緊貼橋梁樁底某暗挖區間施工對橋樁的影響分析

畢景佩, 易領兵, 杜明芳, 劉勝歡, 李帥兵，朱亮亮

(1.鄭州地鐵集團有限公司，鄭州 450000；2.中交鐵道設計研究總院有限公司，北京 100088；3.河南工業大學土木建筑學院，鄭州 450000; 4.蘇交科集團股份有限公司，南京 210000)

地鐵區間在城市建構筑密集區域施工環境越來越復雜,下穿橋梁、河流、鐵路、管線等，設計方案和施工方案也越來越多樣[1-2]。

祝勇[3]、沈建文等[4]采用數值模擬與現場實時監測的方法研究了盾構隧道側穿橋樁對橋梁的影響。王凌等[5]采用數值模擬與理論計算的方法研究了盾構隧道與橋樁的安全距離。張金偉[6]運用數值計算、橋樁承載力分析、現場實測數據等方法對暗挖區間進行優化設計。徐登票等[7]研究了盾構施工對橋梁的影響。何茂周[8]、姚文花[9]、劉才平等[10]和李幸發[11]采用理論計算與工程類比相結合方式對盾構穿越橋樁進行綜合處理進行了研究。冠曉強等[12]采用數值模擬與現場監測的方法研究了旋噴加固對盾構穿越已建構筑物的影響。楊勇等[13]、宋金涌[14]、馬忠政[15]、徐前衛等[16]和朱統步[17]采用數值模擬與現場實時監測的方法對盾構區間穿越托換樁基的影響進行了研究。

前人對地鐵區間下穿、側穿施工情況開展了大量研究，但是盾構區間具有與橋樁距離僅為0.333 m、砂卵石地層、存在地下水的特點，而關于緊貼樁底盾構施工案例研究較少。

考慮以上情況，以下穿小月河橋的新機場線盾構區間隧道工程為背景，研究盾構區間下穿小月河橋施工過程中橋面、蓋梁及橋樁位移變化規律特征；揭示盾構區間下穿小月河橋施工過程中橋樁差異沉降；分析盾尾徑向注漿加固對下穿橋樁的影響。

1 工程概況

北京地鐵27號線(昌平線南延)學院橋站～西土城站區間設計起點、終點里程分別為K41+185.000、K42+494.932，區間全長約1 309.932 m，為盾構法+礦山法區間。拱頂覆土18.1～27.9 m，底板埋深24.9～33.9 m。區間線路平面最小曲線半徑R=1 000 m，線間距為9～17 m。線縱向為單面下坡設計，坡度為6.2‰，兩端車站附近坡度為0.2‰。

圖2 小月河橋與盾構隧道剖面位置關系圖

小月河橋梁長度25 m，全寬26 m，上部結構由14片中主梁和2片邊主梁組成的單孔預應力混凝土簡支梁橋，下部結構采用排柱式輕型橋臺，墩柱D=1.0 m,長度 2 m，下接D=1.2 m 鉆孔灌注樁，樁長 23 m。

區間隧道結構位于橋梁樁基礎正下方，區間北側橋樁與樁基礎的最小垂直凈距0.333 m，區間南側與樁基礎最小垂直凈距0.027 m。

場地地下水位埋深29.4 m，盾構區間主體結構底板埋深32.57 m，盾構區間主體結構進入地下水。

小月河橋與盾構區間的平剖面位置關系如圖1、圖2所示。

圖1 小月河橋與盾構隧道平面位置關系圖

2 數值計算分析

針對北京地鐵27號線(昌平線南延)學院橋站—西土城站區間下穿小月河橋施工，根據設計及地質資料，采用Midas/GTS軟件建模分析。在考慮到本工程盾構施工步序較多且在節約篇幅的基礎上選取盾構施工步序中有代表性的8個工況。

(1)初始地應力分析。

(2)橋梁施工完成后的地應力分析。

(3)右線隧道接近北側橋樁加固區。

(4)右線隧道穿過北側橋樁并接近南側橋樁加固區。

(5)右線隧道離開南側橋樁加固區。

(6)左線隧道接近北側橋樁加固區。

(7)左線隧道穿過北側橋樁并接近南側橋樁加固區。

(8)左線線隧離開南側橋樁加固區。

(9)雙線隧道開挖完成。

土體、橋樁及盾構材料參數如表1所示，模型如圖3所示。

表1 材料參數

圖3 三維整體模型圖

參閱既有資料并結合業主提供的 10 號線穿越小月河引起的橋梁基礎變形監測，通過建模計算，分析得出 27 號線穿越小月河橋應滿足的橋梁控制技術指標：簡支T梁縱橋向相鄰軸差異沉降控制值為8 mm；同一邊蓋梁相鄰樁基礎位置差異沉降控制值2 mm；橋梁單測點最大沉降控制值15 mm邊蓋梁新增傾斜不大于1/1 500。

3 計算結果分析

3.1 土層位移分析

土層位移計算結果如圖4、圖5所示。由圖4可知，右線貫通時，地層最大豎向沉降約為13.411 mm，發生位置位于盾構隧道正上方；最大豎向隆起約為7.575 mm，發生位置位于盾構隧道底部。由圖5可知，雙線貫通時，地層最大豎向沉降約為13.606 mm，發生位置位于右線盾構隧道正上方；最大豎向隆起約為7.325 mm，發生位置位于盾構隧道底部。

圖4 右線貫通后土層豎向位移云圖

圖5 雙線隧道開挖完成后土層豎向位移云圖

最大沉降位置和最大隆起位置基本穩定在右線盾構隧道的正上方和底部，且雙線貫通較右線單線貫通數據大，分析原因可能是隨著左線盾構隧道的二次擾動引起右線隧道正上方沉降增大，底部隆起增大。

3.2 小月河橋橋面變形分析

為節約篇幅，僅列出階段3～階段8工況位移圖，小月河橋橋面的位移如圖6所示。

地鐵區間隧道施工過程中，小月河橋橋面的沉降逐漸增加，右線靠近時，橋面的沉降為0.864 mm，右線通過時，橋面的最大沉降達到2.751 mm，右線貫通后，橋面的最大沉降達到2.991 mm。繼續施工左線隧道，在左線盾構靠近小月河橋時，橋面的沉降為43.336 mm，在左線隧道通過小月河橋北側橋樁時，橋面的最大沉降達到4.455 mm，雙線隧道貫通后，橋面的最大沉降達到4.728 mm。左線盾構通過后橋面沉降較右線通過后增大1.737 mm，左線盾構隧道的施工引起橋面沉降增大比例為58.07%。

3.3 小月河橋蓋梁沉降分析

因篇幅有限，僅列出階段3～階段8工況位移圖，小月河橋蓋梁的位移如圖7所示。

地鐵區間隧道施工過程中，小月河橋蓋梁的沉降逐漸增加，在右線盾構靠近小月河橋時，蓋梁的沉降為0.855 mm，右線通過時，蓋梁的最大沉降達到2.804 mm，右線隧道貫通后，蓋梁的最大沉降值達到了3.000 mm。繼續施工左線隧道，在左線盾構靠近小月河橋時，蓋梁的沉降為3.324 mm，在左線隧道通過小月河橋北側橋樁時，橋墩的最大沉降達到4.410 mm，雙線隧道貫通后，蓋梁的最大沉降達到4.688 mm。

3.4 小月河橋橋樁沉降分析

為節約篇幅，僅列出階段3～階段8工況位移圖，小月河橋橋樁的豎向位移如圖8所示。

地鐵區間隧道施工過程中，小月河橋橋樁的沉降逐漸增加，在右線盾構靠近小月河橋時，橋樁的沉降為1.904 mm，在右線隧道通過小月河橋北側橋樁時，橋樁的最大沉降達到6.724 mm，右線隧道貫通后，橋樁的最大沉降達到了6.836 mm。繼續施工左線隧道，左線靠近時，橋樁的沉降為6.980 mm，左線通過時，橋樁的最大沉降達到7.301 mm。雙線隧道貫通后，橋樁的最大沉降達到7.330 mm。

3.5 小月河橋橋樁水平位移分析

為節約篇幅，僅列出階段3～階段8工況位移圖，小月河橋橋樁的水平位移如圖9所示。

圖6 橋面豎向位移

圖7 橋墩豎向位移

圖8 橋樁豎向位移

地鐵區間隧道施工過程中，小月河橋橋樁的水平位移逐漸增加，在右線盾構靠近小月河橋時，橋樁的水平位移為0.203 mm，在右線隧道通過小月河橋北側橋樁時，橋樁的水平位移達到0.939 mm，右線隧道貫通后，橋樁水平位移達到了0.954 mm。繼續施工左線隧道，在左線盾構靠近小月河橋時，橋樁的水平位移為0.970 mm，在左線隧道通過小月河橋北側橋樁時，橋樁的水平位移達到1.656 mm，雙線隧道貫通后，橋樁的水平位移達到1.650 mm。

圖9 橋樁水平位移

圖10 橋樁附加彎矩

3.6 小月河橋橋樁應力分析

階段3～階段8工況位移圖，小月河橋橋樁的附加彎矩如圖10所示。由圖10可知，地鐵盾構區間隧道施工過程中，小月河橋橋樁的附加彎矩逐漸增加，在右線盾構靠近小月河橋時，橋樁的彎矩為26.935 kN·m，右線通過時，橋樁的最大彎矩達到40.046 kN·m，右線隧道貫通后，橋樁的最大彎矩達到了39.432 kN·m。繼續施工左線隧道，左線靠近時，橋樁的彎矩為42.320 kN·m，左線通過時，橋樁的最大彎矩達到42.718 kN·m。雙線隧道貫通后，橋樁的最大彎矩達到42.733 kN·m。

橋樁附加彎矩最大值42.733 kN·m，經計算可知附加彎矩計算配筋面積298.76 mm2遠小于按最小配筋率計算配筋面積3 654.91 mm2，即橋樁附加彎矩對樁身影響不大，不會對其產生破壞影響。

3.7 小月河橋樁差異沉降分析

3.7.1 橋樁差異沉降分析

提取上述數值模擬階段8承橋樁豎向位移數據，對橋樁橫向差異沉降進行分析，為便于表達，對沉降位置進行編號，編號方式如圖11所示。例如：1表示小月河橋第1個橋樁位置1；1-2表示第1和第2個橋樁樁頂位置的差異沉降位。

圖11 橋樁位置編號

橫橋向橋樁差異沉降如表2所示，小月河橋在盾構區間隧道施工過程中的橫向差異沉降最大值為1.752 9 mm，發生在第1和第2個橋樁之間的差異沉降。

表2 橋樁差異沉降

小月河橋在盾構區間隧道施工過程中的縱向差異沉降最大值為0.954 9 mm，是第6個和第7個橋樁之間的差異沉降。

3.7.2 蓋梁橫橋向差異沉降分析

小月河橋在盾構區間隧道施工過程中的橫向差異沉降最大值為1.247 5 mm，經計算蓋梁新增傾斜不大于 1/1 500。

4 徑向加固措施分析

4.1 橫橋向橋樁

小月河橋樁和2號橋樁樁頂及樁底沉降如圖12 所示。橋樁沉降最大值發生在右線隧道上方的4號和10號橋樁。全線貫通后，右線隧道上方的橋樁沉降有所增加，但左線隧道上方的1號和7號橋樁沉降較大。

圖12 1號和2號橋樁樁頂、樁底沉降

未加固情況下，橋樁樁頂最大沉降為-8.159 2 mm，加固后樁頂沉降最大為-6.416 7 mm，減小了21.35%；未加固情況下橋樁樁底最大沉降值為-9.991 4 mm，加固后樁底沉降最大值為-7.328 7 mm，減小了26.64%。

未加固情況下，相鄰橋樁樁頂沉降差異最大值為發生在11號和12號橋樁之間，其值為2.589 5 mm，超過了橋樁樁頂沉降控制值；加固后相鄰橋樁樁頂沉降差異最大值為發生在5號和6號橋樁之間，其值為1.756 5 mm,滿足控制要求。

4.2 典型點橋樁全過程分析

施工階段8-17和38-47為右隧道0#橋樁加固區，由圖13中橋樁的沉降曲線可以看出，隧道下穿加固區域期間時，未加固情況下，橋樁4樁底沉降為6.737 6 mm，橋樁1樁底沉降為2.611 5 mm；加固情況下，橋樁4樁底沉降為4.505 1 mm，橋樁1樁底沉降為1.846 2 mm。加固后橋樁4樁底沉降降低了33.13%，橋樁1樁底沉降降低了29.30%。

圖13 樁1及樁4樁底沉降全過程分析

5 結論

對盾構區間下穿小月河橋進行了數值計算，研究了盾構隧道施工后小月河橋橋面、蓋梁及橋樁的位移和橋樁受力情況，得出如下結論。

(1)盾構隧道施工過程中小月河橋橋面、蓋梁及橋樁最大沉降值滿足控制標準；橋樁水平位移滿足控制標準；橋樁附加彎矩較小，不會對橋樁造成破壞。

(2)盾構隧道施工過程中小月河橋蓋梁及橋樁橫橋向及縱橋向差異沉降滿足控制標準；最大相鄰差異沉降1.752 9 mm，不會對大橋產生破壞影響。

(3)盾構隧道施工引起地層應力的重分布，當雙線盾構隧道施工完成后一段時間內，周圍地層應力再次處于平衡狀態。

(4)盾尾徑向后注漿加固下，橋樁樁頂沉降差異滿足控制要求，橋樁樁底豎向位移從6.737 6 mm減少到4.505 1 mm，降低33.13%。