砂泥岩地层双线盾构隧道近距侧穿铁路桥桩基施工优化分析*

汪海波,吴 悦,徐才厚,杨永庆,卢文东,罗柯柯

(1.中铁十局集团城市轨道交通工程有限公司,广东 广州 511493;2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,四川 成都 613000)

0 引言

近年来,我国城镇化水平稳步提升,地下空间开发利用尤其在轨道交通领域取得了长足发展。伴随着地下轨道交通建设规模不断扩张,穿越或近接诸如桥梁等既有结构物的情形越来越常见[1-5]。在这种作业风险大、控制要求高的复杂环境中,如何有效保障施工安全与施工进度,是一个颇具考验的工程问题。

针对这一问题,众多学者开展了相关研究。丁智等[6]总结了桥桩与地铁隧道的相互近接施工影响及保护措施;王国富等[7]为改善盾构隧道近距离下穿高架桥加固效果,提出了框架、三轴搅拌桩及隔离墙主动预支护技术;奚晓广等[8]从结构变形传递角度阐述了盾构超近距离穿越对高架桥墩的影响;郭现钊[9]通过理论分析与工程类比,介绍了区间隧道下穿施工引起的铁路桥梁及承台沉降情况;郭玉海等[10]借助数值模拟与室内试验,得出了适用于下穿高架桥梁的盾构掘进参数;杨晓杰等[11]基于有限差分法,揭示了浅埋暗挖隧道近距离穿越基础施工引起的桩基承载力变化规律。目前上述研究在盾构近距穿越桥桩方面已取得了丰硕成果,但以砂泥岩地层双线盾构隧道为对象,分析其近接桩基施工优化的研究仍较为罕见。

鉴于此,依托成都轨道交通13号线一期工程中间风井—公园大道站区间,针对该区间长距离穿越砂泥岩地层且近距离侧穿成昆铁路货运专线桥,提出了一套相适应的施工设计方案,并结合数值模拟与现场实测,展开了有关隧道开挖顺序与加固措施的优化研究,验证了施工方案可行性,对类似双线盾构隧道近接桥桩工程具有实践参考意义。

1 工程与地质条件

1.1 区间侧穿铁路桥概况

成都轨道交通13号线一期工程三公区间中间风井—公园大道站区间起于中间风井,沿成龙大道北侧下方铺设,穿过DN2 400排水管、绕城高速、成龙大道人行天桥、成龙大道桥、侧穿成昆铁路货运专线桥桥桩,下穿高压燃气管后进入公园大道站。其中区间隧道通过成昆铁路桥时为小间距施工,盾构掘进风险大且桥墩沉降控制要求高,是本工程施工面临的重难点之一。

成昆铁路货运专线桥全长1 655.70m,主跨采用68m系杆拱跨越成龙路,采用双线T形空心桥台及基础采用摩擦桩型基础。1号墩桥桩长35m、桩径为1.5m,2号墩桥桩长37m、桩径为1.5m。隧道埋深约为11.6m,隧道距离铁路桥桩最小净距为6.56m,区间隧道与成昆铁路货运专线桥相对位置如图1所示。

图1 区间隧道与成昆铁路货运桥相对位置

1.2 砂泥岩地层风险评价

根据勘察报告显示,区间隧道侧穿成昆铁路桥施工段的地层主要包括中风化泥岩、强风化砂岩及中风化砂岩。中风化泥岩为极软岩,层厚3.2～18.9m,是隧道盾构施工的主要地层,该层属弱透水层,在长期地质作用下,泥岩软化、崩解,局部沿泥岩结构面发生差异风化,形成泥岩软弱夹层,在盾构施工过程中易出现刀盘结饼现象,甚至引起开挖面失稳坍塌;强风化砂岩结构破碎,层厚0.8～7.0m,具有遇水膨胀和失水开裂收缩的特性,但该层涵盖较少,对隧道施工影响较小;中风化砂岩均匀性及连续性较好,层厚4.5～16.8m,较坚硬,部分处于隧道盾构施工范围,风险性相对较小。

2 施工设计方案

三公区间中间风井—公园大道站区间隧道需长距离穿越砂泥岩地层,且近距离侧穿成昆铁路货运专线桥,施工难度大,施工工艺要求高。为保证该段工程成功实施,针对本工程风险源及地层特点,采取以下技术措施。

1)合理选择盾构类型 ①基于成都地铁施工经验,选用2台盾构机,刀盘开口率均为34%,保证在对前方土体形成足够支撑的前提下减小刀盘与砂泥岩间的摩擦;②刀盘刀具含有碳化钨和二氧化钴合金材料,切削轨迹部分重叠,有效切削砂泥岩质渣土;③螺旋输送机叶片及筒体堆焊安装有钢板衬块,提高输送机耐磨性;④盾构机配备有泡沫系统、膨润土系统和外循环水系统等碴土改良系统,增强碴土流动性。

2)灵活调整盾构掘进参数 ①降低刀盘转速,减轻与砂岩的碰撞冲击,减小盾构掘进对地层的扰动;②适当降低掘进速度,保证良好的盾构姿态与掘进方向;③降低螺旋输送机转速,添加聚合物,减小砂岩对螺旋输送机的磨损;④适当加大同步注浆量,动态及时二次补充注浆,控制桥桩沉降。

3)严格执行穿越施工步骤 ①穿越前,利用地质雷达地下勘探,掌握地下障碍物情况。管片姿态须调整到位,避免向上抬头、蛇行摆动;②盾构应匀速、连续穿越桥区,在穿越范围内不停机;③合理控制盾构掘进参数,保持开挖面的平衡与稳定;④盾构通过后及时注浆,注意注浆量与注浆压力变化。

4)增设隔离桩(见图2) 在成昆铁路桥桩与区间双线盾构隧道间设置隔离桩隔断地层沉降槽,隔离桩采用钻孔灌注桩,直径0.8m,桩间距1.4m,桩长度深入至区间隧道结构底板以下4m,距离隧道结构约1.2m布置,在桩顶设宽0.8m、高0.8m冠梁,将所有灌注桩连为整体。隔离桩施作时加大桩体跳作间隔,减少对地层扰动。

图2 区间盾构隧道侧穿铁路桥加固措施

5)沿洞周注浆加固(见图2) 在管片上增设注浆孔、预埋注浆管,根据地质及掘进情况,选择合适时机对左、右线隧道周边一定范围内(上半断面1m)地层进行洞内补强注浆加固,及时填充盾构掘进引起的地层空隙或松散区域。浆液采用水泥浆液,注浆压力≤0.5MPa。

6)加强监控量测 盾构穿越铁路桥时,必须实时对桥梁结构与地面变形进行监控,并将量测数据及时反馈于现场施工,确保施工安全与工程顺利推进。

3 数值模拟

在数值模拟阶段,采用有限差分软件FLAC3D,基于以下各项假定建立双线盾构隧道-铁路桥-地层三维数值模型。

1)为避免模型边界效应干扰,取模型长150m(x方向)、宽50m(y方向)、高55m(z方向)。其中隧道管片外径8.3m、厚0.4m;铁路桥0号墩含8根桩,1,2号桥墩含12根桩,桩基上设置有桥面板。桩基础采用pile结构单元,桩单元与周围岩土间力学效应由剪切弹簧及法向弹簧模拟[12]。整体数值模型如图3所示,各结构材料物理参数如表1所示。

表1 各结构材料物理参数

图3 三维数值模型(单位:m)

2)模型砂泥岩地层呈匀质水平层状分布,服从莫尔-库仑屈服准则,各岩土层物理力学参数如表2所示。

表2 岩土体物理力学参数

3)模型上表面自由,四周均为法向边界约束;荷载方面除自重外,在桥面板设置10kPa均布荷载。

4)模型中应用fish循环语句实现隧道开挖,模拟过程如下:先钝化待开挖土体,再激活对应位置盾壳单元,并激活盾尾处管片单元与注浆等代层单元,如此循环作业直至隧道侧穿过铁路桥桩基。

5)考虑到距隧道较远的2号墩受影响有限,模型仅在0,1号墩上设置特征监测点(A～E),如图4所示。

图4 监测点布置

3.1 施工顺序优化

区间隧道左右线近距侧穿铁路桥桩基条件存在差异,采取不同施工顺序会对周围桩基础产生不同叠加影响。基于数值模型的建立,改变区间双线隧道开挖顺序,得到左右线同时开挖、右线先开挖与左线先开挖时各监测桩基x方向位移与y方向弯矩随埋深变化曲线,分别如图5,6所示。

图5 桩基侧向位移随埋深变化

由图5可知,位于两隧道一侧的0号墩A,B桩在管片注浆压力与上覆土重力等影响下随埋深逐渐向同侧偏移。其中,先开挖右线隧道与双线隧道同时开挖较先开挖左线隧道产生的变形量更小,这是因为0号墩距左线更近,左线先开挖时已形成初次较大扰动,右线再开挖时在周围土体松散情况下更易加大桩基偏位程度。位于两隧道间的1号墩C,E桩沿x方向位移随埋深呈单峰型分布,最大挤压位移产生在隧道中心所在附近深度,D桩则在两侧隧道开挖中侧向变形相对较小。其中,对于靠近左线的C桩而言,先开挖右线隧道时最接近于桩基初始中心线位置;对于靠近右线的E桩而言,先开挖左线隧道时侧向位移情况最优。综合本工程各桩基侧向位移表现,先开挖左线时桩基整体变形量最大,同时开挖与先开挖右线时桩基位移变化在施工中更易控制。

由图6可知,左线先开挖、同时开挖、右线先开挖引起的A桩最大y方向弯矩依次减小,分别为177.72,118.13,111.4kN·m。B桩亦是右线先开挖时最优,最大弯矩相比于左线先开挖时减小约44.7%。同时可以发现,两隧道间桩基弯矩远大于在两隧道一侧桩基,但施工顺序对该区域桩基弯矩影响较小,3种开挖顺序下两隧道间桩基弯矩分布规律一致且相对弯矩差距不大。

图6 桩基弯矩随埋深变化

3.2 加固措施比选

施工顺序优化分析表明,采用右线先行开挖时桩基受力变形最佳。为进一步提高近接桩基施工时地层稳定性,根据施工设计方案,建立壁后注浆、钻孔灌注桩隔离、注浆+隔离桩3种加固工况,得到图7所示各工况在右线先行开挖下的地表沉降。

图7 地表沉降云图

由图7可知,采用注浆+隔离桩措施总体加固效果最好,地表沉降与地表隆起最大值较无加固工况分别减小了7.8%,8.6%。相比于采用单措施工况,综合加固措施兼有注浆地层强化作用与隔离桩阻断效应,不仅有效减小了双线隧道穿越区段地表危险沉降量、缩小了地表较大沉降范围,还能改善双线隧道中夹岩隆起现象。

4 现场实测

在现场施工中,基于数值模拟结果并考虑到工期经济性、场地制约要求等因素,中间风井—公园大道站区间双线盾构隧道确定采用先右、后左开挖顺序,并以注浆+隔离桩综合方案加固。为监控下穿施工时铁路桥变化,在成昆铁路货运专线桥墩顶处安装压差式静力水准仪与倾角仪(见图8a,8b),分别进行桥墩竖向位移与水平位移自动监测。当自动化监测数据出现预警时,采用L形棱镜(见图8c)对既有线铁路桥墩位移进行竖向、纵向、横向人工监测复核。各仪器监测点平面布置如图9所示。

图8 现场测量仪器

图9 测点平面布置

鉴于既有线铁路属于国家重点运输线路,参考TB 10314—2021《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》,本工程采用监测控制基准为:当竖向位移静态累计值为-4.8～1.8mm、水平位移静态累计值为-4.2～4.2mm时,判定处于安全状态。按下穿期间每天12次,其余每天1～4次监测频率,汇总整体监测数据,得到表3所示桥墩各项位移最值结果。

表3 桥墩位移监测结果

由表3可知,桥墩竖向位移与水平位移基本稳定,未超过预警指标且均<1mm。这表明区间隧道通过铁路桥期间,铁路处于安全状态,铁路保护范围内施工作业未违规,铁路监测设备未损坏。因此,针对本工程砂泥岩地层双线盾构隧道近距侧穿铁路桥桩基的施工设计方案可行有效。

5 结语

1)针对砂泥岩地层与近接桥桩风险性,结合工程实际,提出了关于盾构选型、盾构掘进参数、穿越施工加固与监测等方面的建议与措施。

2)双线隧道中,距离桩基更近的隧道先行开挖时,对该桩基侧向位移控制最不利,位于两隧道一侧的桩基弯矩亦受靠近隧道先行开挖的影响最大。两隧道间桩基弯矩水平远大于两侧桩基,但施工顺序对该区域桩基弯矩影响较小。本工程中先开挖右线时桩基结构整体变形、应力情况最优。

3)注浆+隔离桩综合加固措施适宜用于盾构隧道近距离侧穿桥桩工程,注浆强化作用与隔离桩阻断效应协同改善了地表危险沉降值、地表较大沉降范围与隧道间夹岩隆起现象。

4)现场监测中桥墩竖向位移与水平位移基本稳定,未超过预警指标且均<1mm,表明工程施工设计方案实际控制效果良好。