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双线盾构隧道下穿桥梁桩基托换施作时机的影响研究

2024-07-22 67 上传者：管理员

摘要：为了探讨既有桩基侵入盾构隧道开挖面时，桩基主动托换和双线隧道先后开挖的不同施工顺序对托换结构的影响，以成都市轨道交通17号线二期工程起点—阳公桥站区间盾构隧道下穿既有立交桥为工程背景，通过数值模拟的方法，分析不同施工顺序对托换梁沉降和倾斜，以及托换基桩位移和受力的影响。结果表明：当先进行桩基主动托换施工、再开挖托换结构外侧的隧道、最后开挖托换结构下方的隧道时，对托换结构的影响最小，两条隧道之间的托换基桩受力和水平位移小于另一侧的托换基桩，竖向位移则相反。研究有助于确定最佳的桩基托换和隧道开挖施工顺序。

关键词：
下穿施工
侧向位移
双线隧道
施工顺序
桩基托换
沉降变形
盾构隧道
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随着城市地铁的不断发展，新建地铁隧道下穿既有桥梁的情况频繁发生，甚至出现桥梁基桩侵入到隧道开挖面的现象。此时，需要对侵入隧道内的基桩采用桩基托换，通常选择主动托换技术。而城市地铁隧道往往不以单孔隧道的形式出现，绝大多数地铁隧道是在同一埋深地层中平行修建两条地铁隧道，而双孔平行隧道施工会对周围结构产生明显的叠加效应，使得基桩产生较大侧向位移和沉降变形，变形传递至上部结构，可能会对道路交通安全造成不利影响。

刘记[1]选取深圳地铁某区间双线隧道下穿桥梁为研究对象，通过数值模拟的方法对比了先开挖左线和先开挖右线两种工况。王伟等[2]以长沙地铁某区间双线隧道穿越高架桥桩基为背景，分析双线隧道不同掘进顺序对桩基的影响。乔世杰等[3]探讨双线隧道依次下穿时对桥桩变形和地面沉降的影响。康佩等[4]以北京地铁14号线双线隧道下穿既有桥梁工程为背景，研究了区间隧道左右线采用不同断面形式(左侧大断面采用双侧壁导坑法，右侧小断面采用CRD法)时，不同开挖顺序对地表沉降的影响。丁智[5]基于Sagaseta纵向地表变形公式，推导出一个考虑双线隧道开挖影响区内地基、基础和结构共同作用的力学模型。通过分析已有的成果可知，现有的研究大多集中于双线隧道下穿既有桥梁的施工顺序分析，而针对桩基主动托换时，桩基主动托换和双线隧道先后开挖的施工顺序少有人关注，本文即针对此问题开展研究。

1、工程概况

1.1工程简介

成都市轨道交通17号线二期工程起点—阳公桥站区间隧道采用盾构法施工，隧道管片采用C50钢筋混凝土，错缝拼装。管片外径8.3 m、内径7.5 m、环宽1.5 m、厚度0.4 m,双线隧道线间距20 m。下穿立交桥匝道时隧道埋深16 m,立交桥匝道中B28桥台下方的左侧基桩侵入到右线隧道内，B28桩基与隧道位置关系如图1所示。

B28桩基础中承台尺寸为9 m×3 m×2 m,基桩直径1.5 m,长18 m,共2根基桩，采用C40混凝土。拟采用主动托换技术进行桩基托换，托换梁尺寸为19.4 m×3.4 m×3.0 m,托换梁中加入预应力钢束；托换基桩直径为1.8 m,长30 m,共2根基桩；采用C50混凝土。

1.2地层参数

根据地质勘查报告可知，盾构区间隧道下穿立交桥时，所处地层自上而下分别是：杂填土、粉质黏土、稍密卵石土和密实卵石土，隧道主要穿越地层为密实卵石土。盾构隧道下穿立交桥地层分层情况如表1所示。

1.3安全控制标准

依据盾构隧道下穿立交桥桩基托换的施工方案，根据有关规范的规定，并结合现场实际情况，确定了盾构隧道下穿施工过程中桥梁位移的安全控制标准：桥台的沉降控制值为±5mm,倾斜度控制值为2‰。

表1地层参数及分层情况

此外，将控制标准值的70%设置为安全预警值，如果某一指标达到安全预警值，则代表这一指标的风险较大，应引起重视并重点监测。

2、数值模拟方案

2.1计算方案设计

为了探讨桩基主动托换和双线隧道开挖顺序对上部托换结构的影响，本文设计出3种施工方案：方案1,桩基主动托换施工完成后，先开挖左线隧道再开挖右线隧道；方案2,桩基主动托换施工完成后，先开挖右线隧道再开挖左线隧道；方案3,先开挖左线隧道，再进行桩基主动托换施工，最后开挖右线隧道。

2.2数值模型建立

根据圣维南原理，综合考虑模型的空间效应，模型最终尺寸为130 m×60 m×60 m,三维计算模型如图2所示，共划分53 288个单元，30 300个节点。模型采用位移边界约束，底部为固定边界，限制水平及垂直方向的位移，模型四周限制其法向位移，模型的上部自由边界。托换后的基桩编号如图3所示。

模型中土体、管片、注浆层和承台均采用实体单元模拟；盾壳采用板单元模拟；基桩采用一维梁单元模拟，为了有效模拟桩土之间的相互作用，在梁单元的基础上再加界面单元。

图1 B28桩基与隧道位置关系

图2三维计算模型

图3托换基桩编号

2.3计算参数确定

土体本构选用修正摩尔-库伦模型，其参数取值见表1。考虑到管片螺栓拼接的影响，将管片的弹性模量按0.85[6]的系数折减。考虑到同步注浆的浆液随时间发生硬化现象，将同步注浆定性为两种状态：软注浆液与硬注浆液，注浆浆液参数参考盾构隧道施工同步注浆材料弹性模量随时间的变化取值[7]。模型中材料参数如表2所示。

表2材料参数

根据轨道交通桩基托换工程提供的上部桥梁资料，确定上部荷载的取值为16 163.6 kN。

2.4施工过程模拟

主动托换的施工过程：首先进行原场地应力分析，地层位移清零；激活原有基桩及其界面单元和原有承台，施加上部荷载，位移清零；再激活托换基桩及其界面单元；接着激活支撑结构，同时激活托换梁；随后施加顶升荷载，每根托换基桩上的顶升荷载为11 150 kN,顶升荷载分10次进行，每次施加10%的顶升荷载，直到施加100%的顶升荷载结束；改变支撑结构属性；钝化原有基桩及其界面单元；卸载阶段，对千斤顶分5次进行卸载，每次卸载20%顶升荷载；卸载完成后，激活托换梁与托换基桩之间其余空隙的实体单元。

盾构隧道开挖过程模拟：盾构每步开挖1.5 m,盾构隧道被分为40环，分40步进行开挖；开挖第一环，激活第一环的盾壳；开挖第二环，激活第二环的盾壳，同时钝化第一环的盾壳，激活第一环的管片和软注浆液；继续向后开挖5环后，将软注浆液改为硬注浆液；重复上述步骤，直至一条隧道开挖结束。

双线盾构隧道开挖时先开挖一条隧道，施工完成后再开挖另一条隧道。

3、计算结果分析

3.1托换梁位移分析

3种方案施工完成后，将计算结果提取于表3中。由于平行于隧道开挖方向沉降差较小，托换梁倾斜度提取和计算垂直于隧道方向倾斜度。

表3托换梁的中心沉降和倾斜度

从表3中可以看出，不同方案施工结束后，引起托换梁的沉降量和倾斜度从小到大依次为：方案1、方案2、方案3。方案1中引起托换梁中心沉降为-1.45 mm,是3种方案中的最小沉降值；方案3中承台倾斜度为0.013‰,是3种方案中对托换梁倾斜度影响最小的方案。

3.2托换基桩竖向位移分析

3种方案施工完成后，2根托换基桩的竖向位移计算云图如图4所示。最大竖向位移在桩底位置处，将最大竖向位移结果提取于表4中。

从表4中可以看出，方案1和方案2中①号托换基桩的最大竖向位移大于②号托换基桩，这是由于①号托换基桩处于两条隧道之间，其竖向位移受左右隧道开挖的叠加影响；先进行桩基托换施工后，左线隧道开挖时托换结构对②号基桩产生了遮拦效应，使②号托换基桩受左线隧道开挖影响较小。方案3中2根托换基桩的竖向位移相差不大。总体来看，方案1的施工顺序对托换基桩竖向位移影响最小。

图4托换基桩竖向位移计算云图

表4托换基桩最大竖向位移

3.3托换基桩水平位移分析

3种方案施工完成后，2根托换基桩的最大水平位移在隧道开挖面中心高度位置处，将最大水平位移结果提取于表5中，其中“-”表示向左平移，“+”表示向右平移。

表5托换基桩最大水平位移

从表5中可以看出，方案1和方案2中①号托换基桩的最大水平位移小于②号托换基桩，而方案3中2根托换基桩的最大水平位移相差不大。由表5中数据可知，方案1的施工顺序对托换基桩水平位移影响最小。

3.4托换基桩轴力分析

3种方案施工完成后，2根托换基桩的轴力计算云图如图5所示。最大轴力在隧道开挖面中心高度位置处，将最大轴力结果提取于表6中。

从表6可以看出，方案1和方案2中①号托换基桩的最大轴力小于②号托换基桩，而方案3中2根托换基桩的最大轴力相差不大；且方案1的施工顺序对托换基桩轴力影响最小。

图5托换基桩轴力计算云图

表6托换基桩最大轴力

3.5托换基桩弯矩分析

3种方案施工完成后，2根托换基桩的最大弯矩在隧道开挖面中心高度位置处，将最大弯矩结果提取于表7中。

表7托换基桩最大弯矩

从表7可以看出，方案1和方案2中①号托换基桩的最大弯矩小于②号托换基桩，而方案3中2根托换基桩的最大弯矩相差不大。由表中数据可知，方案1的施工顺序对托换基桩弯矩影响最小。

3.6施工方案确定

通过上面的分析可以发现，3种方案施工完成后，托换梁中心沉降和倾斜度均未超过安全控制标准值，方案3对托换梁倾斜度影响最小。在托换结构位移和受力方面，方案1的施工顺序对其产生的影响最小，且此时托换梁倾斜度和方案3相差也不大。这是由于先进行桩基主动托换，桥梁桩基础转变为托换结构，后续隧道开挖对托换结构产生的影响较小。因此，对于桩基主动托换技术和双线隧道下穿同时存在的施工，推荐方案1的施工顺序，即先进行桩基主动托换施工，再开挖托换结构外侧的隧道，最后开挖托换结构下方的隧道。

4、推荐方案分析

对推荐方案(即方案1)做进一步分析，托换结构承载力和位移发生变化将直接反映到桥台上，因此，重点分析桥台的位移变化。桩基主动托换后，桥台具有少量的向上位移，为+0.26 mm,后续隧道开挖对桥台产生向下的位移，提取桥台在左线隧道和右线隧道开挖后的中心竖向位移累计值，并计算每个施工阶段的位移增量在总位移中的占比，将结果汇总于表8中。

表8不同施工阶段位移增量在总位移中的占比

从表8中可以看出，左线隧道施工后，位移增量占总位移值的28%;右线隧道施工后，桥台位移达到最大沉降值，为-1.49 mm,此时位移增量占总位移值的72%,是隧道开挖阶段中占比最大的阶段。由此可见，托换结构下方的隧道开挖是对桥台影响最大的施工阶段，施工中应注意对盾构机的掘进控制，并加强施工监测。

5、工程实施效果

5.1监测点布置

成都市轨道交通17号线二期工程起点—阳公桥站区间隧道下穿既有立交桥匝道施工过程中，根据以上分析结果，确定下穿段内先进行桩基主动托换施工，而后开挖左线隧道，最后开挖右线隧道的施工顺序。根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50308-2013),结合桩基主动托换技术施工特点，在桥台的四个角位置处布置4个监测点(BCT1-1、BCT1-2、BCT1-3和BCT1-4),现场采用天宝水准仪监测桥台的竖向位移。桩基托换监测点布置如图6所示。

图6桩基托换监测点布置(单位：mm)

5.2数值模拟结果与现场实测数据对比

桩基托换和盾构隧道下穿施工完成后，通过对立交桥匝道的现场实际考察，未发现对桥梁的正常通行造成影响，现场监测数据也在可控范围之内。

为了更好地对比现场实测值与数值模拟的结果，在数值模型中提取桥台4个测点随着双线隧道开挖引起的沉降值，4个测点的变化类似，其部分对比结果如图7所示。

根据图7可知，随着双线隧道的开挖，桥台4个测点的沉降值在不断增加；桩基主动托换施工后，桥台具有少量向上的位移，托换结构外侧的隧道(即左线隧道)开挖对桥台沉降影响较小，托换结构之下的隧道(右线隧道)开挖对桥台影响较大。数值模拟结果与实测数据的差异较小，趋势也基本相同。

6、结论

(1)先进行桩基主动托换施工，再开挖托换结构外侧的隧道，最后开挖托换结构下方的隧道(即方案1)时，施工对托换结构的影响最小；采用该方案时，托换结构下方隧道开挖对托换结构沉降的影响最大。

图7桥台监测点对比

(2)先进行桩基主动托换施工，再先后开挖盾构隧道(即方案1和方案2)时，两条隧道之间的托换基桩竖向位移大于另一侧的托换基桩，而其受力和水平位移则小于另一侧的托换基桩。

(3)先开挖托换结构外侧的盾构隧道，再进行桩基主动托换施工，然后开挖托换结构下方的盾构隧道(即方案3)时，两个托换基桩的受力和位移相差不大。

参考文献:

[1]刘记.盾构隧道下穿对高铁桥梁稳定性影响分析[J].铁道建筑技术,2018(6):56-58,114.