【摘 要】：郑州市轨道交通3号线一期工程通泰路站～中州大道站盾构区间侧穿中州大道立交桥桩，水平净距最小1.482m，采用有限元分析软件建立三维实体模型，对地铁盾构区间掘进近距离侧穿城市高架桥桩的施工过程进行模拟，根据模拟计算和分析提出预加固处理方案。
【关键词】：盾构隧道，侧穿桥桩，预加固
1 工程概况
1.1 简介
郑州市轨道交通3号线一期工程通泰路站～中州大道站区间左右线均穿越中州大道跨郑汴路立交桥。郑汴路中州大道立交桥横跨郑汴路南北设置，上部结构为18.34m+5×24m+5×30m+5×24m+18.4m现浇连续箱型梁桥，下部结构为独墩或双柱式桥墩、双柱式桥台，钻孔灌注桩基础。桥面总宽度为33.9m，共分为三幅，布置形式为：0.5m护栏+7.5m行车道+0.75m分隔带+16.5m行车道+0.75m分隔带+7.5m行车道+0.5m护栏。中州大道立交桥桥桩桩径1.8m，为摩擦桩，区间隧道从中州大道桥桩单跨间穿过（9#、10#），距离9#-4、10#-1最近，分别为1.886m、1.482m。.png)
图1 区间隧道与桥桩平面布置图 图2 区间隧道与桥桩剖面图
1.2 工程地质及水文条件
根据区域地质资料及初步勘察成果，本场地所属地貌单元为黄河冲洪积平原（A区）。地层参数如下。
表1 岩土物理力学参数表
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本场地详勘阶段地下水位埋深7.2～8.3m，水位标高为85.18～86.23m，本场地地下水位年变幅约1～2m，本场地历史最高水位标高约90.5m，近3～5年最高水位标高约88.0m。
2 控制标准
中州大道上跨郑汴路立交桥为城市高架桥、立交桥主桥（连续箱梁），故重要性等级为一级，其监控项目及控制标准如下：
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为有效控制沉降，制定桩基沉降警戒值为极限值的80%作为控制标准，桩基沉降预警值为极限值的40%作为控制标准。
3 盾构施工对高架桥桩的安全性分析
3.1 计算模型
三维建模沿中州大道方向取整个连续梁100m，沿盾构方向取边界桥桩前后各50m。
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图3 三维模型 图4 区间隧道与中州大道立交桥位置关系图
3.2 计算分析
为简化分析，不考虑土体流变与混凝土蠕变以及地下水的影响，同时，盾构隧道圆形开挖面上应力释放为10％；不考虑盾构管片与围岩之间空隙同步注浆及二次注浆[1]。根据荷载规范，地面超载取20kPa，均匀施加于模型顶面。模型侧面施加水平约束，底部施加竖向竖向位移约束。由于岩土材料物理力学特性较为复杂，本次模拟分析假设：
1）围岩材料为均质、各向同性的连续介质[2]；
2）初始应力场仅考虑自重影响；土层本构模型采用摩尔库伦模型，隧道管片及高架桥采用线弹性模型。
施工工况如下：1）激活土层，初始地应力生成，位移清零；2）模拟桥桩施工；3）位移场清零；4）模拟盾构掘进与管片施工；5）提取计算结果。
图5 右线盾构通过中州大道立交桥时位移图 图6 右线盾构通过时桥面位移图
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图7 双线盾构通过中州大道立交桥时位移图 图8 双线盾构通过时桥面位移图
通过计算分析可知，在右线隧道施工过程中，隧道正上方地表约3倍洞径范围内形成沉降槽。在右洞隧道掘进通过立交桥的过程中，由于桥桩对土体的隔离作用，地表沉降槽范围有所减小，右洞掘进对立交桥产生的竖向位移约17.5mm。左线隧道施工过程中，在一般地表位置，沉降槽在两隧道正上方地表中间区域叠加，在立交桥桥桩区域范围内，桥桩对土体的隔离作用更为明显，且隧道洞室的开挖卸荷导致洞底一定范围内地基土回弹，致使两隧道立交桥桩略产生向上位移，地表沉降槽在桥桩影响范围内中断，桥面最终竖向位移约14.9mm，水平位移几乎为0。
4 预加固后盾构施工对高架桥桩的安全性分析
4.1 预加固设计方案
根据盾构施工模拟分析可知，桥桩墩台沉降值较大，超过规范允许值，因此拟对9#-3、9#-4、10#-1及10#-2号桥桩外侧采用袖阀管注浆预加固，加固范围为桩基外缘2m，竖向范围为区间上方6m，下方1m，共13.2m。将注浆加固区按抗弯刚度等效成墙体，采用实体单元进行模拟。
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图9 加固平面图 图10 加固剖图
计算模型同上。
4.2 计算分析
计算假定同上，计算工况内在桥桩施工完成后对9#-3、9#-4、10#-1及10#-2号桥桩外侧模拟加固。
图11 右线盾构通过中州大道立交桥时位移图 图12 右线盾构通过时桥面位移图
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图13 双线盾构通过中州大道立交桥时位移图 图14 双线盾构通过时桥面位移图
在对临近桥桩周边进行预注浆加固后，地表沉降槽范围有所减小，右洞掘进对立交桥产生的竖向位移约4.1mm。左线隧道施工完成后桥面最终竖向位移约1.7mm，水平位移几乎为0。
5 施工过程主要控制措施
5.1 袖阀管注浆加固
袖阀管采用PVC塑料管，内径56mm，壁厚4mm。为方便灌浆，在加固区袖阀管上每隔33cm钻一组4Φ8mm的射浆孔，每组孔的纵向长度约10cm，每米袖阀管上钻3组射浆孔。浆液采用1:1水泥浆，注浆采用分段、多次重复注浆的方式。注浆压力应适当控制，保证不发生地面降起、裂缝，参考压力范围0.6～1.2MPa。理论扩散半径：2m。
在注浆过程中，应观察相邻注浆孔的排气、返水、串浆、冒浆等情况,及时做好记录。若周围注浆孔有冒浆、串浆时,应停止注浆，12?小时后重新注浆。若周围注浆孔仍没有反应，注浆量过大并超过本身的容积时，应采取“间歇定量分序注浆法”注浆，以控制浆液流失过大。
5.2 盾构穿越前准备工作
1）盾构到达立交桥前，对立交桥范围内的桥梁结构、管线和地面等进行拍照摄影留下影像资料。
2）准备注浆加固材料，抢险机具设备、车辆、警戒标识物等以备用。
3）在到达立交桥前选择一开挖面自稳性较好的地段对盾构机进行全面检修，减少在穿越地段停机风险。
4）对破损较大的盾尾刷进行更换，全面检查刀具，对磨损超标的刀具进行更换。
5）在盾构机到危险源前50米处时，增派机修人员加强对盾构机、电瓶车、地面配套等设备维修保养工作，排除一切可能发生的隐患，确保盾构机在穿越危险源施工期间可以连续正常掘进施工，全力避免发生停机情况。
6）在盾构机到危险源前20米处时，检查管片等必需材料、渣土车容量等情况，确保物资充足，出土顺利，严禁因物资、出土造成停机。
5.3 盾构掘进过程施工技术措施
1）对盾构到达桥梁下方前50m范围内的掘进参数及地面沉降情况进行统计分析，确定合理的土压力设定值、排土率及掘进速度等，制定盾构掘进最优参数，在侧穿桥桩时，适当放慢盾构的掘进速度，匀速穿越该区段，掘进速度宜控制在25～35mm/min左右，以尽量减少对土体的扰动。
2）严格控制盾尾同步注浆量和浆液质量，并及时进行二次注浆。盾构推进时，为了防止围岩松动和下沉的同时管片漏水，达到管片环的早期稳定和防止隧道的蛇行，需对盾构外径及衬砌外径间的环行空隙同步注浆，做到“及时、足量”[3]。
3）盾构推进过程中盾构姿态应平稳，避免超挖和欠挖；尽量缩短管片拼装时间，防止盾构机后退导致正面土压力降低，必要时可采取在管片拼装中途启动千斤顶或土仓内加压等技术措施。
4）在施工过程中需高度重视盾构平衡仓内土体的改良，防止螺旋机出现喷涌等危险情况。
5.4 盾构穿越过程中辅助措施
1）桥墩支座处增设千斤顶。当中州大道立交桥桩基沉降4mm时立即启动千斤顶顶升应急预案，在9#、10#桥墩支座处设置一圈千斤顶，根据监测情况及时调整千斤顶行程，纠正桥面沉降，避免产生较大裂缝，并及时通过对桥梁桩基注浆避免桥面裂缝发展，当盾构机通过后应根据需要及时更换桥梁支座，确保桥梁安全。
2）由于郑汴路中州大道立交桥处于交通繁忙的十字交叉路口，白天立交桥上、下车流量非常大，为降低施工风险，盾构应尽量晚上通过立交桥位置。
3）区间隧道侧穿桥桩时，应严禁重载车辆通过立交桥，有助于减轻桥桩承载重量，降低桥桩沉降风险。
6 穿越施工及监测结果
施工过程中盾构推力控制在16000KN左右，扭矩1300～1800KN?m，刀盘转速1～1.4r/min，掘进速度控制在25～35mm/min，每环出土约54～58m3。同步注浆量为6.27m3～8.36m3。
盾构施工过程中对影响范围内桩体沉降布设监测点。测点布设如下图JGC测点。
图15 监测点布设图
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图16 桥桩沉降位移图
右线盾构穿越引起临近桩基最大沉降值约2.9mm；左线盾构穿越桥桩后引起的总沉降约5mm。桩基的变形在规范运行范围内，与计算模拟的结果较为接近。
7 结语
本文通过有限元数值分析，模拟盾构侧穿高架桥桩，分析不加固及加固条件下盾构掘进对桥桩的影响，并结合现场监测数据，主要得出如下结论：
1）盾构施工过程中由于较大的顶推力，对桥桩周边地层扰动，导致桥桩及上部结构的变形可能超出规范允许值。
2）采用有限元软件模拟盾构近距离侧穿高架桥桩，可以得到盾构掘进引起的桥桩及上部结构变形，以此可以分析盾构掘进对周边建构筑物的影响。
3）通过数值分析及现场监测可得出，在盾构穿越近距离的桥桩间设置注浆帷幕，可以减小盾构施工对周边土体的扰动，有效控制桥桩及上部结构的变形。
参考文献：
[1]刘欢.小净距盾构隧道近接侧穿桥桩影响分析[A].华北水利水电大学学报（自然科学版），2015，36（4）:50-54
[2]李灿.盾构隧道侧穿高架桥桩的影响研究[J].建筑工程技术与设计，2018，2:2060-2061
[3]林森斌.盾构隧道侧穿高铁桥桩影响分析及控制措施[J].工程施工技术，2016，10:171-173
论文作者:张虎
论文发表刊物:《城镇建设》2020年第4期
论文发表时间:2020/4/13
标签：盾构论文; 桥桩论文; 中州论文; 立交桥论文; 位移论文; 隧道论文; 注浆论文; 《城镇建设》2020年第4期论文;