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盾构施工不同加固措施对临近高架桥桩基影响研究

（华北水利水电大学水利学院）

1引言
随着人口的日益增长，以往的城市交通出行方式已经不能满足人们的出行需求。地铁以其安全舒适、运行速度快、占用空间少等优点，日益成为大城市的理想交通方式。盾构法施工是地铁施工最常见的方式。但城市地铁盾构施工往往会导致临近土体变形，进而使已有桥梁桩基产生一定位移，因此在实际施工时需采取措施进行加固。
目前，越来越多的学者对这些问题进行研究，并提出多种可行的方法与方案。常用的方法有现场实测分析研究、模型试验研究、解析法研究和数值计算研究。该文以南京地铁6号线为例，采用有限元数值模拟分析方法，分析研究采取隔离桩、注浆及纵向支撑加固3种方式下盾构施工对临近高架桥桩基的影响。
2工程概况
南京城市轨道机场线段为南京地铁6号线的重要组成部分。下穿段地铁隧道里程为YCK33+530．23~YC33+676．40，长约150m，与4#、5#盾构井距离分别为450、1100m。下穿段京沪高铁高架桥上部结构为四跨(20+34+34+20)m预应力钢筋混凝土连续箱梁，单箱三室截面，梁高2.7m，梁底宽18.2m，梁顶宽19.2m，盾构隧道从中间两跨穿越。
该范围土层类型分别为素填土、粉质黏土、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩，各土层参数见表1。

3计算模型及模拟方法
3.1计算模型
建立京沪高铁高架桥桩基、盾构隧道和钻孔灌注桩三维有限元模型，采用数值模拟分别计算３种加固方式对已有桥梁桩基位移的影响。为了消除边界效应，模型的计算土层区150m×50m×70m。桥梁桩基、承台、隧道衬砌和中风化泥质粉砂岩为线弹性材料，其余土体采用Mohr－Coulomb弹塑性屈服准则，土层计算参数见表1。模型底部施加完全固定约束，两侧施加竖直滑动约束，模型表面为自由边界，桩顶和承台刚结。桥梁桩基、承台和隧道管片的弹性模量和泊松比均取30GPa和0.2，模拟开挖时先左线隧道开挖，再右线隧道开挖。建立的模型如图1所示。

3.2盾构施工的计算模拟方法
为了研究3种加固方式的加固效果，采用有限元软件建立下部结构模型，首先将计算所得荷载施加于承台顶面，计算得出桩基和穿越土层的初始应力状态，根据隧道埋深、土层工程性质计算出应力释放系数，然后再进行分步开挖模拟，分析盾构施工对铁路高架桥基础承台和桩基变形的影响。为了计算方便，模型中只包括桥梁承台、盾构隧道、桩基和周围土体，桥梁上部结构以及列车运营的影响换算为荷载施加在承台上。荷载计算见表2。

根据隧道所穿越土层工程性质可知：盾构隧道全断面穿越K1g-3中风化泥质粉砂岩，隧道拱顶与K1g-3、K1g-2分界面的最近距离为2.6m，K1g-3中风化泥质粉砂岩风化程度较弱，岩芯较完整，单轴抗压强度11.4MPa，压缩模量1416MPa，地基基本承载力为1300KPa，具有良好的工程性质，因此采用应力释放率模拟计算盾构施工引起的桩基变形。

4加固方案及结果分析
4.1加固方案
4.1.1隔离桩施工
考虑到隧道与桥梁桩基较近，而桥梁下部净空有限，大型机械施工难度较大，故考虑采用桩径为1.0m和1.5m隔离桩施工，隔离防护桩距盾构隧道管片外侧净距1.0m，桩长为从地面起至盾构隧道底部管片外侧以下1~3m，隔离防护桩两两之间净距为0.5m，1.0、1.5m隔离防护桩与桥梁桩基的最近距离分别为4.75、4.25m。
该工程若采用钻孔灌注桩作为隔离防护桩，钻机采用反循环钻机施工，主要通过钻头低速旋转磨碎岩石，依靠钻头自身重力向下钻进，磨碎岩石通过泥浆循环溢出钻孔，采用跳桩法施工隔离防护桩。隔离桩平面布置图见图2。

4.1.2注浆加固
注浆加固方案平面布置如图3所示，深度为自地表以下至强风化泥质砂岩顶面，顺桥向为距承台两侧3m以内的范围（阴影部分）进行注浆加固，横桥向为超出桥墩两侧各3m。

4.1.3纵梁横撑加固
为控制盾构隧道施工对桥梁桩基的影响，现对桥梁承台进行纵梁及横撑加固，主要限制其发生水平位移。1#纵梁截面尺寸为2m×2m，2#、3#、4#纵梁截面尺寸均为2m×3m，均紧挨各桥墩承台，横桥向长度与各承台一致，1#横撑截面尺寸为1.0m×1.0m，2#横撑截面尺寸为1.0m×2.2m，设置3道横撑，横向间距6.0m。横撑加固布置图见图4。

4.2加固方案结果分析
4.2.1隔离桩施工结果分析
现研究直径1.5m钻孔灌注桩对称施工的方法，即按照2#、4#、1#、3#隔离防护桩施工顺序，每排隔离防护桩采用跳桩法施工，施工完成后，再进行左、右线盾构隧道开挖。分别考虑两种工况来研究隔离桩隔离效果：工况1：桥梁桩基和隔离防护桩同时施工，然后进行盾构隧道开挖；工况2：在现有临近桥梁存在的情况下，先施工隔离防护桩，再进行盾构隧道的开挖。建立三维有限元模型，采用应力边界条件模拟钻孔灌注桩施工和盾构隧道的开挖，两种工况及未设隔离桩盾构开挖计算结果见表3。

将承台桩基建立有限元模型，采用应力释放模拟隧道开挖过程，取京沪高铁距离左、右线最近的5#、6#桩作为研究对象。由表3可知：①工况1时5#、6#桩基水平位移及桩顶沉降相对小一些，说明工况1下设置隔离桩起到了一定作用；②设置隔离桩施工后，不管是桩基的水平位移还是桩顶沉降都不如未设置隔离桩产生的效果；在设置隔离桩情况下，桩基产生向着隧道方向的水平0.41mm，而未设置隔离桩时仅产生背离隧道方向的0.27mm水平位移，说明在工况2下设置隔离桩效果不好，然而该工程在实际施工中采用工况2所列的施工工艺，计算结果说明此次采用隔离桩施工不合适。
4.2.2注浆加固方案结果分析
取京沪高速铁路距隧道最近的5#、6#桩进行分析，图5分别为未注浆加固和注浆加固情况下隧道开挖完成后5#、6#桩的水平位移。由图5可知：在注浆加固后，桩水平方向的位移在桩顶以下22m左右的范围内明显减小，22m以下桩基水平位移变化不明显，在桩顶下4m处减小量达到最大，分别为50%和55%，对应的37#、38#墩顶水平位移分别减小了33%和37%，由此可见注浆加固能够有效地减小桩体的水平位移。

4.2.3纵向支撑加固方案结果分析
(1)桩基变形
将承台桩基建立有限元模型，采用应力释放模拟隧道开挖过程，取京沪高铁距离左、右线最近的5#、6#桩，图6分别为未加固和横撑加固情况下隧道开挖完成后的5#、6#桩的水平位移分布图。由图6可知：在采用横撑加固后，在桩顶以下桩体水平位移均有所减小，20m以下桩体水平位移基本无变化，的5#、6#桩桩顶水平位移分别减小了36%和29%，在桩顶下4m处减小量达到最大，分别为46%和42%对应的的37#、38#墩顶水平位移分别减小了31%和27%，可知采用横撑加固起到了一定的作用。

(2)横撑安全性分析
考虑到隧道开挖后横撑的安全，建立有限元模型，对隧道开挖后横撑的受力进行了研究，隧道开挖完成后，的1#横撑最大轴力为40.3KN，最大弯矩为16.20KN·m，2#横撑最大轴力62.7KN，最大弯矩44.8KN·m，根据TB1002.3-2005《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土规范》中5.2.6条进行计算，可知1#、2#横撑混凝土的最大压应力分别为12.6、26.9KPa，均满足偏心受压混凝土容许压应力［σｂ］＝10MPa，说明隧道开挖后，横撑安全性满足要求。
5主要结论与建议
(1)在采取隔离桩施工后，不管是桩基的水平位移还是桩顶沉降都比未设置隔离桩大；在设置隔离桩情况下，桩基产生向着隧道方向的水平位移0.41mm，而未设置隔离桩时仅产生背离隧道方向的0.27mm水平位移，说明在工况2下设置隔离桩效果不好，然而该工程在实际施工中采用工况2所列的施工工艺，故此次采用隔离桩施工不合适。
(2)注浆加固后，在桩顶以下约22m的范围内桩体水平位移均有所减小，22m以下桩体水平位移基本无变化，5#、6#桩桩顶水平位移分别减小了39%和42%，在桩顶下4m处减小量达到最大，分别为50%和55%，对应的37#、38#墩顶水平位移分别减小了33%和37%，可知采用注浆加固起到了一定作用。
(3)采用横撑加固后，在桩顶以下桩体水平位移均有所减小，20m以下桩体水平位移基本无变化，5#、6#桩桩顶水平位移分别减小了36%和29%，在桩顶下4m处减小量达到最大，分别为46%和42%，对应的37#、38#墩顶水平位移分别减小了31%和27%，由此可知：采用横撑加固桩体的水平位移也有明显减小。
文章来源：（中国知网）

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