基于雙層永久襯砌結(jié)構(gòu)的樁基托換施工力學(xué)行為研究

胡瑞青,戴志仁,王立新,崔玉龍,李儲軍

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室,西安 710043)

引言

隨著城市軌道交通線網(wǎng)的逐步加密[1-3]，遠(yuǎn)期地鐵線路建設(shè)時，受既有線限制與周邊環(huán)境影響，在線路走向與敷設(shè)方式、空間關(guān)系與結(jié)構(gòu)形式以及施工方法與工程措施等方面提出了極其苛刻的要求[4]。在既有線占據(jù)城市主要地下廊道后，地面建(構(gòu))筑物樁基侵入隧道現(xiàn)象將愈加頻繁。針對地鐵隧道下穿橋梁樁基的托換技術(shù)及施工力學(xué)行為，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者進(jìn)行了深入而廣泛的探討，并取得了豐碩的研究成果。徐前衛(wèi)等[5]依托某地鐵區(qū)間下穿橋群樁基礎(chǔ)工程，研究了擴(kuò)大板式基礎(chǔ)托換以及盾構(gòu)機(jī)直接切樁的施工方案。鄧濤等[6]以盾構(gòu)隧道穿越橋梁的樁基主動托換工程為背景，分析了在不同頂升荷載作用下復(fù)雜超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移響應(yīng)，研究成果可為后續(xù)類似樁基托換工程提供寶貴的決策依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。周濟(jì)民[7]針對既有橋梁結(jié)構(gòu)的形式、周邊環(huán)境及現(xiàn)場作業(yè)空間等，提出了樁基托換及盾構(gòu)直接切樁的施工方案。

通過調(diào)研，國內(nèi)外日益增多的樁基托換工程多數(shù)采用樁式托換[8-15]，而受現(xiàn)場條件和周邊環(huán)境等影響，常規(guī)樁梁式托換體系可能無實施條件或施工難度較大，因此，基于隧道襯砌結(jié)構(gòu)的洞內(nèi)群樁基礎(chǔ)托換技術(shù)應(yīng)運而生。宋南濤等[16-20]對隧道襯砌結(jié)構(gòu)托換群樁基礎(chǔ)施工工藝進(jìn)行了研究與應(yīng)用，而對群樁基礎(chǔ)洞內(nèi)托換施工過程中變形特性及受力機(jī)理等的空間施工力學(xué)行為鮮有報道，本文運用有限元程序，分析研究基于雙層永久襯砌結(jié)構(gòu)的橋梁樁基托換施工力學(xué)行為，以期為后續(xù)類似工程提供嶄新的設(shè)計理念和施工工藝。

1 工程概況

西安地鐵1號線二期張家村站—后衛(wèi)寨站礦山法區(qū)間下穿太平河段，右線礦山法隧道洞門管棚施工時，管棚鉆進(jìn)至10.6 m長度時遇到障礙物，因此對太平河基礎(chǔ)資料重新調(diào)查，太平河河床結(jié)構(gòu)為漿砌石+混凝土，河床兩側(cè)存在跨河橋的樁基，其中，太平河主道樁基礎(chǔ)墩2座，每座墩布置4根摩擦樁，輔道樁基礎(chǔ)墩2座且每座墩布置3根摩擦樁，樁徑均為1.0 m，樁長20 m，橋跨結(jié)構(gòu)為70 cm厚預(yù)制板梁(簡支梁結(jié)構(gòu))，經(jīng)現(xiàn)場實測，本段區(qū)間左線兩根橋樁侵入隧道二襯約0.6 m，右線兩根橋樁侵入隧道二襯分別為2.3 m和0.2 m，太平河橋樁基與礦山法區(qū)間隧道平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 太平河橋樁基與礦山法隧道平面位置關(guān)系示意

受場地條件與周邊環(huán)境限制，常規(guī)樁梁式托換體系無實施條件，且為降低施工成本，減少施工周期，采用雙層永久襯砌結(jié)構(gòu)的樁基托換體系，避免了常規(guī)樁梁式托換體系實施期間，噪聲大、占地大，以及管線的改遷工作。礦山法區(qū)間下穿太平河橋樁托換段剖面如圖2所示。

圖2 礦山法區(qū)間下穿太平河橋樁托換段剖面

2 樁基托換施工工藝

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計支護(hù)參數(shù)

太平河橋樁侵入地鐵隧道結(jié)構(gòu)處采用在地鐵隧道二襯外側(cè)設(shè)置一層800 mm厚直墻圓拱鋼筋混凝土襯砌，對橋樁進(jìn)行托換。托換襯砌的外襯為初期支護(hù)，由網(wǎng)噴支護(hù)與鋼拱架等支護(hù)型式組成，托換襯砌與地鐵隧道二襯之間鋪設(shè)防水層。

托換襯砌段斷面采用“CRD”法施工。采用鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、格柵鋼架及超前支護(hù)聯(lián)合作為初期支護(hù)，施工時輔以臨時支護(hù)，斷面變化處以堵頭墻銜接，過渡段采用素混凝土回填，托換襯砌段隧道開挖前采用上半斷面超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固地層，加固段長度為8 m，對于隧道上方橋臺下預(yù)埋袖閥管，根據(jù)監(jiān)測情況進(jìn)行補償注漿。樁基托換段隧道支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 托換襯砌段斷面支護(hù)設(shè)計參數(shù)

2.2 樁基托換施工工藝

基于雙層永久襯砌結(jié)構(gòu)的樁基托換體系主要施工步驟如下，樁基托換段施工工序如圖3所示。

圖3 樁基托換段施工工序示意

(1)礦山法施工

樁基托換段暗挖斷面采用CRD法施工，施工時應(yīng)遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”的基本工藝。施工組織計劃和施工工序，必須嚴(yán)格遵守“先排管，后注漿，再開挖，注漿一段，開挖一段，支護(hù)一段，封閉一段”的原則進(jìn)行。每步開挖后，及時施做初期支護(hù)和臨時支護(hù)，嚴(yán)格控制每循環(huán)的進(jìn)尺長度0.5 m，每步臺階長度不宜過長，以3～5 m為宜，以便盡早封閉斷面。

(2)植筋

在橋梁樁基上與托換襯砌結(jié)構(gòu)接觸位置處等角度植入鋼筋(橋樁一周10根)，植筋要求如下：植入鋼筋為φ22 mm，單根長度為1 000 mm，植入深度為350 mm>15d(d為鋼筋直徑)；植筋鉆孔直徑為28 mm；鉆孔應(yīng)注意避免截斷原結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋；鉆孔后孔內(nèi)殘渣及粉塵應(yīng)清理干凈；水平方向植筋時，植筋施工應(yīng)交錯進(jìn)行。

(3)澆筑托換襯砌和洞內(nèi)斷樁

太平河橋樁托換段初支施工完成，待標(biāo)準(zhǔn)段上半斷面開挖進(jìn)尺3 m后，封閉掌子面，施做橋樁托換襯砌，待托換襯砌達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，方可繼續(xù)向前開挖，且待橋樁托換襯砌施做完成達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，再鑿出侵入地鐵襯砌結(jié)構(gòu)樁基及臨時支撐。

3 模型建立

3.1 計算模型

運用巖土與隧道有限元分析軟件MIDAS GTS，建立三維有限元模型，對基于雙層永久襯砌結(jié)構(gòu)的橋梁樁基托換體系的施工力學(xué)行為進(jìn)行分析。根據(jù)圣維南原理，有限元模型基本尺寸為40 m×70 m×35 m(x×y×z)，模型邊界滿足與隧道凈距大于3倍洞徑的要求。地層從上至下依次為雜填土、黃土狀土、細(xì)砂、中砂及粗砂，隧道拱頂覆土厚度10.7 m。地層、托換襯砌、二襯及橋梁上部結(jié)構(gòu)均采用3D實體單元模擬，初期支護(hù)采用2D板單元模擬，橋樁基采用1D梁單元模擬，同時考慮灌注樁與周圍地層之間的摩擦接觸性質(zhì)，樁土間采用樁界面單元。計算模型四周采用橫向約束邊界條件，底部采用固定邊界條件，頂面采用自由變形邊界。太平河橋-暗挖隧道-地層整體有限元模型如圖4所示，太平河橋與暗挖隧道的空間相對位置關(guān)系如圖5所示。

圖4 太平河橋-暗挖隧道-地層有限元模型(單位：m)

圖5 太平河橋與暗挖隧道空間位置關(guān)系

3.2 計算參數(shù)

托換襯砌、二襯、初期支護(hù)及橋梁結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)材料采用線彈性本構(gòu)模型，土體采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型，超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固采用等效地層加固方式[16]，土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 土體及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.3 暗挖隧道施工模擬及計算工況

淺埋暗挖隧道施工工序復(fù)雜，包括掌子面開挖、噴錨支護(hù)、澆筑二次襯砌及拆除臨時支撐等，考慮到隧道施工的時空效應(yīng)，開挖支護(hù)過程采用單元“激活”“鈍化”控制法模擬，且隧道開挖的時空效應(yīng)采用應(yīng)力釋放系數(shù)進(jìn)行模擬，即首先鈍化開挖的土體單元并對開挖輪廓線上的地層進(jìn)行應(yīng)力釋放，隨后激活支護(hù)結(jié)構(gòu)，完成剩余應(yīng)力的釋放。

結(jié)合工程具體情況，計算中假定：隧道開挖荷載釋放30%，然后施做初期支護(hù)，當(dāng)開挖荷載釋放50%時，澆筑托換襯砌，而二襯作為安全儲備不在計算中體現(xiàn)出來[20-21]。

根據(jù)礦山法隧道施工開挖面的不同位置，沿隧道暗挖施工方向選取了若干主要施工階段作為計算工況，如圖6和表3所示。

圖6 暗挖隧道施工掌子面位置

編號計算工況R(L)T-Step1右/左線擴(kuò)挖段AR(L)T-Step2右/左線托換段A-樁身外露R(L)T-Step3右/左線托換段A-托拱及切樁R(L)T-Step4右/左線擴(kuò)挖段BR(L)T-Step5右/左線托換段B-樁身外露R(L)T-Step6右/左線托換段B-托拱及切樁R(L)T-Step7右/左線隧道貫通

4 結(jié)果分析

4.1 隧道施工橋跨結(jié)構(gòu)變形分析

考慮到隧道施工的空間效應(yīng)[21]，分析橋跨結(jié)構(gòu)變形時，選取近隧道側(cè)橋跨結(jié)構(gòu)縱向及橫向一系列特征點，橋上部結(jié)構(gòu)監(jiān)測斷面布置示意如圖7所示。

圖7 橋跨結(jié)構(gòu)監(jiān)測斷面布置示意

主道和輔道典型施工工況下隧道正上方橋跨結(jié)構(gòu)縱向沉降曲線如圖8所示。橋跨結(jié)構(gòu)特征點主要施工階段沉降值如表4、表5所示。由計算結(jié)果可知，礦山法隧道施工對主道和輔道橋跨結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律基本相同，且橋樁基礎(chǔ)均位于隧道開挖引起的沉降槽之內(nèi)，橋跨結(jié)構(gòu)沉降變形疊加效應(yīng)顯著，左線隧道開挖引起輔道上部結(jié)構(gòu)沉降約占累計總沉降量10%，右線隧道開挖引起主道橋跨結(jié)構(gòu)沉降約占累計總沉降量20%；隧道樁基托換段土方開挖過程中，樁基出露施工階段引起的橋跨結(jié)構(gòu)沉降值占總沉降量的23%～30%，為隧道襯砌結(jié)構(gòu)洞內(nèi)托換群樁基礎(chǔ)施工的關(guān)鍵工序，因此樁基托換施工過程中應(yīng)予以重點關(guān)注。由于右線隧道托換段A處樁體開挖暴露長度較短，樁基側(cè)摩阻力即樁基承載力損失較小，故該托換段拱頂正上方橋跨結(jié)構(gòu)在樁基外露過程中沉降變形占比相對較小，因此對于部分侵入隧道內(nèi)的樁基，應(yīng)盡量利用既有的樁基承載體系，少破除樁基，以減小橋梁結(jié)構(gòu)沉降變形。

圖8 不同施工步監(jiān)測斷面沉降曲線

表4 不同施工步輔道橋跨結(jié)構(gòu)特征點沉降值

表5 不同施工步主道橋跨結(jié)構(gòu)特征點沉降值

圖9 左右線隧道貫通監(jiān)測斷面沉降曲線

隧道貫通后主道和輔道橋跨結(jié)構(gòu)橫向沉降曲線如圖9所示，橋跨結(jié)構(gòu)特征點沉降極值如表6所示。由計算結(jié)果可知，橋跨結(jié)構(gòu)及墩臺最大沉降變形均緊鄰隧道一側(cè)，主道和輔道橋跨結(jié)構(gòu)最大不均勻沉降分別為1.98 mm和1.74 mm，由不均勻沉降引起的主道和輔道橋面最大橫向傾斜度分別為0.11‰和0.14‰。

表6 隧道貫通后橋跨結(jié)構(gòu)特征點沉降極值

礦山法隧道貫通后橋梁結(jié)構(gòu)沉降變形云圖如圖10所示。由圖10可知，橋梁結(jié)構(gòu)沉降變形最大值位于緊鄰隧道一側(cè)的拱頂正上方，由于輔橋托換段B處較托換段A處樁基側(cè)摩阻損失較大，故輔橋沉降最值區(qū)域偏向托換段B側(cè)。

圖10 暗挖隧道貫通太平河橋沉降云圖

綜上所述，基于雙層襯砌的樁基托換體系施工過程中，樁基外露施工階段引起的橋梁結(jié)構(gòu)沉降變形較大，因此，除盡量利用原有承載體系，少破除樁基外，應(yīng)及時施做托換襯砌實現(xiàn)樁基荷載的有效傳遞，豎向承載體系的快速轉(zhuǎn)換是控制沉降變形的有效措施。

隧道超前支護(hù)可改善加固圍巖，充分調(diào)動部分圍巖的自承載能力，且可以提高樁基側(cè)摩阻力，降低樁基托換段施工引起的橋梁結(jié)構(gòu)沉降變形。因此結(jié)合現(xiàn)場條件和周邊環(huán)境，托換襯砌段隧道開挖前采用上半斷面超前小導(dǎo)管洞內(nèi)注漿預(yù)加固地層，洞內(nèi)注漿超前加固圍巖后暗挖隧道施工對橋樁基礎(chǔ)及橋跨結(jié)構(gòu)的沉降變形影響規(guī)律基本相同，僅在量值上大幅降低。隧道周圍地層加固前后橋跨結(jié)構(gòu)特征點沉降變形極值(隧道貫通)如表7所示。由表7可知，經(jīng)洞內(nèi)注漿加固周圍地層后，橋跨結(jié)構(gòu)特征點沉降值(隧道貫通)減少約20%，超前支護(hù)加固效果顯著。

表7 隧道周圍地層加固前后橋跨結(jié)構(gòu)特征點沉降變形

4.2 托換襯砌主應(yīng)力分析

典型施工階段樁基托換節(jié)點區(qū)域襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力如表8和圖11所示，隧道洞通后樁基托換節(jié)點區(qū)域襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖如圖12所示。由計算結(jié)果可知，樁基托換節(jié)點區(qū)域均產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且托換節(jié)點處襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力隨隧道施工進(jìn)度呈遞增趨勢。隧道貫通后托拱結(jié)構(gòu)在樁基節(jié)點區(qū)域最大主壓應(yīng)力為4.28 MPa，遠(yuǎn)小于混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，托拱結(jié)構(gòu)在樁基節(jié)點區(qū)域出現(xiàn)局部拉應(yīng)力，最大主拉應(yīng)力為2.45 MPa，大于混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，故樁基托換節(jié)點處托拱結(jié)構(gòu)應(yīng)適當(dāng)加厚并增加配筋量，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。輔橋樁基托換段A處樁基開挖暴露長度較短(即樁基側(cè)摩阻力損失較小)，襯砌結(jié)構(gòu)最大主拉壓應(yīng)力相較其他樁基托換節(jié)點區(qū)域較小，對托拱結(jié)構(gòu)受力有利。

表8 樁基托換節(jié)點區(qū)域襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力 MPa

圖11 不同施工階段樁基托換節(jié)點區(qū)域襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力

圖12 隧道貫通樁基托換節(jié)點處襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖

洞內(nèi)預(yù)注漿加固地層前后樁基托換節(jié)點區(qū)域襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力如表9所示。由表9可知，地層加固后樁基托換節(jié)點區(qū)域襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力得到較大幅度降低，降低幅度為17%～25%。

表9 洞內(nèi)注漿加固前后樁基托換節(jié)點區(qū)域襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力

5 結(jié)論與建議

以西安地鐵1號線礦山法區(qū)間下穿太平河橋工程為背景，運用有限元程序分析研究了基于雙層永久襯砌結(jié)構(gòu)的橋梁樁基托換空間施工力學(xué)行為，主要結(jié)論如下。

(1)受場地條件限制與周邊環(huán)境影響，常規(guī)樁梁式托換體系往往無實施條件，而基于雙層永久襯砌結(jié)構(gòu)的橋梁樁基托換體系具有環(huán)境影響小、托換體系安全可靠，最大程度避免了常規(guī)托換體系施工環(huán)境影響大(振動、噪聲及粉塵等)、施工成本高及受力體系復(fù)雜等弊端，該施工技術(shù)可為后續(xù)類似工程提供寶貴的決策依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

(2)礦山法隧道施工過程中，樁基暴露側(cè)摩阻力損失，該施工階段對橋跨結(jié)構(gòu)沉降變形影響較大，占橋跨結(jié)構(gòu)累計總沉降量23%～30%，為隧道襯砌結(jié)構(gòu)洞內(nèi)托換群樁基礎(chǔ)施工的關(guān)鍵工序，因此，樁基托換施工過程中應(yīng)予以重點關(guān)注。

(3)基于雙層永久襯砌結(jié)構(gòu)的橋梁樁基托換體系在完成豎向承載體系的有效轉(zhuǎn)換后樁基托換節(jié)點區(qū)域托拱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，樁基托換節(jié)點處托拱結(jié)構(gòu)應(yīng)適當(dāng)加厚并增加配筋量,以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

(4)基于雙層永久襯砌結(jié)構(gòu)的洞內(nèi)托換群樁基礎(chǔ)施工過程中樁基開挖暴露長度愈短，施工引起的橋跨結(jié)構(gòu)沉降變形及樁基托換節(jié)點區(qū)域主應(yīng)力值愈小，因此樁體應(yīng)盡可能利用原有的承載體系，減少樁體的截除。

(5)礦山法隧道下穿橋樁段隧道開挖前進(jìn)行洞內(nèi)預(yù)注漿加固，提高了圍巖和樁基的自承載能力，大幅度降低了橋跨結(jié)構(gòu)沉降變形(約降低20%)及托拱結(jié)構(gòu)的受力(降低17%～25%)，同時暗挖隧道施工前宜在橋臺下方預(yù)埋袖閥管，暗挖隧道施工過程中根據(jù)監(jiān)測情況，若橋臺沉降達(dá)到報警值應(yīng)及時進(jìn)行地面跟蹤注漿，以確保橋梁結(jié)構(gòu)安全。