劉 杰

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430063)

0 引言

隨著城市發(fā)展,難免出現(xiàn)新建道路下穿或并線既有結(jié)構(gòu)情況[1-5]。高鐵橋梁樁基周邊開挖施工引起的地層應(yīng)力和變形是造成附近結(jié)構(gòu)和設(shè)施承受附加荷載、產(chǎn)生附加變形的根本原因之一。由于高速鐵路運(yùn)行速度快,對(duì)變形要求嚴(yán)格[6-7],有必要針對(duì)具體地質(zhì)狀態(tài)和施工工況開展新建道路對(duì)既有高鐵影響研究。本文根據(jù)實(shí)際工程:新建隧道下穿京滬高鐵施工。根據(jù)實(shí)際地層情況,設(shè)計(jì)三維數(shù)值計(jì)算模型,分別計(jì)算不同工況下高鐵橋墩的變形情況,分析變形原因,可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

1.1 既有高鐵介紹

工程位于江蘇省蘇州市,隧道下穿京滬高鐵。如圖1所示,左線盾構(gòu)隧道從3560#、3561#橋墩間穿越,右線盾構(gòu)隧道從3559#、3560#橋墩間穿越,橋梁跨度均為32.7 m。下穿段橋下凈空約為9.23 m,3559#橋墩承臺(tái)尺寸10.5 m×6.8 m×2 m,承臺(tái)底標(biāo)高為2.871 m,承臺(tái)下設(shè)10根φ1 m鉆孔樁,樁長48.5 m,樁底位于④1粉質(zhì)黏土層,基本承載力120 kPa;3560#和3561#橋墩承臺(tái)尺寸10.5 m×5.6 m×2 m,3560#承臺(tái)底標(biāo)高為-0.371 m,承臺(tái)下設(shè)8根φ1 m鉆孔樁,樁長56.5 m,樁底位于⑤1粉砂、土層,基本承載力150 kPa;3561#承臺(tái)底標(biāo)高為-0.871 m,承臺(tái)下設(shè)8根φ1 m鉆孔樁,樁長59.5 m,樁底位于⑥1粉質(zhì)黏土層,基本承載力120 kPa。采用CRTSⅡ型板式無砟軌道,與鐵路相交位置鐵路中心里程為K1239+294。

1.2 新建隧道介紹

如圖1所示,新建隧道左、右線分兩跨下穿,與京滬高鐵高架橋的平面夾角分別約為80°和90°,隧道縱坡14.492%。隧道下穿鐵路段采用盾構(gòu)法施工,采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)。單圓盾構(gòu)襯砌:隧道內(nèi)徑為5 900 mm,外徑為6 600 mm,襯砌厚度350 mm。采用單層裝配式襯砌,由六塊組成。環(huán)間采用錯(cuò)縫拼接方式,管片采用M30彎螺栓連接,環(huán)寬為1 200 mm。盾構(gòu)隧道左線管片外邊緣與京滬高鐵3560#、3561#橋墩樁基的最近水平凈距分別為7.02 m和12.66 m;盾構(gòu)隧道右線管片外邊緣與京滬高鐵3559#、3560#橋墩樁基的最近水平凈距分別為10.44 m和10.55 m。

1.3 防護(hù)及加固措施設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道穿越京滬高鐵橋梁位置,在橋梁下方進(jìn)行隔離樁+袖閥管注漿加固。下穿京滬高鐵位置盾構(gòu)隧道采用門式樁進(jìn)行隔離防護(hù),其兩側(cè)采用直徑1 m間距1.2 m的鉆孔灌注樁,樁頂設(shè)置1.0 m×0.8 m的冠梁。冠梁之間采用0.8 m×0.8 m@6.3 m的混凝土支撐連接,隔離樁樁底打入盾構(gòu)隧道底部以下6 m。隔離樁范圍:隔離樁與隧道管片外邊緣的凈離按1 m控制,隔離樁沿盾構(gòu)軸線方向伸出橋梁承臺(tái)邊緣10 m。3559#橋墩樁基中心與隔離樁樁基中心最近的間距為9.44 m>6 m(6D=1.0×6),3560#橋墩樁基中心與隔離樁樁基中心最近的間距分別為6.02 m>6 m(6D=1.0×6),3561#橋墩樁基中心與隔離樁樁基中心最近的間距分別為11.65 m>6 m(6D=1.0×6)。

1.4 地層介紹

左線盾構(gòu)隧道埋深約18.13 m,隧頂上覆土從上到下依次為①黏土(基本承載力150 kPa)、②1粉土(基本承載力90 kPa)、③0粉質(zhì)黏土(基本承載力100 kPa),盾構(gòu)隧道穿越地層主要為③0粉質(zhì)黏土(基本承載力100 kPa)和③粉質(zhì)黏土(基本承載力180 kPa);右線盾構(gòu)隧道埋深約10.62 m,隧頂上覆土從上到下依次為①黏土(基本承載力150 kPa)、②1粉土(基本承載力90 kPa),盾構(gòu)隧道穿越地層主要為②1粉土(基本承載力90 kPa)和③0粉質(zhì)黏土(基本承載力100 kPa)。

2 數(shù)值計(jì)算模型及工況設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算模型

本次計(jì)算采用Flac3d有限差分軟件,計(jì)算模型坐標(biāo)系遵循右手法則,X正向指向高鐵大里程方向,Y正向垂直于高鐵方向,Z為鉛垂線方向,正向指向上。模型X方向長140 m,Y方向長140 m,Z方向長100 m。計(jì)算過程中土體、橋墩、承臺(tái)等均采用實(shí)體單元模擬,樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)單元模擬。采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共計(jì)464 192個(gè)單元,294 215個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型的邊界條件頂面為自由面,兩側(cè)水平約束,底面取豎向和水平向約束(圖2)。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 參數(shù)及工況

通過巖土工程勘察,取樣,室內(nèi)試驗(yàn),得到相關(guān)地層力學(xué)參數(shù),其取值如表1所示。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

本次計(jì)算主要包括4個(gè)計(jì)算工況:①隔離樁及注漿加固施工;②隧道左線施工;③隧道右線施工;④隧道運(yùn)營荷載。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

不同工況下,橋墩位移云圖如圖3所示。從圖3可知,隔離樁及注漿加固施工時(shí),主要位移集中在中間3560#橋墩,且主要為豎直方向沉降變形,符合3560#兩側(cè)受力特征。隧道左線施工時(shí),最大位移集中在右側(cè)的3561#橋墩,其次是3560#橋墩,主要表現(xiàn)為中間沉降變形。隧道右線施工時(shí),位移主要集中在3559#和3560#橋墩,主要表現(xiàn)為中間沉降變形。隧道運(yùn)營荷載施加時(shí),最大位移集中在右側(cè)的3560#橋墩。

圖3 變形位移云圖

不同工況下,對(duì)應(yīng)墩頂監(jiān)測點(diǎn)位移增量如表2所示。隔離樁及注漿加固施工時(shí),在水平方向上,3561#橋墩變形值相對(duì)較大,最大值出現(xiàn)在X方向,最大變形值為-0.168 mm。在豎直方向上3560#橋墩變形值相對(duì)較大,最大變形值為-0.218 9 mm。隧道左線施工時(shí),在水平方向上,3560#橋墩變形值相對(duì)較大,最大值出現(xiàn)在X方向,最大變形值為0.121 9 mm。在豎直方向上,3560#橋墩變形值相對(duì)較大,最大變形值為-0.054 9 mm。隧道右線施工時(shí),在水平方向上,3560#橋墩變形值相對(duì)較大,最大值出現(xiàn)在Y方向,最大變形值為-0.163 8 mm。在豎直方向上,3559#橋墩變形值相對(duì)較大,最大變形值為-0.064 2 mm。隧道運(yùn)營荷載施加時(shí),在水平方向上,3560#橋墩變形值相對(duì)較大,最大值出現(xiàn)在Y方向,最大變形值為-0.163 8 mm。在豎直方向上,3559#橋墩變形值相對(duì)較大,最大變形值為-0.064 2 mm。

表2 隔離柱及注漿加固施工墩頂附加變形值 單位:mm

總位移中,3560#橋墩的豎向沉降最大,最大沉降值為-0.412 6 mm。主要原因是:3560#橋墩在兩隧道中間,4個(gè)工況單獨(dú)施工均為對(duì)3560#橋墩產(chǎn)生較大影響?？偽灰浦?3561#橋墩水平X方向變形最大,最大值為-0.315 7 mm。主要原因是, 3561#橋墩的靠近左側(cè)隧道,而3559#橋墩靠近右側(cè)隧道。左側(cè)隧道先施工,隧道施工后會(huì)引起應(yīng)力釋放。其次,左側(cè)隧道比右側(cè)隧道埋深更大,從而影響范圍也更大。從而導(dǎo)致3561#橋墩的水平位移大于3559#橋墩。從隧道與鐵路的空間位置可知,水平X方向比Y方向更加容易變形。因此,最終3561#橋墩水平X方向變形最大。

4 結(jié)束語

新建隧道下穿京滬高鐵施工過程中引起高鐵橋墩墩頂最大水平累計(jì)位移在3561#橋墩的X方向,值為-0.315 7 mm;最大豎向累計(jì)位移在3560#橋墩Z方向,值為-0.412 6 mm。最大水平位移和最大豎向位移均小于0.5 mm,變形較小,說明該施工方式滿足安全要求。然而,隧道盾構(gòu)工程施工范圍在3560#橋墩兩側(cè),受施工影響大,累計(jì)水平位移和沉降均較大,建議在高鐵橋墩正下方施工時(shí)放緩施工速度,同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測,出現(xiàn)位移突變,應(yīng)立即停止施工。