地鐵高架橋樁基施工對鄰近構筑物的影響及控制

徐毅夫 劉維正 譚博 王鋒 肖洪波 劉博

1.中建五局土木工程有限公司， 長沙 410116； 2.中南大學 土木工程學院， 長沙 410075

地鐵線路日益網絡化，規模不斷擴大。由于城市建設中建筑用地有限，在既有構筑物附近進行高架橋樁基施工的情況愈發常見，樁基近接施工距離越來越近，對鄰近構筑物的影響越來越突出。因此，預測樁基礎施工對鄰近構筑物的影響，研究控制既有構筑物變形的工程措施具有重要意義。

橋梁樁基與鄰近建（構）筑物的相互影響可分為兩類：一類是新建建（構）筑物對橋梁樁基的影響，另一類是新建橋梁樁基對既有建（構）筑物的影響。

第一類問題出現較早，研究也較多。文獻［1］分析盾構隧道施工對樁基變形和承載力的影響，提出采用全方位高壓旋噴注漿工法加固樁基。文獻［2-3］結合數值模擬與現場監測對盾構隧道下穿橋涵引起的地表變形、控制標準及施工對策進行了全面研究。文獻［4］提出下穿樁群前試挖、超前小導管預加固地層、制定應急措施、超前地質預報四項隧道下穿施工變形控制方法。文獻［5-6］通過數值模擬研究隧道穿越群樁基礎的樁基托換技術，探討橋梁結構荷載傳遞機制。

對第二類問題也有一些研究。文獻［7］結合現場監測與數值模擬，分析基坑開挖對周圍土體、地上建筑和支護結構受力和變形的影響。文獻［8］依據樁基與既有隧道的距離，對橋樁施工影響分區進行了劃分。文獻［9］采用數值分析的方法研究了隧道埋深、水平凈距、樁基半徑等因素對樁基近接施工的影響。文獻［10］模擬了樁基施工全過程，分析了樁基近接對既有隧道位移和應力的影響。文獻［11］針對鉆孔灌注樁施工對隧道結構及位移的影響，提出了隔離保護措施。文獻［12］對樁基荷載效應和隧道縱向變形進行研究，總結了隧道縱向變形的影響因素。

本文以新建長沙地鐵1號線北延線上跨鐵路框架橋和芙蓉北路空心板橋的橋臺為工程背景，通過數值模擬和現場實測，分析不同鉆孔順序和加固措施下樁基施工對既有框架橋和橋臺的影響，總結受力和變形規律，并提出相應的加固保護措施。

1 工程概況

長沙地鐵1 號線北延線青馮區間（青竹湖路站—馮蔡路站）采用高架橋形式沿芙蓉北路中央敷設。該路段芙蓉北路穿越既有繞城高速公路、石長鐵路西北聯絡線和正線，形成立交體系。地鐵區間高架橋采用（55 + 85 + 49）m連續梁上跨既有公鐵立交，B19#承臺尺寸為6.7 m × 10.5 m × 3.0 m，下設6 根直徑1.8 m 鉆孔灌注樁，樁長68.0 m，樁心距3.8 m。

鄰近的既有構筑物由北往南分別為：芙蓉北路空心板橋的橋臺、西北聯絡線框架橋（跨度8.0 m）、正線框架橋（跨度15.5 m）。新建B19#橋墩承臺邊緣一側距橋臺最小距離約0.94 m，另一側距西北聯絡線框架橋最小距離為1.53 m，見圖1。其中：E1—E6 為既有橋臺的樁基。

圖1 B19#橋墩樁基與鄰近構筑物位置關系

西北聯絡線框架橋的邊墻及頂板厚均為0.7 m，底板厚1.0 m，頂部覆土厚約0.5 m。正線框架橋邊墻厚0.9 m，頂板厚0.7 m，底板厚1.0 m。西北聯絡線框架橋和正線框架橋凈距為1.18 m。

2 數值模擬

2.1 模型建立與參數選取

使用MIDAS/GTS 建立計算模型（圖2），新建B19#橋墩樁基采用鉆孔灌注樁，承臺現澆施工，樁基施工段自上而下主要穿越素填土、殘積砂質黏土和全風化花崗巖。

圖2 計算模型

既有樁基采用線彈性模型模擬，新建樁基采用實體單元模擬。既有樁基和新建樁基均采用C35 混凝土。樁土接觸單元采用無厚度的Goodman 單元模擬。新建B19#橋墩和承臺均采用C40 混凝土，框架橋采用C30混凝土。計算參數見表1。

表1 計算參數

2.2 工況設計（見表2）

表2 不同工況的鉆孔順序和加固情況

2.3 測線和測點布置

緊靠樁基平行于橋臺布置地表沉降測線A-A'，在西北聯絡線框架橋靠樁基側布置框架橋縱向沉降測線B-B'，見圖1。另外，在橋臺上布置縱向沉降測線，在既有樁基上布置水平位移和彎矩測點。

2.4 模型驗證

采用所建模型對文獻［13］中的類似工程地質條件隧道水平位移進行計算。隧道水平位移模擬計算值與文獻［13］實測值對比見圖3。

圖3 隧道水平位移模擬計算值與文獻［13］實測值對比

由圖3可知，模擬計算值與實測值基本吻合，說明所建模型和參數選取合理。

3 計算結果分析

3.1 地層沉降

從工況2 整體沉降圖中提取z向斷面，見圖4。可知，地層沉降大致呈U 形分布，向上延伸至地表。沉降大小與距樁基距離成反比。樁基附近地層沉降較大，地層最大沉降出現于樁基處，其值為23.8 mm。

圖4 工況2 z向斷面沉降

不同工況測線A-A'地表沉降曲線對比見圖5。可知，不同工況地表沉降均呈凹槽形，工況1、工況2、工況3 施工對土體的擾動程度依次減弱，最大沉降分別為24.2、23.8、21.7 mm，工況4最大沉降13.2 mm。與未采取注漿加固措施的工況1、工況2、工況3 相比，工況4 地表最大沉降分別減少45.4%、44.5%、39.2%。這說明跳樁法施工與注漿加固可有效減少地表沉降。

圖5 不同工況下地表沉降曲線

3.2 既有橋臺變形

不同工況下橋臺沉降曲線見圖6。可知：①不同工況均是橋臺中心（樁基施工處）沉降較大，兩側沉降較小，工況1—工況4樁基施工處與橋臺兩端最大差異沉降分別為7.2、6.9、6.3、3.5 mm。與工況3 相比，工況4 樁基施工處與橋臺兩端的最大差異沉降減少了44.4%。②工況1—工況4 橋臺最大沉降分別為12.26、11.30、10.12、5.21 mm。與工況3 相比，工況4橋臺最大沉降減少了48.5%。

圖6 不同工況橋臺縱向沉降曲線

3.3 既有樁基水平位移和受力

不同工況下既有樁基水平位移變化曲線見圖7。以橋臺中心為0 點，橫坐標負值表示遠離新建樁基方向。可知，不同工況樁基水平位移均集中于橋樁上部10 m，最大水平位移出現在樁頂，遠離新建樁基方向。既有樁基E3、E4 水平位移較大，最大達到6.42 mm。這是由于E3、E4 距新建橋墩樁基更近，受樁基施工影響大。加固后（工況4），既有樁基E3 水平位移最大值從工況3 的5.25 mm 降至3.59 mm，降幅31.6%。工況3 水平位移小于工況1 和工況2，說明跳樁鉆孔對既有樁基的影響小于排式鉆孔和連續鉆孔。

圖7 不同工況下既有樁基水平位移變化曲線

不同工況下既有樁基彎矩變化曲線見圖8。其中：彎矩為正表示受拉，為負表示受壓。

圖8 不同工況下既有樁基彎矩變化曲線

由圖8 可知：①6 根既有樁基彎矩分布規律相似，隨埋深增大，均由正值轉變為負值。E3 彎矩最大，其值為535 kN·m，出現在埋深14 m 處。②工況3 中E3 最大彎矩略小于工況1和工況2。與工況3最大彎矩（492.4 kN·m）相比，工況4 最大彎矩（359.5 kN·m）減少了27.0%，說明注漿加固能明顯減小既有樁基的彎矩。

3.4 框架橋的應力和變形

不同工況下測線B-B'西北聯絡線框架橋縱向沉降曲線見圖9。可知：框架橋中部沉降較大，兩端沉降較小。工況1—工況4 框架橋中部和兩端最大差異沉降分別為5.0、4.9、4.7、3.2 mm。與工況3 相比，工況4 最大差異沉降減少了31.9%。工況1—工況4最大沉降分別為11.03、10.12、8.65、4.61 mm。與工況3相比，工況4最大沉降減少了46.7%。

圖9 不同工況下西北聯絡線框架橋縱向沉降曲線

工況2西北聯絡線框架橋和正線框架橋最大主應力分布見圖10。其中：受拉為正，受壓為負。可以看出，最大拉應力（3.54 MPa）出現于正線框架橋頂面，最大壓應力（1.35 MPa）位于西北聯絡線框架橋的底面。

圖10 工況2框架橋最大主應力分布

對于C30 鋼筋混凝土，需考慮混凝土的拉應力及壓應力。GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》規定混凝土拉、壓應力設計值分別為1.43、14.3 MPa。

不同工況下框架橋最大主應力見表3。

表3 不同工況下框架橋最大主應力

由表3可知：不采取加固措施的三種工況，最大拉應力均超過規范規定的設計值。與工況3 相比，采取注漿加固措施的工況4 最大拉應力減少64.4%，滿足規范要求，說明注漿加固效果顯著。

4 變形控制措施和實施效果

4.1 變形控制措施

根據以上分析，實際施工時采取跳樁鉆孔和三項控制措施：①袖閥管注漿加固；②樁基反循環鉆進成孔；③實時監測和反饋。

1）袖閥管注漿加固

樁基施工前對樁基周邊土體注漿加固。注漿時注意控制注漿壓力，并對鐵路框架橋和公路橋進行監測，如發現異常立即停止施工。

設置A、B、C 三種注漿孔，注漿范圍為樁基邊緣以外不小于2.5 倍樁徑，A、B、C 三種注漿孔深度分別為18、8、18 m。袖閥管注漿采用DN50 型厚4 mm 的PVC（Polyvinyl Chloride）管，上設溢漿孔，溢漿孔環向間距30 cm，開孔數不小于4 孔。注漿孔呈梅花形布置，間距（排距×孔距）為1.0 m × 1.0 m。注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿。

2）樁基反循環鉆進成孔

樁長68 m，為避免塌孔樁基施工采用反循環鉆進成孔，長鋼護筒跟進至砂質黏土層。

主要施工步驟：

①清除雜物，設置泥漿沉淀池，用黏土、純堿添加劑等制作優質泥漿。

②測量放線，埋設護筒。護筒采用厚10 mm 的Q235A 鋼板卷制而成，護筒內徑比鉆孔樁的樁徑大20 cm。

③鉆機就位及鉆孔。利用鉆機旋轉造漿，造漿量為樁用混凝土體積的2倍。

④反循環清孔，注意保持孔內水頭，防止坍孔。

⑤鋼筋籠制作和吊裝、灌注水下混凝土等。

⑥泥漿補充。鉆進過程中若有泥漿損耗，應予以補充。

3）實時監測

結合工程現場條件，采用徠卡自動全站儀實時監測。根據TB 10314—2021《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》中的規定，框架橋豎向位移預警值為±4.8 mm，控制值為±8.0 mm；橋臺水平位移預警值為±4.2 mm，控制值為±7 mm。

順鐵路方向在兩個框架橋內部每5 m 布置1 個監測斷面，共布置7 個斷面。西北聯絡線框架橋每個斷面布置框架橋變形監測點4 個、軌道變形監測點1 個，正線框架橋每個斷面布置框架橋變形監測點4 個、軌道變形監測點2個，見圖11。

圖11 監測方案

4.2 實施效果

2023年4月13 日至5月18日新建B19#橋墩的樁基施工。為分析新建19#橋墩樁基施工對框架橋和芙蓉北路空心板橋橋臺位移的影響規律，取西北聯絡線框架橋斷面1、斷面4的8個位移監測點（XB1-1—XB1-4、XB4-1—XB4-4）和橋臺位移監測點（QT-1—QT-7）進行分析。框架橋和橋臺位移時程曲線見圖12。其中：水平位移為負表示背離新建樁基方向，為正表示朝向新建樁基方向。

圖12 框架橋和橋臺位移時程曲線

由圖12可知：①樁基施工前框架橋和橋臺位移較小，開始施工時位移逐漸增大。框架橋首先隆起，隨著樁基施工逐漸沉降。最大沉降出現在測點XB1-3處，其值為-3.59 mm。框架橋豎向位移在-3.59 ～1.18 mm變化，小于預警值，滿足變形控制要求。②橋臺水平位移最大值為-1.97 mm，出現在測點QT-2 處，橋臺水平位移在-1.97 ～ 1.52 mm，小于預警值，滿足變形控制要求。對于XB1-3 和QT-2 水平位移較大的測點需加強監測，以便及時調整施工方案。

5 結論

本文以新建長沙地鐵1號線北延線上跨鐵路框架橋和芙蓉北路空心板橋的橋臺為工程背景，通過模擬分析得到以下結論：

1） 樁基施工時，地層沉降、框架橋和橋臺最大沉降均出現于樁基施工處，地層沉降大致呈U 形，向上延伸至地表，沉降大小與距樁基距離成反比。未加固時框架橋和橋臺位移均超出限值。

2） 三種鉆孔順序中跳樁鉆孔對沉降變形的控制效果最好。跳樁鉆孔，比加固前相比，注漿加固后框架橋和橋臺的最大沉降分別減少了46.7%和48.5%，框架橋中部和兩端最大差異沉降減少了31.9%，樁基施工處和橋臺兩端最大差異沉降減少了44.4%。西北聯絡線框架橋最大拉應力減少64.4%，框架橋和橋臺的安全性得到較大提高。

3） 樁基施工時采取袖閥管注漿加固、樁基反循環鉆進成孔和實時監測三種變形控制措施。經監測，框架橋豎向位移在-3.59 ～ 1.18 mm，橋臺水平位移在-1.97 ～ 1.52 mm，均小于預警值，滿足變形控制要求。