旋噴樁加固隔離樁對既有橋梁變形控制研究

【摘" " 要】：為分析下穿盾構隧道施工對采用了雙重管高壓旋噴樁加固隔離措施的橋梁結構安全影響，以廣東某輸水隧道下穿甬莞高速（雙向四車道）高架橋旋噴樁加固為例，分析了旋噴樁加固機理，采用數值模擬結合工程監測的方法，對盾構隧道施工引起的土體位移、地表沉降和橋墩變形進行了分析。結果表明：旋噴樁加固措施能有效控制隧道施工中引起的地層變形，縮小施工對土體的擾動范圍，施工下穿隧道引起橋墩的豎向位移與沉降差符合橋梁結構對變形的要求，監測數據印證了數值模擬計算結果，雙重管旋噴樁加固隔離措施效果明顯，可保證橋梁的安全與正常運營。

【關鍵詞】：雙重管旋噴樁；盾構隧道；加固隔離；橋梁變形

【中圖分類號】：TU473.1 【文獻標志碼】：C 【文章編號】：1008-3197（2024）02-40-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.02.011

Research on Control of Existing Bridge Deformation Reinforcement of Isolated Foundation by Jetting Pile

ZHANG Guangqian1，2， LiXiangyang1，3， WU Jinglong1，2， BI Xiaoyong1，3

（1.Shaanxi General Team of China Geological Exploration Center of Building Materials Industry，Xi’an 710003，China；2.Xi’an Bluilding Materials Geological Engineering Survey Institute Co.Ltd.，Xi’an 710003，China；3. Shaanxi Zhongxiang Foundation Engineering Co. Ltd.，Xi’an 710003，China）

【Abstract】：In order to analyze the impact of underpass shield tunnel construction on the safety of bridge structure under the isolation measures of double-pipe high-pressure jet grouting piles， this study examines the strengthening mechanism employed in the construction of Yongguan High-Speed Viaduct's water transmission tunnel in Guangdong. The analysis focuses on soil displacement， surface settlement， and pier deformation caused by shield tunnel construction. The findings indicate that： Rotary jet grouting piles as reinforcement measures effectively control formation deformations resulting from tunnel construction， minimize soil disturbance during construction， and mitigate vertical displacement and settlement differences in bridge piers caused by tunneling activities while meeting structural deformation requirements. Monitoring data corroborate numerical simulation results， guaranteeing the effectiveness of dual pipe rotary jet grouting piles as isolation measures for ensuring bridge safety and normal operation.

【Key words】：double pipe rotary jet pile; shield tunnel; reinforcement isolation; bridge deformation

隨著基礎設施建設不斷推進，新建工程往往需要上跨或下穿既有建（構）筑物[1～2]，下穿施工勢必會對既有工程產生影響；特別是對變形敏感的橋梁工程，施工導致橋墩過大位移，可能引起橋面開裂，橋梁結構破壞等問題，形成安全隱患[3～4]。實踐中，應根據不同地質情況、結構物形式及相互位置關系，選擇不同的加固方法來提高下穿結構物周圍土體抗變形能力和抗剪強度，減小相鄰工程的變形；常用的方法有旋噴樁、攪拌樁、長管棚+超前注漿小導管、帷幕注漿等。各工法有各自的適用條件及優缺點，旋噴樁以設備小，施工快，成本低，工藝簡單得到了廣泛的應用。

旋噴樁對既有建筑物的保護主要通過對土體注漿及樁體形成的約束和隔離作用來提高土體的抗剪強度和抗變形能力；施工時，高壓噴射的漿液填充土顆粒之間的孔隙，使周圍一定區域的土體明顯被擠壓密實，水泥漿液與土體混合物固化，形成增強體，固結體與四周土緊密相連，改善土體性狀，提高土體抗剪強度，土體不致產生過大的變形和破壞，提高地基承載力，減小地基變形。旋噴樁搭接后形成兩道帷幕，隔斷了樁間土地下水徑流通道，土體含水率降低，土體力學參數得到提高；同時旋噴樁將土體由無側限狀態改變為有一定邊界條件的側限狀態，極大提高了土體抗剪強度，抑制其側向變形，改善盾構施工對橋墩的影響。樁基礎剛度遠大于周圍土體剛度，樁體以附加變形的形式吸收了部分地層變形，對盾構隧道施工擾動的傳遞起到了一定遮蔽作用，有效降低盾構施工對土體擾動的范圍。

目前對旋噴樁技術的研究主要集中在地基加固方面，大多學者著重研究其施工技術、成樁直徑和樁體強度[5～8]，關于加固效果分析不多。本文以實際工程為例，采用數值模擬結合工程監測的方法，研究高壓旋噴樁加固后盾構隧道施工對既有橋梁的影響。

1 工程概況

廣東某輸水隧道下穿高速公路（雙向四車道）高架橋。橋梁跨徑25 m，平面曲線半徑300 m；橋梁樁基為?1.6 m的摩擦樁，樁長40.0 m。隧道埋深11.9～14.5 m，外壁距橋梁第17排樁基5.1 m、距第18排樁基6.6 m。地層由第四系覆蓋層（由素填土、沖積相黏性土、砂土、碎石土組成）和三疊系的砂巖、粉砂巖及其風化層組成。見圖1。

隧道采用盾構法施工，盾構管片為C55預制鋼筋混凝土環形管片，外徑為6 m、內徑5.4 m，內襯C55模筑鋼筋混凝土，厚0.45 m。綜合場地環境、地層巖性及隧道施工方法，為防止盾構施工引發突泥、涌水等事故，同時盡可能減小盾構施工對橋梁樁基的影響，擬采用雙重管高壓旋噴樁對隧道影響區地基加固。隧道每側設置3排雙重管高壓旋噴樁，樁徑600 mm、樁距400 mm，樁底低于盾構管片外輪廓以下3.0 m，加固范圍51.0 m。

2 計算模型

2.1 模型的建立

鑒于研究對象為結構體系復雜的橋梁整體變形，計算采用三維有限元模型，為接近實際工況，考慮邊界效應影響及計算的收斂性，地層模型長度取144.0 m（橋梁兩側各52.0 m）、寬度取82.0 m（盾構隧道側2排樁基）、深度取50.0 m，下邊界距樁基底10.0 m、距隧道底32.0 m。見圖2。

土體模型的頂面為自由邊界，底面為豎向約束，四周為法向約束，為簡化數值計算，做出以下假定：

1）各層土體均為各向同性，土體本構關系采用摩爾-庫倫屈服準則，土體進行彈塑性計算；

2）橋梁箱梁結構按重量、剛度等效成混凝土實心板結構，混凝土結構及旋噴樁均處于彈性階段，采用彈性計算；采用彈簧單元模擬不同深度處土層對樁的作用，通過不同彈簧剛度實現；

3）采用施工步來模擬施工過程，考慮施工過程中空間位移的變化，不考慮時間效應；

4）土體的初始應力場只計算自重應力，不考慮溫度和構造應力的影響。

2.2 計算參數選取

根據勘察報告及工程地質手冊，土體物理力學參數見表1。

隧道開挖過程是一個卸載過程，因此在計算中土體的回彈模量取值為表1中壓縮模量的5倍。

計算中除盾構隧道襯砌采用板單元模擬外，其余結構均采用實體單元模擬，各結構單元計算參數見表2。

2.3 分析步設置

主要研究旋噴樁加固條件下，盾構隧道施工和有水運營對橋梁結構變形影響，數值計算采用動態模擬施工過程，分12次開挖，施作襯砌，最后加水壓。

2.4 結果分析

2.4.1 盾構隧道施工對土體及地表位移影響

盾構施工至2#橋樁時，地表最大沉降位于隧道拱軸線上方1#橋樁處，最大沉降3.18 mm；拱頂最大下沉位于1#橋樁處，最大下沉14.96 mm。盾構穿越橋梁區域外，地表最大沉降位于隧道拱軸線上方加固區外，最大沉降3.35 mm；拱頂最大下沉位于加固區外，最大下沉16.62 mm。通水運營地表最大沉降和拱頂下沉均位于加固區外，地表最大沉降3.71 mm，拱頂最大下沉16.64 mm，加固區地表沉降和拱頂下沉均較未加固區小，盾構刀頭掘進施工瞬間，基本完成了地表沉降和拱頂下沉，后續鄰近管片施工對已安裝的盾構管片拱頂下沉和地表沉降影響較小，水壓對地表沉降幾乎沒有影響。見圖3和圖4。

由圖3和圖4可見，隧道附近存在一個強烈擾動區，土層距隧道越近受到擾動越強烈，地表沉降在垂直盾構隧道方向具有高斯曲線特征，沉降槽峰值位于盾構隧道中線上方，與隧道拱頂沉降值大于凈空收斂值相一致；高壓旋噴樁位置外側（距隧道相同距離處）地表沉降量明顯小于未加固段，這是由于高壓旋噴樁剛度遠大于土體剛度，其以附加變形的形式吸收了地層的變形，對盾構隧道施工擾動傳遞起到了一定的遮蔽作用，高壓旋噴樁加固效果明顯。

2.4.2 橋梁墩柱豎向位移

盾構隧道施工至1#橋樁，橋梁基礎豎向位移最大值為1.018 mm；盾構穿越橋梁區域外及加水壓后，1#橋樁基礎豎向位移最大值均為1.483 mm，1#橋樁沉降最大，這與1#橋樁距隧道軸線最近相一致。見圖5。

根據模型計算結果，取盾構隧道鄰近的17、18排橋樁上位移變化顯著的節點（與隧道中部約同一標高，水平距離隧道最近節點），分析在盾構隧道施工過程中橋梁樁基豎向位移變化情況。見圖6。

隧道穿越橋梁即為挖5、挖6、挖7、挖8步，開挖至1#橋樁附近時，橋樁開始下沉；隨著掘進推進至橋樁側壁，下沉急劇變大；施作管片襯砌，下沉趨緩；至工后趨于穩定。

17排橋樁所對應的1#～5#橋樁距隧道由近到遠，對應的樁基下沉由大變小，即受隧道施工影響也由強減弱。1#橋樁下沉量最大，為1.48 mm；5#橋樁下沉量最小，為0.19 mm。

18排橋樁所對應的6#～10#橋樁距隧道由遠到近，10#橋樁最大下沉量0.74 mm，6#橋樁最大沉降量0.11 mm。8#、9#、10#橋樁沉降較1#、2#、3#距隧道近，樁基沉降大。橋樁所受隧道施工的影響與17排橋樁規律相同，橋樁位移變化規律一致。

3 工程監測

采用水準觀測法對施工過程中橋墩及地表沉降進行了監測，取每天上午監測數據。見圖7。

監測數據與數值計算結果較為接近，沉降規律一致，沉降變形和差異沉降較小，均小于預設的控制值，雙重管高壓旋噴樁預加固措施對地基土加固效果明顯，較好的控制了橋樁的變形及不均勻沉降，沉降值和沉降差均可滿足橋梁對沉降的要求，能保證橋梁運營的平順與安全。

4 結論

1）隧道開挖打破了原始地應力平衡，地層內的原始地應力場發生了變化，逐漸向一個新的平衡過渡，在這個過程中，失衡的地應力由上往下從地表傳遞到隧道結構，相反整個地層的變形卻從隧道的拱頂延伸到了地表，在隧道施工影響范圍內的地層和地表將產生移動和變形，旋噴樁加固措能較好地控制施工中地層變形。

2）地表沉降及橋梁墩柱位移主要由隧道掘進施工引起的，當盾構隧道通過樁基時所引起的橋墩位移最大，隧道兩側采用旋噴樁加固隔離措施后，能有效的減小橋梁的豎向位移、地表沉降及施工擾動范圍。

3）隧道下穿橋梁施工中，在雙重管旋噴樁加固措施保護下，嚴格控制好盾構通過樁基及盾尾脫出樁基時的掘進參數，施工下穿隧道引起橋墩的位移及地表沉降均可控制在預設的變形值內，可滿足橋梁的正常運營與安全。

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作者簡介：張廣乾（1980 - ）， 男， 碩士， 陜西西安人， 高級工程師， 從事地質災害、巖土工程設計及施工工作。