小半徑曲線(xiàn)疊落盾構(gòu)隧道下穿京滬高鐵隔離樁設(shè)置參數(shù)研究

吳 鎮(zhèn),張秀山,王 磊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院,濟(jì)南 250022)

引言

隨著我國(guó)高速鐵路和城市軌道交通建設(shè)的飛速發(fā)展，不同交通形式的空間交叉問(wèn)題將會(huì)越來(lái)越多，城市軌道交通隧道下穿既有高速鐵路是其中一類(lèi)典型工程[1-3]。高速鐵路具備高速、高平順性等特點(diǎn)，為確保高速列車(chē)運(yùn)行安全、舒適，提出可靠有效保護(hù)措施，以最大限度地減小下穿施工對(duì)高鐵線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)的影響，并為實(shí)際施工和線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)提供借鑒和參考，具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。

隔離樁是盾構(gòu)隧道穿越建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)防護(hù)的常用方法[4-5]，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)隔離樁對(duì)高速鐵路保護(hù)效果開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[6-7]、數(shù)值計(jì)算[8-14]研究和分析，研究成果對(duì)盾構(gòu)隧道下穿既有建(構(gòu))筑物具有重要指導(dǎo)意義。但已有研究多針對(duì)某一特定地層條件下的具體工程，得出的研究成果應(yīng)用范圍相對(duì)單一，不具有普遍適用性，且下穿工程中盾構(gòu)隧道多處于直線(xiàn)地段。從研究深度來(lái)看，主要采用工程類(lèi)比法確定最終設(shè)計(jì)方案，帶有濃厚的經(jīng)驗(yàn)和不確定性，科學(xué)性不高。因此，結(jié)合本工程實(shí)際，小半徑曲線(xiàn)疊落隧道下穿京滬高鐵隔離樁合理設(shè)計(jì)參數(shù)尚需進(jìn)一步研究和探討。

以濟(jì)南軌道交通R1線(xiàn)小半徑曲線(xiàn)疊落盾構(gòu)隧道下穿京滬高鐵為工程背景，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段，研究分析了隔離樁設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)橋樁變形的影響規(guī)律，從而提出滿(mǎn)足京滬高鐵變形控制要求及經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

濟(jì)南軌道交通R1線(xiàn)王府莊站～大楊莊站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿京滬高鐵(40+64+40) m預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋，京滬高鐵此段為左右正線(xiàn)、京濟(jì)下行聯(lián)絡(luò)線(xiàn)、京濟(jì)上行聯(lián)絡(luò)線(xiàn)，橋下采用低承臺(tái)群樁基礎(chǔ)。R1線(xiàn)盾構(gòu)隧道左、右線(xiàn)呈疊落狀態(tài)，由104號(hào)與105號(hào)橋墩間斜穿京滬高鐵高架橋。下穿京滬高鐵段區(qū)間左、右線(xiàn)盾構(gòu)隧道覆土厚度分別為28.35，19.22 m，隧道外徑6.4 m、內(nèi)徑5.8 m，管片襯砌厚0.3 m。下穿段左線(xiàn)隧道主要處于粉質(zhì)黏土層和1卵石層，右線(xiàn)隧道主要處于⑩粉質(zhì)黏土和⑩2細(xì)砂層。區(qū)間左線(xiàn)隧道與104號(hào)橋墩樁基最小凈距為10.45 m；右線(xiàn)隧道與105號(hào)橋墩樁基最小凈距為10.84 m。見(jiàn)圖1。

勘察揭露下穿京滬高鐵段地下水主要為潛水和承壓水。潛水含水層主要為⑩粉質(zhì)黏土層和粉質(zhì)黏土層，水位埋深12.9 m。承壓水含水層主要為⑩2細(xì)砂和1卵石，承壓水水頭線(xiàn)位于地面下約15.4 m，水頭高度達(dá)4.4 m。

1.2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)我國(guó)高速鐵路現(xiàn)行規(guī)范[15]，高速鐵路無(wú)砟軌道工后沉降應(yīng)符合扣件調(diào)整能力以及線(xiàn)路豎曲線(xiàn)圓順性的要求，不宜超過(guò)15 mm。隧道下穿橋梁變形穩(wěn)定后，考慮到橋梁在隧道下穿之后的服役期內(nèi)尚有部分預(yù)留變形量，結(jié)合專(zhuān)家評(píng)審意見(jiàn)及橋梁的工作狀態(tài)，最終確定由隧道下穿引起的橋梁水平及沉降控制值標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一按照1.0 mm進(jìn)行考慮。

1.3 隔離樁設(shè)計(jì)方案

盾構(gòu)隧道開(kāi)挖會(huì)擾動(dòng)周?chē)馏w，進(jìn)而造成京滬高鐵橋的變形。為減小開(kāi)挖過(guò)程對(duì)橋樁的附加變形，保證隧道結(jié)構(gòu)與高鐵橋的整體穩(wěn)定，根據(jù)R1線(xiàn)與R2線(xiàn)的交叉位置關(guān)系，并結(jié)合前人研究成果[11]，提出隔離樁折線(xiàn)形布設(shè)方案。隔離樁樁徑為0.8 m，間距為1.2 m。隧道開(kāi)挖前預(yù)先在隧道兩側(cè)區(qū)域施作隔離樁，起到預(yù)先隔離橋樁的作用，然后進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)。隔離樁(即鉆孔灌注樁)的布設(shè)方案如圖1所示。

1.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)

為便于數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形值的表達(dá)，對(duì)橋墩、橋樁、隔離樁及承臺(tái)角點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，詳見(jiàn)圖2。

圖2 承臺(tái)及樁監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)示意

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 模型建立及參數(shù)選取

2.1.1 建模原則

(1)采用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，主要模擬分析不同設(shè)置參數(shù)的隔離樁在隧道盾構(gòu)施工過(guò)程中對(duì)橋樁及承臺(tái)影響的改善效果，模型沿隧道縱向取100 m進(jìn)行建模；

(2)計(jì)算模型中巖土體的參數(shù)采用勘察報(bào)告中提供的實(shí)測(cè)參數(shù)；

(3)橋樁及隔離樁使用樁(pile)單元模擬，模型其他部分均采用實(shí)體建模；

(4)不考慮地下水的影響。

2.1.2 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

根據(jù)隧道所處的實(shí)際位置建立模型，考慮邊界效應(yīng)的影響，模型X向取160 m，Y向取100 m，豎向Z向取60 m。網(wǎng)格劃分以適應(yīng)隧道形狀和樁體位置的需要為原則，盡量使網(wǎng)格接近平行六面體。模型共有112 576個(gè)網(wǎng)格和119 938個(gè)節(jié)點(diǎn)。建立的模型如圖3所示。計(jì)算模型中各地層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 數(shù)值模擬方案

為了研究盾構(gòu)施工過(guò)程中不同隔離樁樁長(zhǎng)、樁間距等設(shè)置參數(shù)對(duì)于減小施工引起橋樁影響的效果，擬定數(shù)值分析的計(jì)算方案見(jiàn)表2。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 計(jì)算模型

表2 數(shù)值分析計(jì)算方案

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1 地表沉降變形分析

圖4顯示地表沉降最大值均出現(xiàn)在橋樁連線(xiàn)中心線(xiàn)附近，提出5種隔離樁樁長(zhǎng)方案，探討不同長(zhǎng)度的隔離樁對(duì)地表沉降的控制效果。隨著樁長(zhǎng)增加，能有效減小地表沉降，但隨著樁長(zhǎng)的增加，地表沉降減小趨勢(shì)逐漸變緩；樁長(zhǎng)39 m方案與樁長(zhǎng)43 m方案沉降槽曲線(xiàn)基本重合，說(shuō)明隔離樁樁底位于隧道下方4 m位置處，隔離效果較好，隔離樁樁長(zhǎng)繼續(xù)增加，隔離效果增加不明顯。樁長(zhǎng)39 m、不同樁間距情況下地表沉降圖顯示，樁間距越小隔離效果越好，但當(dāng)樁間距減小至1.2 m時(shí)，隔離效果改善已不明顯，這主要是由于樁間土拱效應(yīng)影響。

圖4 地表沉降變形曲線(xiàn)

2.3.2 承臺(tái)沉降變形分析

由圖5可以看出，承臺(tái)最大沉降點(diǎn)位于105-1#的43號(hào)角點(diǎn)，隨著隔離樁樁長(zhǎng)的增加，各個(gè)角點(diǎn)的沉降值有所降低；隔離樁樁間距增大，角點(diǎn)沉降相應(yīng)增大。當(dāng)樁間距由1.6 m減小至1.2 m時(shí)，承臺(tái)豎向沉降減小了7.1%；當(dāng)樁間距由1.6 m減小至1 m時(shí)，承臺(tái)豎向沉降減小了8.4%。樁長(zhǎng)由28.6 m增加至39 m時(shí)，承臺(tái)豎向沉降減小了26.5%;樁長(zhǎng)由28.6 m增加至43 m時(shí)，承臺(tái)豎向沉降減小了30.6%。由于存在樁間土拱效應(yīng)，隔離樁樁間距對(duì)隔離效果影響較小。隔離樁樁長(zhǎng)對(duì)承臺(tái)沉降保護(hù)效果明顯，樁長(zhǎng)39 m與樁長(zhǎng)43 m兩種情況下，承臺(tái)沉降相差不大，說(shuō)明當(dāng)樁長(zhǎng)增加至39 m時(shí)，保護(hù)效果隨樁長(zhǎng)的增加逐漸減弱。

圖5 承臺(tái)沉降變形曲線(xiàn)

2.3.3 承臺(tái)水平位移分析

由圖6可以看出，承臺(tái)最大橫橋向水平位移處于105-1#的43號(hào)角點(diǎn)，隨著隔離樁樁長(zhǎng)的增加，各個(gè)角點(diǎn)的橫橋向水平位移值有所降低；隔離樁樁間距增大，角點(diǎn)橫橋向水平位移相應(yīng)增大。隔離樁身發(fā)生指向隧道的位移，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)位移量越小。當(dāng)樁間距由1.6 m減小至1.2 m時(shí)，承臺(tái)橫橋向水平位移減小了8.6%；當(dāng)樁間距由1.6 m減小至1 m時(shí)，承臺(tái)橫橋向水平位移減小了10.0%。樁長(zhǎng)由28.6 m增加至39 m時(shí)，承臺(tái)橫橋向水平位移減小了17.9%；樁長(zhǎng)由28.6 m增加至43 m時(shí)，承臺(tái)橫橋向水平位移減小了23.1%。

圖6 承臺(tái)橫橋向水平位移曲線(xiàn)

由圖7可以看出，承臺(tái)最大順橋向水平位移處于104#的12號(hào)角點(diǎn)，隨著隔離樁樁長(zhǎng)的增加，各個(gè)角點(diǎn)的順橋向水平位移值降低；隔離樁樁間距增大，角點(diǎn)順橋向水平位移值增大。隔離樁效果隨著樁間距、樁長(zhǎng)增加提高均勻。

結(jié)合不同樁長(zhǎng)、不同樁間距條件下地表沉降變形、承臺(tái)豎向沉降、承臺(tái)橫橋向水平位移及順橋向水平位移規(guī)律可知：隨著樁長(zhǎng)增加、樁間距減小，地表及承臺(tái)變形值均減小，當(dāng)樁間距減小至1.2 m、樁長(zhǎng)增至39 m時(shí)，隔離效果提高不明顯。因此，隔離樁樁間距、樁長(zhǎng)分別設(shè)置為1.2，39 m較為合理。

圖7 承臺(tái)順橋向水平位移曲線(xiàn)

3 模型試驗(yàn)

針對(duì)隔離樁樁間距1.2 m、樁長(zhǎng)39 m設(shè)計(jì)工況進(jìn)行模型試驗(yàn)，驗(yàn)證隔離樁隔離效果，并預(yù)測(cè)橋梁承臺(tái)變形。

3.1 模型參數(shù)的確定

隧道開(kāi)挖涉及總寬度為23.9 m，可確定隧道開(kāi)挖影響范圍為96 m左右，取100 m?；谙嗨评碚摬⒏鶕?jù)試驗(yàn)系統(tǒng)的尺寸條件，最終確定此次模型試驗(yàn)的幾何相似比Cl=50。容重相似比Cγ=1∶1；強(qiáng)度、黏聚力和彈性模量相似比Cσ=Cc=CE=50∶1；泊松比、應(yīng)變和內(nèi)摩擦角相似比Cε=Cu=Cφ=1∶1；位移相似比Cδ=50∶1。

本次相似模擬實(shí)驗(yàn)容重相似比Cγ=1∶1，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的主要研究區(qū)域土層的密度和容重相似比計(jì)算得到相似材料密度要求在1.91～2.12 g/cm3。結(jié)合取材和試驗(yàn)難度，本次相似材料選為粉質(zhì)黏土、河沙、卵石。按照相似比，由地層參數(shù)表1，得出相似模擬地層設(shè)計(jì)參數(shù)(表3)。

表3 相似模擬地層設(shè)計(jì)參數(shù)

在制作土層模型時(shí)根據(jù)模擬含水率計(jì)算加入適量水，以模擬黃土層、粉質(zhì)黏土層、粉質(zhì)黏土層和黏土層，再摻入適量河砂和卵石來(lái)模擬細(xì)砂層和卵石層；雜填土層使用實(shí)驗(yàn)室土料直接模擬；中風(fēng)化石灰?guī)r層處于最底部且不為持力層，因此使用砂子、水泥、石膏澆筑滿(mǎn)足尺寸要求即可。

橋樁及隔離樁為試驗(yàn)研究重點(diǎn)，因此要在滿(mǎn)足幾何相似比的同時(shí)，滿(mǎn)足彈性模量相似比CE=50，以達(dá)到相似的變形效果，根據(jù)橋樁及隔離樁材料算得試驗(yàn)材料彈性模量應(yīng)在600～700 MPa。結(jié)合取材和試驗(yàn)難度，本次相似材料選為：河砂、水泥和石膏。根據(jù)相似材料配比試驗(yàn)，用于模擬橋樁及隔離樁的砂子、水泥和石膏質(zhì)量配比為1∶0.8∶0.2。

盾構(gòu)施工中管片是支護(hù)的重要結(jié)構(gòu)，其彈性模量為200 GPa，結(jié)合本次相似模擬實(shí)驗(yàn)的彈性模量相似比CE=50，得出所需模擬管片的材料彈性模量為4 GPa，結(jié)合實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)采用最為接近的PVC管模擬管片。

3.2 模型試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

本試驗(yàn)利用課題組研制的城市地下空間工程試驗(yàn)系統(tǒng)(圖8)模擬盾構(gòu)開(kāi)挖隧道，該試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)真三維加載。采用壓實(shí)填筑法制作三維模型，其基本流程如下：

(1)按材料配比試驗(yàn)所得配比稱(chēng)量配置材料，并用攪拌機(jī)均勻攪拌材料；

(2)在試驗(yàn)臺(tái)架內(nèi)由下往上分層攤鋪材料，并逐層遍布地壓實(shí)材料至所需密度，注意要保證攤鋪均勻；

(3)按要求高程打設(shè)橋樁及隔離樁，樁周區(qū)域分層壓實(shí)，直至模型頂部；

(4)在模型頂部布置位移計(jì)，以監(jiān)測(cè)地表沉降和橋墩沉降。

模型制作完成后的照片如圖9所示。

模型制作完畢后靜置3 d，使土體在重力作用下完成自然沉降，將預(yù)先布好的應(yīng)變片以及位移計(jì)連接到數(shù)據(jù)采集儀，在開(kāi)挖前采集記錄初始狀態(tài)的數(shù)據(jù)，隨后按照先R1左線(xiàn)后R1右線(xiàn)的順序進(jìn)行開(kāi)挖，在左線(xiàn)及右線(xiàn)穿越完成時(shí)分別采集記錄數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總分析。

圖8 模型試驗(yàn)裝置

圖9 模型制作照片

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)圖10可得，左右線(xiàn)隧道穿越完成時(shí)地表最大沉降均在橋樁連線(xiàn)中心附近，由幾何相似比Cl=50可得：最大沉降為4.65 mm，左線(xiàn)穿越完成時(shí)中心左側(cè)地表沉降較大，而右線(xiàn)穿越完成時(shí)中心右側(cè)地表沉降較大，符合影響規(guī)律。測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，承臺(tái)最大沉降點(diǎn)出現(xiàn)在105-1#橋墩位置處，最大沉降值為0.5 mm，104#承臺(tái)沉降值為0.45 mm，滿(mǎn)足變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

由圖10(b)、圖10(c)可以看出，隔離樁變形普遍大于橋樁變形，這也反映了隔離樁在減小施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響方面有一定效果，證明了工程中打設(shè)隔離樁的方法是行之有效的。

圖10 地表沉降及樁身水平位移曲線(xiàn)

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本工程采用AMS全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)京滬高鐵變形進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)主要包含NET05自動(dòng)全站儀和AMS自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)軟件。系統(tǒng)可在無(wú)操作人員干預(yù)條件下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)、記錄、處理、存儲(chǔ)、變形量報(bào)表編制和變形趨勢(shì)顯示等功能。

4.1 京滬高鐵橋墩沉降的影響

盾構(gòu)穿越階段京滬高鐵上行聯(lián)絡(luò)線(xiàn)施工期間各橋墩沉降時(shí)程曲線(xiàn)如圖11所示。

圖11 上行聯(lián)絡(luò)線(xiàn)橋墩累計(jì)沉降時(shí)程曲線(xiàn)

從圖11可以看出：盾構(gòu)穿越施工階段，103#、106#橋墩離施工區(qū)域較遠(yuǎn)，累計(jì)沉降基本未超過(guò)-0.1 mm；104#、105#橋墩沉降波動(dòng)較大，最終沉降量最大的為105-1#橋墩，累計(jì)最大沉降量為0.3 mm。

4.2 京滬高鐵橋墩橫向水平位移的影響

盾構(gòu)穿越施工階段京滬高鐵上行聯(lián)絡(luò)線(xiàn)施工期間各橋墩橫向水平位移時(shí)程曲線(xiàn)如圖12所示。

圖12 上行聯(lián)絡(luò)線(xiàn)橋墩橫向水平位移時(shí)程曲線(xiàn)

從圖12可以看出：盾構(gòu)穿越施工階段，103#、106#橋墩離施工區(qū)域較遠(yuǎn)，施工期間橋墩橫橋向水平位移最大未超過(guò)0.1 m；104#、105#橋墩橫橋向水平位移在左、右線(xiàn)穿越階段波動(dòng)較明顯，但總體水平位移量較小，累計(jì)最大水平位移量出現(xiàn)在105-1#橋墩，位移量未超過(guò)0.3 mm。

4.3 京滬高鐵橋墩順向水平位移的影響

盾構(gòu)穿越施工階段京滬高鐵正線(xiàn)施工期間各橋墩順向水平位移時(shí)程曲線(xiàn)如圖13所示。

圖13 上行聯(lián)絡(luò)線(xiàn)橋墩順向水平位移時(shí)程曲線(xiàn)

從圖13可以看出：盾構(gòu)穿越施工階段，103#、106#橋墩離施工區(qū)域較遠(yuǎn)，施工期間橋墩順橋向水平位移最大未超過(guò)0.1 mm；104#、105#橋墩順橋向水平位移在左、右線(xiàn)穿越階段波動(dòng)較明顯，累計(jì)順橋向水平位移量最大的為105-1#橋墩，位移量為0.4 mm。

5 結(jié)論

(1)隨著隔離樁樁長(zhǎng)增加、隔離樁樁間距減小，隔離樁保護(hù)效果越好，相應(yīng)地表沉降、承臺(tái)沉降及承臺(tái)水平位移均減小。受隔離樁樁間土拱效應(yīng)影響，隔離效果受樁長(zhǎng)影響的敏感程度高于樁間距。

(2)結(jié)合隔離效果隨隔離樁樁間距變化規(guī)律，將樁間距取為1.2 m較合理；隔離樁樁長(zhǎng)對(duì)增加隔離保護(hù)效果較為明顯，根據(jù)地表及承臺(tái)隨樁長(zhǎng)的變形規(guī)律，并考慮到經(jīng)濟(jì)性，隔離樁樁長(zhǎng)設(shè)置為39 m較合理。

(3)通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析，提出隔離樁合理設(shè)計(jì)參數(shù)為樁間距1.2 m、樁長(zhǎng)39 m，模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)揭示橋梁各項(xiàng)變形指標(biāo)均未超過(guò)控制值1.0 mm，驗(yàn)證了隔離樁設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。