

从图中可以对比看到：在不同的隔离桩施工顺序影响下，随着隔离桩施工间隔的增大，累积沉降值逐渐减小，采用施一隔五对称跳桩施工时，累积沉降值最小，平均累积沉降量仅为1.03 mm；在施一隔三施工顺序下，对桥墩y方向的位移值影响较大，此时位移值约为其他施工顺序的1.5～2.0倍；不同施工顺序对x方向的位移值影响不大；不同施工方式下，均为JS5桥墩的沉降位移最大，与上文分析结果一致。

综上认为：施一隔五对称跳桩施工对桥墩的影响最小且对已施工隔离桩的影响也最小，故推荐使用施一隔五对称跳桩施工顺序进行隔离桩施工。

5 结语

1）桥墩的沉降值从上往下依次递增，即桥墩＜上承台＜下承台＜桩基；越靠近隔离桩的桥墩和桩基，沉降值越大。

2）桥墩桩顶的水平位移值最大，桩基y方向位移值呈“C”字形变化，且内侧位移值小于外侧位移值。

3）施一隔五对称跳桩施工对桥墩的影响最小且对已施工隔离桩的影响也最小，建议在实际工程中使用；相关研究成果可为盾构施工穿越既有铁路桥梁桩基的加固施工提供借鉴。