地鐵盾構隧道下穿既有橋群樁基礎保護方案研究

譚富圣

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

Research on the Protection Plan of Subway Shield Tunnel Building Beneath Existed Bridge Pile Group Foundation

TAN Fusheng

地鐵盾構隧道下穿既有橋群樁基礎保護方案研究

譚富圣

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

Research on the Protection Plan of Subway Shield Tunnel Building Beneath Existed Bridge Pile Group Foundation

TAN Fusheng

摘要根據沈陽地鐵十號線某盾構區間隧道近距離下穿既有橋梁群樁基礎的工程實例，結合既有橋梁的結構形式、現場周邊環境條件、工程位置地質條件、新建盾構隧道與既有橋樁位置關系以及現場作業空間及施工條件，綜合確定適合本工程的擴大板基礎托換方案，并通過理論分析及數值模擬計算，進一步研究擴大板基礎托換方案的合理性。研究結果表明，在盾構正常施工條件下，通過擴大板基礎托換的實施，可大幅減少盾構隧道施工期間既有樁基的絕對沉降及群樁之間的差異沉降，顯著降低下部新建盾構隧道管片的彎矩，改善新建盾構管片的受力條件。

關鍵詞盾構隧道橋梁樁基托換下穿群樁沉降分析

1概述

隨著城市軌道交通工程的大量建設，盾構隧道下穿既有橋樁的工程會越來越多，此類工程在施工過程及使用期間，新建隧道與既有橋梁之間存在著復雜的相互影響關系[1]，在設計施工過程中究竟采取何種處理措施，與現場的環境條件、既有橋梁的結構形式、新建隧道的施工工藝以及兩者之間的相對位置關系等因素都密切相關[2-3]。結合沈陽地鐵十號線某盾構區間下穿既有橋梁群樁基礎的工程實例，系統研究既有橋梁的保護方案，分析保護方案實施過程的受力情況以及新建盾構隧道施工過程及使用期間與既有橋梁之間的相互影響。

2工程概況

沈陽地鐵十號線某盾構區間位于崇山東路下方，線路出起點車站后沿崇山東路東行，下穿既有橋橋樁后到達終點車站。整個區間采用盾構法施工，為標準單洞單線圓形斷面，結構外徑6 m，厚度0.3 m，線間距12～15 m，覆土厚度9.8～17.8 m。崇山東路為沈陽市主干道，地面交通繁忙，車流量很大。

既有橋由新橋、舊橋兩部分組成，新橋2012年建成，新橋的高架部分樁長37 m，樁徑1.5 m，上部是30 m跨度的連續梁，新橋的平交部分樁長16 m，樁徑1.2 m，上部為9 m、12 m跨度普通鋼筋混凝土空心板，樁均為鉆孔灌注樁；舊橋1985年建成，樁長15 m，樁徑0.8 m，鉆孔灌注樁，樁間距4.6 m(垂直橋向)×8.7 m(沿橋向)，垂直橋向樁頂設連續蓋梁，蓋梁頂部放置鋼筋混凝土預制簡支板。橋下為新開河，河底鋪漿砌片石，河水深度1～2 m，橋下凈空2.5 m左右，無地下管線。

本區間下穿既有橋的舊橋部分，其中盾構穿越既有橋橋樁部位結構頂與河底的覆土厚度約13.8 m，盾構區間線路中線間距為15 m，區間結構頂與既有橋樁底之間凈距離最小為1.14 m。新建地鐵盾構隧道與既有橋樁之間關系如圖1、圖2所示[4]。其中新橋設計過程考慮了后期地鐵建設的影響，本處不再考慮新建盾構隧道施工對新橋的影響。

圖1　既有橋樁與盾構隧道位置關系平面(單位：mm)

橋址處地層從上到下依次為：雜填土、粉質黏土、中粗砂、礫砂、圓礫、礫砂，橋樁樁底位于礫砂層中，區間隧道穿越礫砂、圓礫層。地下穩定水位埋深為10.1～12.8 m，地下水均為潛水。

圖2　既有橋樁與盾構隧道位置關系立面(單位：mm)

3存在問題及保護方案分析

盾構隧道必須下穿既有橋樁，最安全的處理方式是臨時拆除既有橋梁，待盾構施工完成后重建。但本工程所處位置地面交通繁忙，不允許地面交通受到影響，搭設臨時替代橋梁條件也不具備。同時此方法造價高、工期長，因此不予考慮。

首先分析在不對既有橋梁樁基礎進行托換處理條件下，盾構隧道施工完成狀態的受力情況。此處僅分析新建隧道在基本組合作用下的受力情況，不分析在偶然組合作用下的受力[5]。橋梁自重按實際尺寸計算，上部汽車荷載按公路-Ⅰ級荷載考慮，最終計算單根既有樁承受最大荷載為1 626 kN，按樁端向下45°擴散后的均載作用在盾構隧道頂部，與盾構隧道承受的其他恒載進行組合(自重+水、土壓力)，最終計算管片最大彎矩437.5 kN·m，對應軸力620 kN。按壓彎構件計算，配筋率是正常段的2.5倍，已經接近超筋限值。另外，在地鐵運營階段，列車荷載產生振動，會帶動管片及管片周邊局部地層產生振動，既有橋樁端部與新建隧道管片之間距離僅為1.14 m，樁端在地鐵振動范圍之內。上部橋梁荷載和下部地鐵荷載均存在振動，兩者之間土體在長期振動荷載作用下難于保證強度不受影響。從以上兩點考慮，即使盾構隧道施工期間能夠保證既有橋梁的臨時安全，也需要對既有橋梁樁基進行托換，以改善盾構隧道修建完成后兩者的受力條件，確保使用年限內的安全。

圖3　既有橋采用樁基托換示意立面(單位：mm)

橋樁托換最常用方式是在既有橋樁附近打設新樁，將新樁與既有橋樁或蓋梁連接，通過新樁受力代替舊橋樁，此種方式受力明確，如圖3所示。但本工程采用此種方式有一定困難，首先本工程橋下有新開河，僅能在河流枯水期進行樁基托換，否則導流困難，其次橋下凈空僅為2.5 m，打樁設備實施難度大，施工工程量大、工期長且難度大，因此需考慮其他橋梁托換方式。本工程考慮在舊橋部位把樁基采用擴大基礎連為整體，此種托換方式在下部盾構施工條件下，雖然受力不如樁托換方式明確，但把獨立受力的樁基礎連為整體，共同受力。由于下部的盾構施工對上部的整體基礎影響只是局部，且這個局部在不斷移動，大大降低了盾構施工對單樁的影響，只要及時實施管片背后注漿等處理措施，完全可以大幅降低盾構施工期間對既有橋梁的影響，同時也解決了運營期間兩者之間的相互影響問題。此外，這種加固方式施工周期短，現場操作方便，因此重點對此種托換方式進行有限元計算，以檢驗此托換方式施工過程及使用期間的安全程度。

4樁基托換過程受力分析

對既有舊橋樁基礎承載力進行核算，按照《公路橋涵地基與基礎設計規范》JTG D63—2007中5.3.3條公式進行計算，單樁最大承載力為1 502 kN，小于前面計算的單樁最大承受荷載1 626 kN。但實際橋梁運營良好，應該是計算方法改變導致可靠度的改變。為了進行擴大基礎托換施工，現場需下挖2.4 m，由于上部摩阻力的減少，根據現有規范計算，樁基承載力變為1 430 kN，相比開挖前承載力變化4.8%，變化數值在承受范圍內，擴大基礎形成并受力后，由于擴大基礎下部的③3地層承載力修正前的標準值為280 kPa，擴大基礎承載力修正前就能達到7 212.8 kN，遠遠大于1 626 kN，托換后承載力完全滿足要求。綜合考慮抗沖切及構造要求，最終采用1.5 m厚度的鋼筋混凝土擴大基礎板。

5盾構推進過程受力分析

為了預測新建地鐵盾構隧道施工對既有橋樁在不進行托換及進行托換兩種方案下的影響狀況，同時分析兩種方案對盾構管片內力的影響，根據現場巖土參數，采用Flac軟件建立地層—結構模型[7]，模擬盾構施工過程對兩種既有樁基處理方式的具體影響規律。

5.1　計算模型及參數

模型以新建盾構隧道軸線方向為y軸，垂直隧道軸線為x軸，豎直方向為z軸，模型在y軸方向上長70 m，在x軸方向上長45 m，z軸方向上長45 m。隧道在z軸方向上距離橋樁底部1.14 m，隧道軸線相距15 m，樁間距為4.6 m×8.68 m(斜長)，擴大基礎尺寸為16 m×35 m×1.5 m，擴大基礎底部距離橋樁底部10.4 m，擴大基礎頂部距離模型上邊界(即河底)0.7 m。

根據新建盾構隧道、既有橋梁及新建擴大基礎的空間位置關系，建立三維計算模型，整個模型網格劃分效果如圖4所示[8]，其中既有樁、新建擴大基礎與下部新建隧道模型如圖5所示，模型共劃分為365 977個單元，62 782個節點。

圖4　計算模型網格劃分

圖5　既有橋-擴大基礎-隧道計算模型

模型中既有樁、新建擴大基礎、盾構管片及土體均采用實體單元，其中既有樁基采用C30混凝土，新建擴大基礎采用C40混凝土，盾構管片采用C50混凝土，均為彈性材料，土體本構模型采用Drucker-Prager模型，橋樁頂部荷載按最不利工況加載。計算模型中各土層的參數取值如表1，彈性材料參數按《混凝土結構設計規范》取值[9]。

表1　各個土層參數取值

5.2　計算工況及結果分析

根據實際施工情況，主要模擬以下5種工況。

工況1：新建盾構隧道施工前的初始工況。指既有橋樁頂部加載后，樁基及周圍土層在自重及樁頂荷載作用下的初始狀態。

工況2：新建盾構施工前，進行樁基托換的擴大基礎部位土方開挖完畢狀態。

工況3：新建盾構施工前，進行樁基托換的擴大基礎澆筑完成狀態。

工況4：新建盾構隧道分段掘進施工，為減少計算工作量，整個隧道的開挖過程分4段模擬，每段長度為17.5 m。

工況5：不進行地面擴大基礎樁基托換，工況1的初始狀態達到平衡后，即按工況4施工狀態分段進行盾構掘進施工[10]，分段長度同工況4。

工況1作為既有橋樁的初始受力狀態，將既有樁位移進行清零，重點研究樁基托換過程及后期盾構穿越橋樁過程對既有樁的影響及下部盾構受力影響。在工況1條件下，既有樁最大壓應力為3.14 MPa，最大拉應力為0.26 MPa。

工況2條件下，由于上部局部土體的開挖，使既有橋樁喪失部分摩擦力，導致既有樁略有下沉，沉降0.16 mm，樁最大壓應力變為3.38 MPa，最大拉應力變為0.34 MPa。從計算結果可以看出，在既有狀態下對橋樁部位下挖2.4 m對既有樁的承載力及變形影響較小，可以保證既有橋梁的安全。

工況3條件下，托換擴大基礎澆筑完成后，既有樁基向下沉降0.06 mm，樁最大壓應力變為3.43 MPa，最大拉應力變為0.32 MPa。從計算結果可以看出，擴大基礎的施工，使樁的變形及應力變化較小。

工況4條件下，模擬盾構分段施工對采用擴大基礎托換后既有橋樁的影響，計算結果如表2所示，其中垂直隧道開挖方向由前向后第3排既有橋樁從左到右沉降如圖6所示，沿隧道開挖方向中間排橋樁由前到后沉降如圖7所示。盾構隧道全部開挖完成工況地面、擴大基礎及樁變形云圖如圖8～圖10所示，樁最大主應力云圖如圖11所示。

表2　工況4樁基在有擴大基礎條件下計算結果

圖6　工況4條件下垂直隧道開挖方向第3排5根樁沉降

圖7　工況4條件下沿隧道開挖方向中間排6根樁沉降

圖8　有擴大基礎盾構施工完成土體變形

圖9　有擴大基礎盾構施工完成擴大基礎變形

圖10　有擴大基礎盾構施工完成樁基變形

圖11　有擴大基礎盾構施工完成樁基最大主應力

從計算結果可以看出，在施做擴大基礎后，同一蓋梁下一排橋樁最大差異沉降為0.7 mm，沿橋縱向差異沉降擴大基礎內僅為0.3 mm，邊樁與中間樁之間最大差異沉降僅為1.2 mm，軸向應力雖然有所增加，但在承載力范圍內。新建盾構結構最大壓應力5.6 MPa，最大拉應力0.9 MPa。

工況5條件下，模擬盾構分段施工對未進行擴大基礎托換既有橋樁的影響，計算結果如表3所示，其中垂直隧道開挖方向由前向后第3排既有橋樁從左到右沉降如圖12所示，沿隧道開挖方向中間排橋樁由前到后沉降如圖13所示。盾構隧道全部開挖完成工況地面及樁變形云圖如圖14～15所示，樁最大主應力云圖如圖16所示。

表3　工況5樁基在沒有托換處理條件下計算結果

圖12　工況5條件下垂直隧道開挖方向第3排5根樁沉降

圖13　工況5條件下沿隧道開挖方向中間排6根樁沉降

圖14　無托換盾構施工完土體變形

圖15　無托換盾構施工完樁基變形

圖16　無托換盾構施工完樁最大主應力

從計算結果可以看出，在沒有進行擴大基礎托換情況下，盾構隧道施工導致樁基最大沉降達到15.19 mm(控制標準不大于10 mm)，同一蓋梁下相鄰樁基沉降差最大2.5 mm(控制標準差異沉降不大于2 mm)，沿橋縱向差異沉降最大2.8 mm，最大沉降及沉降差均超過控制標準。新建盾構結構最大壓應力5.4 MPa，最大拉應力0.5 MPa。對比分析工況4及工況5計算結果可以看出，采用擴大基礎進行樁基托換對不同樁之間差異沉降及樁絕對沉降改善效果明顯，同時新建盾構管片拉應力改善明顯，說明在擴大基礎托換條件下，盾構管片彎矩減少很多，對管片內力改善效果明顯。在擴大基礎托換條件下，雖然既有橋樁軸向應力有所增加，但在承載力范圍內。

6實施過程盾構控制措施

盾構工法相比較傳統暗挖工法，雖然在控制地層變形方面存在優勢，但施工過程如果控制不當，也會引起較大的地層變形，無法實現計算模型中假設的條件，因此施工過程需對以下幾個方面重點控制[11-12]。

(1)左、右線兩臺盾構機不能同時穿越既有橋樁影響區，需一臺順利穿越后，另一臺方可穿越，避免兩臺盾構近距離施工過程對土體的相互干擾和影響。同時，第一臺盾構施工的參數應作為第二臺盾構施工的重要參考，可以更好地控制第二臺盾構施工過程對地層的影響。

(2)盾構推進過程中，需以較低的勻速推進，并根據監測數據及時調整土艙壓力，從而科學合理的設置土壓力值和適宜的推進速度等參數，以達到對地層的最小擾動。本工程建議推進速度控制在20～30 mm/min。

(3)嚴格控制盾構推進方向，推進過程定期跟進中線控制樁，加密施工中線、高程的測量頻率，并據以隨時調整輸入數據，保證激光導向的正確無誤，使盾構推進誤差減少，控制超挖量。

(4)及時進行同步注漿施工，同步注漿要保證注漿量和注漿壓力，注漿量一般控制在理論建筑空隙的180%左右，注漿壓力要大于注漿位置的靜止水壓力及土壓力之和，并做到盡量的填補而不是劈裂。

(5)做好二次補漿，二次注漿宜采用低壓、少量、多次注漿的方式補充原有漿液固結收縮所產生的空隙，同時在本穿越部位的管片預留注漿孔，根據現場監測情況考慮利用注漿孔進行多次補漿[13-14]。

7結論

(1)一個工程的最終實施方案，需結合實施工藝、現場的實際條件及相互影響的位置關系最終確定，本工程案例中，如果新建盾構隧道與既有橋樁之間豎向距離進一步加大，通過數值分析可能無需地面樁基托換也可滿足既有橋梁安全。

(2)任何對既有橋梁進行處理的托換方案，實施過程都會對既有橋梁受力產生影響，因此需分析具體托換方案實施過程既有橋梁的受力變化情況，確保托換方案實施過程既有橋梁的安全。

(3)采用擴大基礎方式對既有橋樁進行托換，把原來獨立的樁基礎連為整體，在下部盾構隧道施工過程中，能有效減少既有橋樁之間的差異沉降并同時減少既有橋樁的絕對沉降。

(4)采用擴大基礎方式對既有橋樁進行托換，對于盾構正下穿既有樁基且既有樁與新建盾構隧道之間距離較近情況，可以顯著改善盾構管片的受力條件。

參考文獻

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中圖分類號：O319.56

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)02-0036-06

作者簡介：譚富圣(1976—)，男，2000年畢業于西南交通大學土木工程專業，工學學士，高級工程師。

收稿日期：2014-12-12