盾构区间下穿并截除人行天桥部分桥桩的对策 储柯钧, 赵亮, 徐骞 ( 中铁隧道勘测设计院有限公司, 天津 300133) 摘要 : 以沈阳地铁 2 号线工业展览馆站 文体路站区间 ( 以下简称工 文区间 ) 下穿文化路立交桥人行天桥并截除部分桥桩为例, 为确保盾构掘进过程中该天桥桥体的安全, 通过对桥桩截桩后管片后期承载力 结构变形等特点建立三维数值模型, 并进行计算分析后, 进一步优化设计方案, 同时采取了以下措施 : 施工前先对人行天桥两端桥墩处采用临时钢托架进行支撑加固 ; 掘进过程中合理优化盾构掘进参数, 同时采取同步注浆与二次补强注浆措施, 不但避开了立交桥主桥桥桩, 同时还避免了采用桩基托换这一高风险 高代价方案 竣工并通车运营后, 经过近 1 年的跟踪监测, 桥梁结构稳定, 最终变形收敛至稳定值, 充分验证了该措施的可行性 关键词 : 沈阳地铁 ; 盾构 ; 加固 ; 截桩 ; 天桥 ; 变形控制 ; 临时托架 DOI:10.3973/j.isn.1672-741X.2014.11.009 中图分类号 :U455.39 文献标志码 :B 文章编号 :1672-741X(2014)11-1071-06 CountermeasuresforShieldCutingandPasingUnderneath PilesofExistingPedestrianBridge CHUKejun,ZHAOLiang,XUQian (ChinaRailwayTunnelSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjing300133,China) Abstract:A shield boredrunningtunnelofline2ofshenyangmetropasesunderneaththepilesofanexisting pedestrianbridge,andsomeofthepileshavetobecut.inthepaper,3d numericalsimulationisestablishedand analysisismadeontheload bearingcapacityandstructuraldeformationofthesegmentstructureafterthepilesarecut; andaccordinglythedesignisoptimizedandcountermeasures,suchastemporarysupportforthepilesoftheexisting pedestrianbridgeinstaledbeforetheshieldreaches,optimizingtheshieldboringparametersduringboring,and simultaneousgroutingandsecondaryreinforcinggrouting,aretaken.themonitoringshowsthatthepedestrianbridge keepsstableandthecountermeasurestakenareefective. Keywords:ShenyangMetro;shield;reinforcement;cutingpile;pedestrianbridge;deformationcontrol;temporary support 0 引言自 19 世纪盾构法诞生以来, 盾构工法凭借其安全 高效 对环境影响小 抗干扰能力强等诸多优点, 广泛应用于隧道及地下工程领域 [1-3] 城市地铁工程的建设, 既促进了城市化建设进程, 又受到城市化基础建设的制约, 主要体现在地铁车站站位选择以及区间线路走向上 地铁线网均位于人口密集的城市市区, 这些中心城区往往高楼林立 市政路桥纵横交错 地下管网错综复杂 因此, 新建的地下隧道往往会对既有建 ( 构 ) 筑物产生一定程度的影响 [4] 这些影响主要体现在以下 2 方面 : 一是对既有结构承载力的影响, 包括倾覆 滑移, 甚至可能造成连续倒塌 ; 二是变形, 包括 沉降 倾斜 产生过大的裂缝或是挠度等 [5] 而如何采取措施规避或控制这些风险工程, 是地铁工程设计和施工需要研究的重点 穿越工程在城市轨道交通建设过程中时有发生, 但均以临近下穿居多 [6-7], 以避免直接扰动或接触既有建 ( 构 ) 筑物的基础, 而对于盾构在掘进过程中直接截除建 ( 构 ) 筑物桩基的行为较少 本文将通过沈阳地铁 2 号线工 文区间具体工程案例, 着重介绍区间下穿并截除人行天桥部分桥桩过程中的设计方案和施工保护措施, 通过对桥桩截桩后管片后期承载力 变形进行系统计算分析, 改变桥桩桩基的受力特征, 并经三维模型数值模拟分析进行变形预测, 优化设计方案和 收稿日期 :2014-08-13; 修回日期 :2014-10-04 作者简介 : 储柯钧 (1982 ), 男, 江苏丹阳人,2005 年毕业于西南交通大学, 土木工程专业, 本科, 一级注册结构工程师, 现从事隧道及地下工程设计工作
1072 隧道建设第 34 卷 设计参数, 并与施工工艺紧密结合, 避免在立交桥桩基密集区进行桩基托换, 最终使得施工得以顺利进行 运营后跟踪监测 1 年, 变形逐步趋于稳定值, 充分验证了该措施的可靠性 1 工程概况 1.1 区间及人行天桥概况沈阳地铁 2 号线工 文区间位于沈阳最繁华主干道 金廊街道青年大街下方, 呈南北走向, 区间长度 1302.180m, 单洞单线圆形断面, 外径 6m,C50 钢筋混凝土结构, 采用盾构法施工, 线路纵向呈 V 字形坡, 最大纵坡 30 文化路立交桥共分 4 层, 人行天桥位于第 3 层, 跨越底层文化路下拉槽 天桥全长 40.6m, 三跨一联, 主跨长 25m,2 个边跨长均为 7.8m, 结构形式为预应力板柱结构 该桥共设 4 组桥墩, 基础形式为墩下单桩基础, 桩径 1.2m, 桩基深 17.2m,C25 钢筋混凝土, 桩底为 2m 长素混凝土桩, 桩体类型为端承摩擦桩 天桥实景如图 1 所示 图 3 区间右线与桥桩纵剖面位置关系图 ( 单位 :mm) Fig.3 Profileshowingrelationshipbetweenrunningtunneland pilesofexistingpedestrianbridge(mm) 图 4 区间右线与 B 桩横剖面位置关系图 ( 单位 :mm) Fig.4 Cros sectionofpilebandrunningtunnel(mm) 图 1 文化路立交桥人行天桥实景图 Fig.1 PictureofpedestrianbridgeofWenhuaRoad 本区间北起工业展览馆站, 右线出站后南行 105~ 1145.6m4 次穿越人行天桥桥桩, 下穿部位区间覆土厚度约为 15.5m, 区间结构外皮与天桥 A 桩竖向净距为 4.67m, 与 B 桩交叉 1.19m, 与 C 桩交叉 0.611m, 与 D 桩竖向净距为 5.8m 区间与桥桩位置关系如图 2 5 所示 图 2 区间下穿天桥段总平面图 Fig.2 Planofrunningtunnelcrosingunderneathpedestrianbridge 图 5 区间右线与 C 桩横剖面位置关系图 ( 单位 :mm) Fig.5 Cros sectionofpilecandrunningtunnel(mm) 1.2 工程地质区间穿越桥桩区段地层自上而下依次为杂填土 粉质黏土 中粗砂 砾砂, 隧道洞身所穿越的地层均为砾砂, 场地内隧道围岩分级为 Ⅴ 级 场地范围内地下水类型为第四系松散岩类孔隙潜水, 主要赋存在中粗砂 砾砂层中, 施工期间地下水位位于地面以下 8~10m 桥桩区地层及各土层物理力学参数如表 1 所示
第 11 期 储柯钧, 等 : 盾构区间下穿并截除人行天桥部分桥桩的对策 1073 表 1 地层及各土层物理力学参数 Table1 Physicalandmechanicalparametersofdiferentstrata 岩性名称 层厚 /m 天然重度 / 黏聚力内摩擦角水平基床系数垂直基床系数静侧压力桩侧阻标准值桩端阻力标准值 (g/cm 3 ) c/kpa φ/( ) K S /(MPa/m) K C /(MPa/m) 系数 K 0 q sik /kpa q pik /kpa 填土 4 18 粉质黏土 1 19.0 36 16 25 25 0.41 25 中粗砂 5 19.8 0 30 35 35 0.38 45 砾砂 15 21 0 38 40 45 0.33 55 1400 2 设计方案及应对措施 2.1 区间方案优化 相对于矿山法, 盾构法具有安全 高效 限沉 经济等诸多优点, 因此本区间采用盾构法施工 区间左线从立交桥桥桩间隙中侧穿而过, 区间右线则无法躲避桥桩, 按避其重就其轻的原则, 避开主桥桥桩 北端工业展览馆站为 3 层车站, 该车站施工期间受困于周边排水管线不足, 考虑到车站降排水困难这一客观原因, 车站埋深无法进一步加深, 导致站后区间右线无法避免截断桥桩 经过对桥桩基础资料的详细调查, 发现桩底以上 2m 范围内为素混凝土桩, 右线纵坡调整至 30 这一极限值后, 能避免盾构触碰钢筋混凝土桩体, 为盾构法施工的安全性提供了保障 2.2 对桩体周边土体预加固, 弥补截桩后桩端阻力损失 原桥梁设计时, 天桥桥桩类型为端承摩擦桩, 考虑到盾构掘进截桩后桩端承载力损失, 为避免桩体荷载直接作用于盾构和管片上, 设计时考虑对桩体一定范围内的土体进行预加固, 通过增强桩侧摩阻力的方法来弥补桩端阻力损失, 即将桩体类型改变为摩擦型桩 加固方法采用地面注浆加固 [8], 加固平面尺寸为桩体外轮廓外 3m, 加固深度为地面以下 9m, 浆液采用 1 1 水泥浆, 导管采用 45mm 小导管, 长 8m, 管距按 0.75m 0.75m 梅花形布置 桩体加固图如图 6 所示, 加固后各层土体极限侧摩阻力标准值应不小于表 2 中的要求 图 6 桩体加固图 Fig.6 Reinforcementofpile 根据桥梁设计单位提供的桩体荷载, 天桥单桩竖 向荷载标准值为 2200kN; 以 B 桩为例, 进行加固后单桩竖向承载力验算, 加固后桩周土层物理力学参数详见表 2 表 2 加固后桩周土层物理力学参数 Table2 Physicalandmechanicalparametersofstrataafterpilere inforcement 地层 地层厚度 l si /m 桩侧阻标准值 q sik /kpa 桩端阻力标准值 q pik /kpa 杂填土 ( 加固后 ) 3 70 粉质黏土 ( 加固后 ) 1 90 中粗砂 ( 加固后 ) 4 120 中粗砂 ( 未加固 ) 1 80 砾砂 ( 未加固 ) 5 110 2800 对于桩径大于 800mm 的大直径桩, 修正系数 φ si = 0.88, 单桩的竖向极限承载力标准值 Q uk =Q sk +Q pk =u φ si q sik l i +φ p q pk A p (1) 式中 :u 为桩身周长 ;l i 为桩周第 i 层土的厚度 ;A p 为桩端面积 ;q sik 为桩侧第 i 层土的极限侧阻力标准值 ; q pk 为极限端阻力标准值 ;φ si,φ p 分别为大直径桩侧阻力 端阻力尺寸效应系数 认定天桥桥桩单桩竖向荷载全部由桩侧摩阻力承担, 则桩侧摩阻力标准值 Q sk =3.14 1.2 0.88 (70 3+90 1+120 4+80 1+110 5)=4675kN 侧摩阻力特征值 Q s =Q sk /2=4675/2=2338kN> 2200kN( 单桩竖向荷载标准值 ), 基本满足桩基承载力计算要求 2.3 变形预测根据盾构掘进施工工程, 对区间右线下穿天桥桥桩进行了数值模拟分析 采用 Midas GTS 软件建立地层 - 结构模型, 采用摩尔 - 库仑本构关系, 按照实际尺寸建模, 计算范围沿地铁区间方向取 70m, 垂直于地铁区间方向向上至地面, 向下取盾构隧道中心线以下 20m 桥桩单元采用桩接触单元, 该类型单元网格划分时无需节点耦合, 能更确切地模拟桩与周边土体的相对滑移 ; 计算过程考虑桩周地层预加固效果, 其余参数均按地勘报告提供参数选取 ( 见表 3) 计算模型如图 7 所示
1074 隧道建设第 34 卷 表 3 围岩及支护计算参数 Table3 Parametersofsuroundingrockandsupport 地层及材料 弹性模量 E/MPa 泊松比 μ 容重 γ/(kn/m 3 ) 黏聚力 /MPa 内摩擦角 /( ) 桩顶荷载 /kn 杂填土 ( 加固后 ) 75 0.22 24 20 35 粉质黏土 ( 加固后 ) 90 0.22 24 28 40 中粗砂 ( 加固后 ) 100 0.22 24 22 45 中粗砂 ( 未加固 ) 38 0.26 19.8 0 30 砾砂 ( 未加固 ) 45 0.25 21 0 38 桥桩 (C25) 2.80 10 4 0.2 25 600 管片 (C50) 3.45 10 4 0.2 25 (a) 图 7 计算模型 Fig.7 Calculationmodel (b) 施工模拟过程主要分以下 3 步进行 : 1) 盾构穿越 A 桩, 掘进至 B 桩处, 尚未截桩, 此时桩底最大变形值为 1.94mm, 如图 8 所示 2) 盾构穿越截断 B 桩后, 并掘进至 C 桩处, 此时桩底最大变形值为 3.01mm, 如图 9 所示 3) 盾构穿越截断 C 桩后, 并穿越 D 桩, 此时桩底 最终累计变形值为 4.47mm, 如图 10 所示 经计算分析, 随着盾构机向前推移, 在盾构机掘进至距离 A 桩 5m 左右, 天桥桥桩出现沉降, 整个穿越期间变形逐步加大, 待盾构机掘进通过远离桥桩后, 桩体沉降逐收敛至稳定值 整个过程桥桩和地表最大变形曲线如图 11 所示 (a) (b) 图 8 掘进至 B 桩处 Fig.8 MaximumdeformationofpiletipwhenshieldreachesPileB(beforePileBiscut)
第 １ １期 储柯钧 等 盾构区间下穿并截除人行天桥部分桥桩的对策 １０７５ ｂ 图 ９ 掘进至 Ｃ桩处 Ｆ ｇ ９ Ｍ ｘ ｍ ｍｄ ｍ ｐ ｐｗｈ ｓ ｈ ｄ ｃ ｈ ｓｐ Ｃ ｂ 图１ ０ 截断 Ｃ桩并穿越 Ｄ桩后 Ｆ ｇ １ ０ Ｍ ｘ ｍ ｍｄ ｍ ｐ ｐ ｓ ｈ ｄｃ Ｐ Ｃ ｄｐ ｓ ｓ ｄｐ Ｄ 案 支托前 先对桥墩附近土体进行台阶型的硬化 再 在台阶上架设托架 型钢托架上部布设千斤顶 一旦 发生过大变形 可利用千斤顶的整体协调顶升 使桥梁 恢复至原始状态 ３ ２ 盾构掘进过程中的自身参数控制 图１ １ 桥桩及地表沉降曲线图 Ｆ ｇ １ １ Ｃ ｖ ｓ ｐ ｄ ｍ ｄｇ ｄｓ ｃ ｓ ｍ ｂ ｄｂ ｙ ｍ ｃ ｓ ｍ 为减小盾 构 施 工 对 天 桥 的 影 响 在 施 工 中 应 尽 可能地减小 盾 构 掘 进 对 周 围 土 体 的 扰 动 减 小 地 表 沉降 关键技 术 是 要 保 持 盾 构 开 挖 面 的 稳 定 和 管 片 ３ 施工方案及应对措施 脱出盾尾后对盾尾空隙的及时充填 盾构开挖面的 ３ １ 桥下架设临时钢托架 稳定可以通 过 优 化 掘 进 参 数 来 控 制 其 主 要 参 数 有 鉴于施工过程中盾构掘进对桩周土体产生扰动而 推进速度 盾 构 推 力 出 土 数 量 正 面 土 压 力 机 及 姿 可能导致降低其侧摩阻力值 为确保盾构穿越过程中 态控制等 ９ １０ 管片与土体之间的空隙充填 则 采 取 人行天桥桥体的安全 施工前对人行天桥两端桥墩处 同步注浆与二次补强注浆 在盾构掘进过程中进行 采取了临时钢托架支撑加固措施 天桥支撑分为型钢 同步注浆 使 管 片 脱 出 盾 尾 后 的 环 形 空 隙 中 及 时 充 钢架和脚手架 ２种 其中 Ａ和 Ｄ号桥桩上部结构跨 填足量的浆 液 防 止 周 围 土 体 挤 入 引 起 土 体 位 移 度较小 承受荷载较轻 采取脚手架支托方案 而 Ｂ和 二次注浆是 弥 补 同 步 注 浆 的 不 足 是 减 小 沉 降 的 有 Ｃ号桥桩承受桥的绝大部分重力 故采取型钢托架方 效措施 同时注意盾构姿态的控制 在盾构通过人行
1076 隧道建设第 34 卷 天桥过程中确保姿态不出现较大的纠偏, 保持连续均衡的施工状态 4 施工监测及竣工后的跟踪监测盾构穿越期间, 监测人员 安质人员在此保持 24 h 值班, 同时加密监测频率 (4h/ 次 ) 监测数据及时反馈给盾构司机, 使盾构司机可以结合地面情况和地下施工情况进行综合分析, 充分利用监测数据指导盾构掘进 在盾构穿越人行天桥过程中, 桥体及桥下地面监测的日沉降值均未超过 2mm, 裂缝变形均小于 0.2mm 穿越过程中通过对人行天桥段各监测点的监测情况统计, 最大沉降点发生在北侧桥体, 累计沉降为 4.75mm, 监测结果均满足产权单位要求 区间竣工后, 跟踪监测 1 年, 发现桥体沉降增量甚微, 不足 0 5mm, 最后趋于稳定状态, 与预测变形结果较为吻合 整个监测过程桥桩和地表最大变形曲线如图 12 所示 图 12 桥桩及地表变形实测值 Fig.12 Curvesofmeasuredpiledeformationandgroundsurface setlement 5 结论与建议实际掘进过程中对盾构及管片壁后同步注浆的控制, 以及维系土层损失平衡, 是沉降控制的关键所在 采用地表注浆, 对天桥桥桩进行预加固, 通过提高桩体极限侧摩阻力来弥补桩端阻力的损失, 使桩体竖向力重新达到受力平衡, 也是本工程理论上成败的关键所在 然而, 对于较深的土层, 地表注浆的效果难以控制和检测, 是本工程实施过程中的一大难点, 今后工作中尚需进一步研究 在城市轨道交通领域, 穿越工程时常发生, 如何选择最优施工方法确保既有结构的安全, 且又能兼顾工程经济性是研究的重点 本工程通过前期详尽的基础资料调查 方案比选和结构验算, 为该工程的顺利施工打下了坚实的基础 在整个穿越人行天桥施工过程中, 通过切实落实各项技术方案, 并结合实际施工情况, 最终顺利地穿越了重大风险点, 而且为以后类似工程施工积累了宝贵的经验 参考文献 (References): [1] 张凤祥, 傅德明, 杨国祥, 等. 盾构隧道施工手册 [M]. 北京 : 人民交通出版社,2005: 306-336. (ZHANG Fengxiang,FUDeming,YANGGuoxiang,etal.Construction manual:shieldtunnel[m].beijing:chinacommunications Pres,2005:306-336.(inChinese)) [2] 王梦恕. 中国隧道及地下工程修建技术 [M]. 北京 : 人民交通出版社,2010.(WANG Mengshu.Tunnelingand undergroundengineeringtechnologyinchina[m].beijing: ChinaCommunicationsPres,2010.(inChinese)) [3] 张庆贺, 朱合华, 庄荣, 等. 地铁与轻轨 [M]. 北京 : 人民交通出版社,2006:40-55.(ZHANGQinghe,ZHUHehua, ZHUANGRong,etal.Metroandlightrail[M].Beijing: ChinaCommunicationsPres,2006:40-55.(inChinese)) [4] 施仲衡. 盾构在中国地铁建设中的应用 [J]. 建筑机械, 2002(5): 20.(SHIZhongheng. Application ofshield machineinundergroundrailwayconstructionofchina[j]. ConstructionMachinery,2002(5):20.(inChinese)) [5] 张恒, 陈寿根, 邓稀肥. 盾构掘进参数对地表沉降的影响分析 [J]. 现代隧道技术,2010,47(5):48-53.(ZHANG Heng,CHENShougen,DENGXifei.Analysisoftheinfluence ofshield drivingparamenterson ground setlements[j]. ModernTunnelingTechnology,2010,47(5):48-53.(in Chinese)) [6] 井景凤, 王综勇. 砂卵石地层中某盾构区间过桥区段的方案优化 [J]. 隧道建设,2011,31(2):208-214,227. (JINGJingfeng,WANGZongyong.Optimizationondesignof shield boredtunnelcrosingunderneathpilefoundationsin sandygravelstrata[j].tunnelconstruction,2011,31(2): 208-214,227.(inChinese)) [7] 钱新, 黄雪梅. 盾构下穿建 ( 构 ) 筑物控制沉降注浆技术研究与应用 [J]. 现代隧道技术,2010,47(4):85-89.(QIAN Xin,HUANG Xuemei. Study and application ofgrouting technologyto controlground setlementscaused by shield under pasingbuildingsandstructures[j].moderntunneling Technology,2010,47(4):85-89.(inChinese)) [8] JGJ94 2008 建筑桩基技术规范 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2008.(JGJ94 2008 Technicalcodefor building pile foundations[s]. Beijing:China Building IndustryPres,2008.(inChinese)) [9] 马运康. 双线盾构穿越建筑群风险分析与控制 [J]. 隧道建设,2011,31(3):391-395.(MAYunkang.Analysisonand controlofrisksinshieldboringunderneathbuildings[j]. TunnelConstruction,2011,31(3):391-395.(inChinese)) [10] 马连从. 富水砂卵石地层盾构施工渣土改良研究 [J]. 隧道建设,2010,30(4):411-415.(MA Liancong. StudyongroundconditioningforEPBshieldinwater rich cobbleground[j].tunnelconstruction,2010,30(4): 411-415.(inChinese))