盾構隧道穿越高架樁基礎的支撐方案研究

郝文海

（北京地鐵工程管理有限公司，北京 100079）

隨著城市基礎設施的不斷建設，地鐵隧道與高架橋基礎之間的工程沖突不可避免。因此，在不影響高架橋運行安全的情況下，控制隧道施工任務的方法就顯得尤為重要。目前，樁基礎托換技術應運而生，可用來代替原有樁承受的上部荷載。一般而言，隧道開挖的過程會不可避免地擾動圍巖，影響樁基承載力，從而影響隧道的安全。因此，了解托換過程的變形特征至關重要，與此同時，應采取合理的工程措施，確保盾構隧道和高架橋的施工安全。本工程采用的方法為樁基托換和盾構穿越。現有研究往往忽略上部結構和托換技術的影響，結果僅建立在托換完成的基礎上進行。本文以北京地鐵17號線某區間隧道為研究背景，對敏感環境進行準確預測，并對兩個設計方法進行細化和連續模擬。在此基礎上，對斷樁和托換方案進行了研究。最后，基于樁基托換的結果分析了可能會產生的工程風險。

1 背景介紹

本文中的研究對象為北京市地鐵17號線。本文選取其中原樁與托換樁尺寸差異較大的路段作為研究對象。該路段是一座高約6m的四孔一環混凝土連續箱梁。由于隧道穿過橋墩，因此應托換兩個橋梁樁。橋帽下有兩個直徑為1.5m、長度為28.5m的灌注樁。樁基礎中心線與盾構隧道之間的夾角為64°。隧道和橋梁的橫斷面圖如圖1所示。

圖1 隧道、橋梁的橫斷面圖

2 樁基托換施工設計方案

2.1 設計方案的比較與選擇

本文中研究路段的結構由混凝土連續箱梁組成，受力復雜，變形敏感。樁基礎的存在可能會導致發生不均勻沉降現象，從而致使主梁的應力重新分布。過大的應力變化將影響主梁的承載力和上部結構的安全。然而，在如此復雜的地層中，盾構掘進過程中，調整工作面壓力和控制掘進姿態是非常困難的。坡道采用主動托換控制樁沉降，減少托換施工對交通的影響，在原橋樁卸載前，通過頂升裝置向托換系統施加荷載。

（1）斷樁方案。本工程采用人工打樁方案。通過在隧道頂部垂直開挖人工軸，將盾構隧道范圍內的樁基拆除。該設計方案具有風險低、成本可控、不影響盾構施工等優點。施工順序如下。第一步：根據周圍地質條件，豎井開挖前采用高壓旋噴樁或袖閥管加固周圍地層。第二步：設置鎖環梁和格柵墻保護。第三步：盾構隧道頂部的橫通道通過灌漿和拱起雙排小導管進行開挖和加固。第四步：盾構隧道頂部人工豎井垂直開挖。第五步：使用空氣鎬和氣割機鑿樁基礎。鑿樁時在豎井內回填C15混凝土。

使用盾構機直接切割樁會給工期和成本帶來很大風險。此外，必須對切割機和螺旋輸送機進行改造，否則，可能會導致鋼筋纏繞或切割機損壞。與此同時，盾構機長期停機的風險相當高，可能會影響項目的持續時間。

（2）施工程序。本項目擬采用以下施工程序。第一步：預頂進施工。第二步：樁切割。第三步：千斤頂拆除及托換梁、樁帽施工。第四步：路面回填和修補。然后，允許盾構機通過。此過程的一種替代方法如下：第一步：樁切割。第二步：盾構機通道。第三步：托換梁和樁帽施工。第四步：路面回填和修復。然而，該替代方案具有較高的施工安全性要求。此外，它還可能導致大規模的交通干擾。第二種選擇是在切割樁前拆除千斤頂和固定接頭。當預頂力計算準確時，第二種方案更安全。但是，由于原始樁會對頂升力產生影響，因此，可能會出現頂升過度或頂升力不足的情況。托換梁有時也會承受偏心荷載，這通常表明實際值和理論值之間存在較大差異。

2.2 樁基托換方案設計

本文在考慮了隧道開挖對樁基影響的基礎上提出了相應的樁基托換方案。隧道與托換樁基礎之間的凈距為1m，托換樁由直徑為1.8m、長度為40m的兩個灌注樁組成。樁托換梁為簡支結構，厚度3m，長15m，寬4m。對原始樁和樁帽施加預應力，以增加扭轉、縱向和橫向推力剛度。該樁基結構處的平面示意圖如圖2所示。

圖2 基礎結構的平面布局

3 數值分析

3.1 模型描述

本文采用三維巖土有限元分析軟件MIDAS GTS/NX進行數值分析和計算。當土壤計算模型與實際結構平面尺寸之比超過3～5時，邊界效應對結構的靜態和動態響應幾乎沒有影響。因此，模型沿X、Y和Z方向的計算范圍分別為50、45和40m。假設圍巖和土層均勻且水平分層。計算模型如圖3所示。

圖3 數值計算模型

3.2 模擬工況

在托換基礎上，對初始地應力和橋墩荷載進行了模擬。利用位移清除函數，保留了橋梁正常運行產生的應力狀態，消除了圍巖的初始變形。隨后，建立托換結構，包括原始樁和隧道開挖。具體施工階段見表2。

表2 模擬施工程序

3.3 橋梁樁的變形分析

一般來說，橋梁下方有地鐵隧洞時，橋梁樁基的存在會改變地層的結構，從而影響地鐵隧道的施工過程。

（1）橋梁樁的豎向變形。部分橋梁荷載通過托換梁轉移至下層土層。托換樁承受偏心荷載，樁體隨后承受壓縮變形。因為它與托換梁相連，所以樁頂高度會受該變形影響。樁側土體的摩阻力隨深度增加而增大，樁身豎向位移從樁頂開始逐漸減小。該樁為嵌巖樁，樁底變形約為樁頂變形的33%。圖4顯示了不同工況下橋梁樁的垂直變形云圖。

圖4 橋樁垂直變形的云圖

由圖5可知，由于樁基礎自重較大，其沉降小于1mm。第三種情況是托換結構垂直變形的主要階段，其沉降約為3.5mm。樁切割后，原樁應力釋放，切割處出現明顯的應力集中。鉆孔后，原始樁會向該位置移動約3mm。

圖5 樁基礎施工中不同工況下樁基垂直變形

（2）橋梁樁的水平變形。托換梁在橋墩荷載作用下出現彎曲變形，托換樁頂部向內彎曲。樁身中部的水平位移偏離中心荷載，其變形趨勢隨深度的增加而減小。遠處橋梁樁結構向托換中心移動。當移除原始樁時，托換梁的下部支撐減小，但撓度增大。由于原始樁的應力釋放，梁的兩端和樁頂向內彎曲，托換樁向外移動。圖6顯示了不同工況下橋梁樁的水平變形云圖。

圖6 橋樁水平變形的云圖

圖7顯示，在建造托換結構的情況下，整體位移會朝向中心。在樁頂內側觀察到最大變形，約為0.4mm。打樁會導致橋梁下部結構出現最大水平變形，對周圍支撐系統有很大影響。托換梁兩端的向內位移約為1.1mm。鑿位托換樁均向外移動0.6 mm，樁身位移呈弓形。

圖7 樁基礎施工過程中不同工作條件下樁基的水平變形

3.4 地表沉降影響面積

在樁基托換施工和隧道施工過程中，土壤會因為施工過程而導致地表發生沉降以及相應的應力重新分布現象。高架橋的正常運行也受到這些活動的影響。圖8和圖9顯示，地表沉降基本上符合沉降槽的U形曲線。最大沉降位于現有樁帽附近，約4.8mm。影響范圍為托換梁外4m，范圍外沉降小于0.5mm。

圖8 地表沉降和變形的云圖

圖9 不同條件下地表沉降的變形圖

3.5 隧道穿越托換樁基產生的變形效應

在本項目中，托換樁位于隧道拱頂上方沉降曲線拐點附近。因此，由位置關系可知，隧道開挖會在一定程度上對樁身造成影響。圖10和圖12分別顯示了隧道開挖后樁基在不同方向上的變形云圖。

圖10 隧道開挖后樁基垂直變形云

圖12 隧道開挖后樁基的管道沉降量變化圖

圖11顯示，隧道開挖對垂直方向上橋梁樁基發生形變的影響不大。在隧道開挖過程中，土壤應力重新分布，隧道下部土壤反彈。托換樁向上位移約0.2mm，沉降約4.1mm。

圖11 隧道開挖后樁基水平變形云

圖13顯示，隧道開挖后，橋梁樁的水平變形基本保持不變。但是，由于隧道附近土壤的應力釋放和樁體兩側土壤壓力的不平衡，大多數樁會向隧道側移動約0.2mm的距離。在上部土體重量和下部土體回彈的作用下，隧道兩側的土體會被壓縮。隧道水平軸處的樁進一步偏離隧道，向外位移約為0.5mm。根據要求每個部件的變形不應超過5mm。因此，本工程的變形控制滿足這一要求。

圖13 隧道開挖后樁基水平變化圖

數值分析結果表明，樁基礎在樁土和隧道開挖過程中，在土壓力作用下會向隧道移動。隧道兩側可設置隔離樁，以充分承受土壓力，保護托換樁。地面沉降峰值出現在托換部位，尤其是管段和圍巖之間。建議在隧道段預留灌漿孔，并在周邊地層灌漿。

4 結語

本文研究了地鐵隧道交叉施工條件下高架橋樁托換的力學行為和變形特征，模擬了樁托換和盾構隧道施工過程。然后，基于模擬結果分析了托換結構的穩定性，并驗證了所提方案的可行性。最后，提出了相應的管理措施。本文得到的主要結論如下：（1）在樁基托換過程中，由于周圍土體的沉降，托換結構發生變形。托換結構建立后，樁身位移以弓形發生，托換梁兩端向橋墩位移。因此，在施工期間，應密切監測托換梁兩端和樁頂的水平位移。打樁期間，每個結構的垂直位移明顯增加，其值約為3mm。應在樁頂和托換梁中心加強沉降監測。（2）盾構隧道開挖期間，托換結構基本保持相同形狀。隧道開挖引起的樁基礎水平位移比初始狀態增加約30%，受隧道開挖影響較大。（3）地表沉降曲線呈U形，主要影響區為托換梁外4m。隧道上方出現最大沉降，約為4.8mm。（4）通過數值分析驗證了人工打樁的可行性?？紤]到樁托換施工的高風險性，結合數值分析給出了相應的管理措施。