摘要：现如今，随着我国经济的飞速发展，国民经济的快速增长，城市公共交通压力也随之增大。为缓解地面交通压力，优化城市规划，方便市民出行，轨道交通被广泛应用于各大城市之中。目前桩基托换施工主要采用主动托换技术，即在即有桩基卸载前，对新桩以及托换体系施加荷载，将上部荷载和变形运用顶升装置加以动态控制。本文以某地铁盾构区间下穿现有高速公路桩基工程为依托，采用有限差分数值分析软件FLAC3D建模对桩基进行安全性分析，并对现有设计、施工方案提出优化建议。
关键词：地铁;盾构下穿桥梁;桩基;安全性
引言
随着城市建设以及轨道交通建设的飞速发展，地铁盾构将不可避免的下穿现有的各种构造物，如何确保构造物的安全是不容忽视的问题。文中以某地铁盾构区间下穿现有高速公路桩基工程为依托，采用有限差分数值分析软件FLAC3D建立三维模型，通过模拟高速公路桥梁桩基托换与地铁盾构隧道开挖的全过程，分析了桥梁桩基的受力与变形、盾构隧道掘进过程中的管片受力与变形等，进而进行安全性分析，并对施工方案提出优化建议，为其他类似工程提供参考。
1工程简介
某地铁隧道区间下穿高速公路，隧道左右线间距约为9.0～22.0m，隧道结构顶板埋深为13.50～24.30m；底板埋深为19.50～30.30m，平均埋深为26.60m。设计采用盾构法施工，本区间原始地貌为海冲积平原，因城市化建设，沿线场地已经过人工改造，现状为城市道路、居民小区，地形较为平坦。区间的场地条件较复杂，两侧及顶部地面的建（构）筑物较多，场地内管线复杂，主要有电力电缆、雨水、给水、污水、燃气和路灯等。隧道下穿高速桥桩段，在揭露深度内地层自上而下有杂填土、淤泥质粉质粘土（含淤泥质砂）、粉质粘土、粉砂、细砂、 粗砂、卵石、以及花岗岩层。隧道下穿高速公路段围岩类别综合分级为Ⅵ级。
2隧道设计及施工方案
2.1隧道设计方案
隧道区间采用盾构法施工。盾构区间采用直径为6.0m圆形钢筋混凝土管片断面，隧道的净空尺寸为D=5400mm，衬砌采用预制装配式C50钢筋混凝土平板形管片单层衬砌，衬砌厚30cm。
2.2施工工序
桩基托换(1)托换承台基坑开挖与支护桩基托换临时基坑深约4.9m基坑安全等级为二级，高速左线桥桩基托换基坑采用钻孔桩加水平支撑杆形式，右线桥桩基托换施工基坑使用土钉墙作为围护结构。(2)施工托换桩和桩帽托换桩桩径均采用1.5m。(3)承台浇筑托换承台尺寸为12.0m×3.0m×3.0m，采用C35、P8级混凝土。(4)基坑回填竖井截桩预备开挖的竖井周围做双排直径0.6m的旋喷桩，咬合0.2m形成竖井开挖的止水墙。竖井内径2m，C20混凝土护壁厚20cm竖井开挖深度至盾构隧道底面以下1.2m，截桩范围为隧道拱顶以上及隧道底面以下各50cm。盾构施工桩基托换、竖井截桩等工序完成后，盾构掘进通过该段。
2.3隧道与高速公路位置关系
高速公路互通立交特大桥与地铁隧道交叉段为简支变连续的空心板梁桥，地铁下穿段下部为承台上两桩墩，墩身为圆柱形和方形两种。桩基为Φ1.2m的钻孔灌注桩，为端承桩，桩尖嵌入中等或弱风化岩层。盾构隧道下穿高速公路桥梁段共有6处冲突，分别为高速公路桥R22号桥桩2#、R23号桥桩2#及3#、R24号桥桩1#、L23号桥桩1#和L24号桥桩1#。除R23号桥3#桥桩距隧道顶8.2m，不需桩基托换外，其余5处均需桩基托换。如下图1
3结构计算分析
3.1安全控制标准
相关规范的规定公路相关规范中，没有专门针对地铁下穿公路桥梁时桥梁容许变形的条文规定，需要参考各规范中的相关内容。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）第4.3.3条，墩台的沉降，应符合下列规定：(1)相邻墩台间不均匀沉降差值（不包括施工中的沉降），不应使桥面形成大于0.2%的附加纵坡（折角）。(2)外超静定结构桥梁墩台间不均匀沉降差值，还应满足结构的受力要求。地铁下穿高速公路桥梁段安全控制标准根据上述规定并结合类似工程经验，确定地铁下穿高速桥梁段的安全控制标准如下：(1)纵向相邻墩台不均匀沉降差值，不应使桥面形成大于0.2%的附加纵坡，其值≤30mm（跨度15m）。(2)横向桥梁墩台间不均匀沉降差值，应满足墩台上盖梁的受力要求，一般不大于5mm。
3.2三维数值分析模型的建立
数值模型的建立采用有限差分数值分析软件FLAC3D进行计算，图2为建立好的三维计算模型图，其中X轴方向为水平方向、Y轴正方向为盾构隧道轴向方向、Z正方向竖直向上。建立好的模型尺寸为：100m×110m×60m，盾构隧道顶部埋深24m，三维计算模型共划分为124.3万个单元。地铁与高速高架桥为斜交关系，从高速R22、R23、R24、L23及L24五桥桩下穿过。其中R22的2#桩、R23的2#桩、R24的1#桩，L23和L24的1#桩位于即将修建的盾构隧道范围内，故对这5根桩进行了桩基托换，新建的托换桩嵌入盾构隧道两侧下部的地层中，成为新的承载体系。
3.3盾构施工过程中的拱顶沉降分析
根据靠近五处托换桩基断面位置的盾构隧道掘进过程中的管片衬砌结构的沉降变化曲线，可以看出，盾构隧道的沉降变形是随着盾构隧道施工逐渐演化的过程。在盾构隧道掘进面未达到监测断面之前，因为前方的地层损失和受掘进扰动影响，监测断面会有一定程度的先行位移。一般在盾构掘进面前方15m位置，初期沉降变形开始产生，拱顶沉降的速率随掘进里程的推进逐渐增大。盾构隧道掘进过后，由于管片衬砌的施作，隧道拱顶沉降逐渐收敛，在盾构隧道掘进过5m后，监测断面的沉降变形逐渐趋于稳定。
结语
根据计算分析，在施工前对高速桥梁进行必要的检测，作为施工期间及施工后对桥梁质量影响评定的基础信息。在施工过程中桥梁桩基及上部结构的监测，并制定相关风险控制措施。施工期间应根据实际情况与公路相关部门协调做好应急预案，确保公路运营的绝对安全，当发现危险征兆时，应立即启动应急预案。在施工时应做好地表监控量测，根据监测结果调整盾构机推进速度、掘进参数以及加强注浆技术，确保地表沉降控制在允许范围内。建议盾构推进前，应建立试验段，掌握地面沉降与盾构掘进参数之间的关系，为盾构下穿掘进参数的准确设定提供最直接的依据。该段施工结束后，对桥梁桩基沉降、托换梁变形及裂缝、地表沉降等监测内容应持续一段时间，确保监测数据收敛稳定后方可结束。
参考文献
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[3]毕经东．地铁施工中的桩基托换技术研究[D]．石家庄：石家庄铁道学院，2017．
论文作者:董加举
论文发表刊物:《建筑实践》2019年11期
论文发表时间:2019/10/30
标签：盾构论文; 桩基论文; 隧道论文; 桥桩论文; 桥梁论文; 竖井论文; 地铁论文; 《建筑实践》2019年11期论文;