西安地鐵隧道中隔墻加臺階法施工誘發的鄰近橋樁變形及其控制措施＊

任建喜 于松波 孟 昌

（西安科技大學建筑與土木工程學院，710054，西安∥第一作者，教授）

淺埋暗挖施工改變了隧道周圍土體的圍巖應力，所引起的變形通過土體介質傳遞至鄰近構筑物，致使其發生一定的變形，甚至會威脅到構筑物的正常使用［1－3］。實踐中，淺埋暗挖施工引起鄰近構筑物變形破壞的事例層出不窮，原因在于施工設計人員未能掌握淺埋暗挖法施工引起鄰近構筑物的變形規律，不能采取有效的控制措施。雖然不少學者和專家對此進行了大量研究，也取得了許多成果［4－9］。但是，對于地質條件復雜的西安黃土地區，淺埋暗挖法施工引起鄰近構筑物變形規律仍需研究。本文以西安地鐵3號線某區間隧道中隔墻加臺階（CRD）法施工工程為依托，研究CRD 法施工對鄰近橋樁變形的影響規律，并提出合理有效的控制橋樁變形措施，以確保施工過程中橋樁的安全穩定，為西安地區相似工程條件下地鐵隧道的安全施工提供技術支撐。

1 工程概況

研究的地鐵隧道CRD 法施工工程在西安地鐵3號線某區間內，其左線隧道自里程ZDK31＋443.908往北開挖至ZDK31＋575.908，右線隧道自里程 YDK31＋443.965 往北開挖至 YDK31＋560.965。該區間隧道鄰近重要性為Ⅰ級的東二環長樂橋，其橋樁基礎為直徑1.3 m、埋深43 m 的鋼筋混凝土摩擦樁，距地鐵隧道僅有1～3 m，其平面位置關系見圖1。

該區間隧道下穿地層的地質條件復雜，地層巖土主要是素填土、新黃土、老黃土、古土壤及粉質黏土。由地質勘查報告可知，對地鐵施工產生影響的是地下潛水，潛水層水位約為地下9.5～11.6 m，場地內地下潛水穩定水位埋深10.4～15.6 m 之間，補給水源主要為大氣降水和側向地下水徑流。場區內采用井點法進行降水，通過側向徑流排泄。

圖1 西安地鐵3號線地鐵隧道與既有橋樁的平面位置圖

2 CRD法施工對鄰近橋樁變形影響的數值模擬

2.1 FLAC 3D模型的建立

數值模型的準確建立對模擬出可靠的橋樁變形規律至關重要。FLAC軟件模擬采用顯式算法以得到模型所有運動方程的時間步長解，準確記錄材料的漸進破壞和跨落，因此本文采用此軟件進行預測研究。暗挖隧道施工斷面為8.47 m（高）×8.08 m（寬），拱頂埋深約為10 m，左右線隧道軸線間距約為11 m，暗挖隧道右線外輪廓線距離既有橋樁基礎的邊緣為3 m。考慮隧道和橋梁的尺寸資料及暗挖隧道施工的影響范圍，最終確定計算模型的尺寸為60 m（長）×84 m（寬）×50 m（高）；考慮到橋梁車道荷載與橋身自重均由橋墩承受，模擬中每個橋墩承受荷載采用3 587 kN；采用莫爾－庫侖模型模擬開挖土體，模型上表面無約束，其余界面加法向約束。建立的FLAC3D 計算模型見圖2。

圖2 FLAC3D 計算模型

2.2 計算參數的確定

由地質勘查資料可得，模型中各土層物理力學參數如表1所示。CRD 法施工的初期支護材料是厚度為300 mm 的C25早強混凝土，二次襯砌為厚度為500 mm 的C40混凝土。橋梁及支護結構計算參數見表2。

表1 土層物理力學參數

表2 橋梁及支護結構計算參數

2.3 CRD法施工的FLAC 3D模擬

數值模型嚴格按照CRD 法施工方案進行開挖支護模擬。模擬工況為：左上導洞→左下導洞→右上導洞→右下導洞，超前小導管采用Cable單元，一襯和二襯采用實體單元。在模擬開挖過程中進行橋樁變形的計算，數值模擬地表沉降及橋樁變形監測點布置見圖3。

圖3 地表沉降及橋樁變形監測點布置圖

2.4 模擬計算結果分析

2.4.1 地表沉降規律分析

由圖4可得，地表最大沉降位置在兩開挖隧道軸線中間的上方，最大值為34.87 mm，地表沉降槽范圍為兩隧道軸線左右20 m 內。由開挖隧道與橋梁的平面位置關系可得，長樂橋位于CRD 法施工誘發的地表沉降槽范圍內。

圖4 地表沉降曲線圖

2.4.2 橋樁水平位移變化規律分析

橋樁埋深比開挖隧道埋深大很多，在隧道開挖影響范圍內，既有橋梁樁體主要發生水平變形，豎向位移很小。因此本文主要研究分析CRD 法施工誘發的橋樁水平變形規律。橋梁樁基礎水平位移云圖和水平變形曲線分別如圖5、圖6所示，圖中的正位移值表示樁體向背離隧道方向位移，負位移值表示樁體向靠近隧道方向位移。

圖5 樁基礎水平位移云圖

圖6 樁基礎水平變形曲線

從圖5和圖6可以看出，CRD 法施工誘發的既有橋樁的水平位移較大，橋樁頂端和底部發生負向位移，橋樁中部樁體產生正向位移；橋樁距地鐵隧道愈近其水平變形愈大；在樁體埋深10～22 m 范圍內，CRD法施工誘發的橋樁變形最顯著，其中樁體埋深約在15 m 時達到水平位移最大值，原因在于該位置與隧道軸線在同一水平位置，即隧道開挖引起土體卸載效應最大的位置；橋樁最大負位移為17.83 mm、最大正位移為15.02 mm，究其原因為，隧道開挖導致其影響范圍內的土體應力重分布，從而改變既有樁基礎的樁側和樁端摩阻力，降低了樁基礎抵抗變形的能力，使之產生傾向隧道側的水平變形。

2.4.3 橋樁傾斜率分析

隧道采用CRD 法施工時模擬計算得到的1＃、2＃、3＃、4＃橋墩沿隧道軸向傾斜率分別為2.47%、1.85%、2.88%、2.14%。由此可知，橋墩主要沿隧道軸向發生了傾斜，橋樁產生的傾斜率隨其距開挖隧道的距離減小而增大，這是由于鄰近隧道側的橋樁位于隧道開挖后所形成的沉降槽內，受施工影響較大。CRD 法施工引起長樂橋橋樁發生的最大傾斜率為2.88‰，超過了允許控制值2‰。

綜上所述，CRD 法施工誘發的橋樁水平變形和橋墩傾斜率較大，已超過變形允許值，為保證施工過程中既有橋梁的安全，須對橋梁基礎采取加固措施。

3 變形控制措施

通過對比注漿法、隔離法和托換法等各種控制措施的加固原理和適用特性，考慮西安地區地質條件及橋樁變形的原因，本工程采取袖閥管注漿技術來加固既有樁基周邊土體，以改善橋樁基礎周邊土體性質，提高樁體樁側摩阻力及抵抗變形的能力，從而保證地鐵隧道施工期間既有橋梁的安全使用。

根據現場實際及數值模擬結果設計了橋樁變形控制方案，袖閥管環繞橋樁四周布置（見圖7），加固土層深度為48 m（上部空樁為13.5 m，下部實樁為34.5 m），按照從外到內、間隔跳灌的注漿原則進行注漿加固。注漿參數見表3。

圖7 袖閥管布置平面圖

表3 袖閥管注漿參數

4 現場監測及數據分析

科學合理的監測方案為控制施工對既有構筑物產生不良影響提供可靠的參考數據，是準確評價加固方案的前提。現場監測的主要內容為橋墩沉降與橋樁傾斜。

4.1 監測點布置

監測點應布置在視野良好便于監測的地方。橋墩的監測點材料為φ20 mm 的半圓頭彎曲鋼筋，長為200 mm。其施工方法是將鋼筋用鉆機打入長樂橋的橋墩中，同時用砂漿將鉆孔填充密實以使鋼筋固定，最后在鋼筋端頭涂防腐劑以防止鋼筋的銹蝕。橋樁監測點布置設計如圖8所示。

圖8 長樂橋監測點布置圖

4.2 監測頻率

對加固后的橋樁變形進行現場監測，其頻率為：在隧道開挖施工之前進行第一次監測以取得初值；當開挖斷面距監測斷面前后距離小于2倍開挖洞徑時，1次／d；當開挖斷面距監測斷面前后距離不大于5倍開挖洞徑時，1 次／2d；當開挖斷面距監測斷面前后距離大于5倍開挖洞徑時，1次／周。

4.3 實測數據和模擬數據對比分析

根據設計的監測方案，對東二環長樂橋的橋樁進行沉降監測，橋樁的沉降和傾斜結果分別見表4和表5。

通過分析表4可知，采取加固措施后橋墩沉降量明顯減小，現場實測的橋墩最大沉降量為7.36 mm，小于控制標準值15 mm；由表5可知，采取加固措施后橋墩沿隧道軸線方向的最大傾斜率僅為控制值（2‰）的52.5%。

綜上所述，對東二環長樂橋采用的加固措施起到了良好加固效果，減少了隧道CRD法施工對鄰近既有橋樁的變形影響，保證了地鐵施工期間橋樁的安全穩定。

表4 橋墩沉降模擬與實測結果表mm

表5 橋墩沿隧道軸向傾斜監測數據表 ‰

5 結論

1）采用FLAC3D 軟件預測了西安地鐵3號線某隧道CRD 法施工誘發的既有橋樁的變形規律。模擬計算結果表明，CRD 法施工引起的鄰近橋樁最大水平變形和傾斜率均超出變形允許值，必須采取加固措施以保證施工過程中既有橋樁的安全穩定。

2）提出了采用袖閥管注漿技術對既有橋梁基礎周圍2 m 范圍的土體進行加固的控制變形措施，加固實施后的現場監測表明，實測值均小于其變形允許值，施工過程中既有橋梁安全穩定，表明文中所提出的控制變形措施是合理有效的。

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