砂卵石地层盾构侧穿高架桥桩基的施工控制技术*

王建伟

(1.中铁十四局集团隧道工程有限公司, 250013, 济南； 2.中铁十四局集团有限公司， 250014, 济南 ∥正高级工程师)

地铁建设不可避免地近接或穿越既有的桩基、管线和隧道[1-3]，盾构下穿高架桥时会引发土体松动，导致土体初始平衡应力重新分布，因此难免会对桥梁桩基产生影响，而最主要的影响体现在承载力层面上。文献[4]认为盾构下穿施工对桩基承载力的影响主要是由于水平位移及竖向位移增大等问题导致的。文献[5]提出了一种桩基承载能力损失的计算方法，分析了桩基承载力损失的影响因素，主要包括土层力学性质、盾构施工控制水平、桩基初始荷载水平、桩底与盾构隧道顶部距离等。

本文以成都地铁5号线科园站—高升桥站区间盾构侧穿二环路高架桥为工程背景，提出与该工程相适应的4种加固保护技术。通过数值模拟探讨了不同保护措施对变形的控制效果，并结合现场情况验证了加固保护技术在双洞近距离侧穿桩基工程中的适应性。

1 工程概况

该工程的盾构隧道在Y(Z)DK26+700.000～750.000处侧穿二环高架桥328#桩基及两侧副桥桩基。高架桥主桥桩基的直径为1.5 m，桩长25 m；副桥桩基的直径为1.2 m，桩长18.5 m。隧道外轮廓与桩基间的最小净距约为1.139 m。区间隧道与建筑物的相对关系如图1所示。

a) 隧道与主桥的桩基关系

b) 隧道与副桥的桩基关系

该场地在施工前为市政道路，交通繁忙。地层主要为第四系全新统人工填土层和第四系全新统冲洪积层的粉质黏土、黏质粉土、细砂及卵石层。盾构施工参数和土层物理力学参数分别如表1～2所示。

表1 盾构施工参数

表2 土层物理力学参数

2 盾构侧穿高架桩基加固模拟分析

2.1 建立计算模型

为了保证既有构筑物的安全及区间隧道的顺利施工，拟采取以下保护措施：对距离隧道水平间距3 m以内的桩基进行钢管隔离桩施工；对施工影响范围内桩基进行袖阀管预注浆加固。基于圣维南原理，充分考虑边界效应的影响，采用计算软件建立的三维模型如图2所示。模型主体包括既有二环高架桥面、桥墩、承台和桩基础，以及科园站—高升桥站盾构区间。具体的计算范围在x方向为144.2 m，在y方向为80.0 m，在z方向为60.0 m。

图2 数值模拟模型

模型计算中，地面建筑物及盾构衬砌采用线弹性模型，地层土体采用摩尔-库伦本构模型。根据科园站—高升桥站区间在详细勘察阶段的岩土工程勘察设计参数建议值，模型除了采用表2的参数外，还选取了结构体系物理力学参数,如表3所示。

表3 结构体系物理力学参数

2.2 盾构侧穿高架桥桩基的模拟结果分析

为控制既有桥梁桩基的安全性，该工程采用了钢管隔离桩、袖阀管注浆加固和洞内注浆加固等施工技术。本文选取无任何加固措施、洞内注浆加固、钢管隔离桩加固、袖阀管注浆加固、综合加固(同时采用上述3种施工技术)这5种情况的实施效果进行对比。

2.2.1 地表沉降对比分析

依据实际监测点位，本文选取3条地表测线进行观测。如图3所示，选取第1条测线(CX2)的观测起点为M、终点为N，MN间长度为145 m，并选取CX2两侧各20 m的平行线CX1、CX3作为第2、3条测线。图4为5种施工工艺下的各测线对应的地表沉降情况。从图4可以看出，钢管隔离桩加固、袖阀管注浆加固以及综合加固3种技术引起的地表沉降出现两处驼峰。CX1左侧桩基存在地层加固，减缓了地表变形，使得盾构隧道左线驼峰大于右线；类似地，CX2的盾构隧道左右线均有地层加固，沉降峰值相差小；CX3出现右线驼峰大于左线驼峰的现象。

图3 地表沉降的3条测线

a) CX1

b) CX2

c) CX3

由图4可以看出，4种加固方案均有效改善了所加固区域附近地表的沉降变形。其改善效果呈现一定规律：洞内注浆加固<钢管隔离桩加固<袖阀管注浆加固<综合加固。在3条测线的对比分析中发现，与袖阀管注浆加固相比，综合加固引起的地表沉降更为明显，这说明过多的加固措施将引起围岩土体扰动，使其失去良好的整体性。

2.2.2 承台变形对比分析

选取3个承台的各个角点为测点(见图5)，分析综合加固方案的沉降规律。盾构近距离侧穿二环路高架桥，承台的沉降差异明显，如表4所示。在无加固措施时，相对于2#承台和3#承台，1#承台的沉降差异最为显著，沉降差值最大达到5.553 mm，超出了一级安全标准的控制范围(5 mm)；此外，针对承台沉降差值的改善效果而言，洞内注浆加固措施最为显著，其次为综合加固技术。

图5 承台测点选取

表4 5种施工方式的承台沉降差对比

综合加固方案的沉降规律如图6所示。由图6可知,1#承台靠近盾构隧道的测点所产生的沉降明显大于其他测点，沉降的差异将引起桥面倾斜，严重影响高架桥运行安全；2#承台亦是当隧道掘近时出现了沉降值陡增,由于该承台两侧均有保护措施，产生沉降的差异较小；3#承台由于受到扰动小，沉降差异亦小。

a) 1#承台

b) 2#承台

c) 3#承台

为对比分析各个工况保护效果，本文引入承台倾斜度这一参数。基于沉降观测结果作适当计算即可获取承台倾斜度。如图7所示，已知结构上相邻的两点A、B(点间距b可量测)，θ为承台产生的倾斜角，通过水准测量得到A、B的沉降值ΔSA、ΔSB，则承台倾斜度的计算公式为：

tanθ=ΔS/b=|ΔSA-ΔSB|/b

(1)

图7 承台局部倾斜计算示意图

如表5所示，与无加固措施相比，4种加固措施对承台倾斜度的改善效果排序为：袖阀管注浆加固<钢管隔离桩加固<综合加固<洞内注浆加固。

表5 5种施工方式的承台倾斜度对比

2.2.3 桩基变形对比分析

图8为选取的桩基观测点，用以进一步研究不同施工工况下各桩基的变形规律。以1#承台桩的侧向变形为例，如图9所示，无加固措施下各桩基的水平侧向位移达到了预警值(12 mm)，实施加固技术后各桩基的侧向位移得以显著降低。其中，综合加固技术在控制桩基的侧向位移幅度上具有良好效果。改善效果呈现一定规律：钢管隔离桩加固<洞内注浆加固<袖阀管注浆加固<综合加固。另外，由于本工程先实施右线隧道施工，后实施左线隧道施工，所以虽然在左线施工时变形出现逆转，但各桩基的累计侧向位移均偏向右线隧道。这说明桩基受到先行开挖盾构隧道的影响更为明显。

图8 桩基观测点

3 现场监测分析

3.1 地表沉降实测分析

该工程盾构侧穿二环路高架桥施工时采用了综合加固技术。如图10所示，监测得到的地表沉降变形存在双驼峰现象，其实际沉降值均小于一级指标(5～10 mm)，满足安全要求。

3.2 承台沉降变形实测分析

在盾构的掘进过程中，对承台沉降变形采用全站仪监测拱顶沉降。选取3个桥墩监测点位(见图5中CT1-3、CT2-3、CT3-3)分别代表副桥1#承台、主桥2#承台和副桥3#承台，其监测结果随时间变化曲线如图11所示。依据承台沉降位移控制值，均满足要求(见表6)。从图11和表6可以看出，实测与模拟一致，验证了计算的准确性。

图9 5种施工方式下1#承台桩的水平位移对比

图10 地表竖向沉降实测值与模拟值对比

图11 实测承台沉降位移曲线

表6 承台沉降分析 单位：mm

4 结论

1) 盾构侧穿高架桥桩基时，地表沉降槽位于桩基承台处，最危险区域为双洞之间的桩基础位置。局部施工保护技术均能有效阻隔隧道-围岩-桩基-地表的变形传递;局部的加固技术将引起地表相应区域沉降差异，即出现左右线高低双驼峰现象，有效提高了施工安全。

2) 本文所述的4种加固技术均能有效改善所加固区域附近的地表沉降变形，其改善效果呈现一定规律：洞内注浆加固<钢管隔离桩加固<袖阀管注浆加固<综合加固。另外，过多的加固措施将引起围岩土体扰动，导致土体失去良好的整体性，进而降低桩基的承载力。

3) 当隧道掘近至桩基础时，相应桥墩出现沉降值陡增的情况，同时沉降倾斜度达到峰值，此时的施工风险最大。针对承台沉降差值，洞内注浆加固的改善效果最为显著，其次为综合加固技术。4种加固技术对于承台倾斜度的改善效果为：袖阀管注浆加固<钢管隔离桩加固<综合加固<洞内注浆加固。