探讨关于区间隧道暗挖施工对既有桥梁桩基础的变形影响规律

来源:用户上传      作者:

　　摘要：为了解决城市地面交通压力，我国众多城市均在修建便捷、快速的地下铁道。地铁隧道需要穿越上部建筑物、市政道路及桥梁的情况越来越多。在浅埋暗挖法隧道施工中，对临近桩基和地表的变形影响较大，特别是施工方法和既有结构加固措施选取不恰当时，将对实际工程造成极大的安全隐患，因此针对暗挖隧道下穿既有桥梁桩基工程，研究各种施工方案和加固措施对既有桥梁桩基础变形及受力的影响具有重要的现实意义。本文总结了控制既有桩基沉降及桩间差异沉降的主要措施隔离法、注浆加固以及托换法，重点讨论了注浆加固法在实际工程中的运用。得出合理的开挖工法和进尺量后，模拟分析桩基础周边不同注浆范围对桩基变形的影响规律，根据各加固方案在施工安全性、经济性等方面评选，确定合理的注浆方案。
　　关键词：暗挖隧道;桥梁桩基础;有限元模拟;变形规律;加固技术
　　一、变形控制技术研究现状
　　1.通过降水控制地层变形
　　在对某地铁工程中，研究了采用洞外管井降水、洞内轻型井点降水和洞内全断面注浆止水等降水方案来减本地铁区间隧道的地表沉降。某区间隧道则是以止水帷幕和降水井为主，地表化学注浆、洞内深孔注浆和洞内超前小导管注浆为辅的综合手段来增加隧道围岩的稳定性。
　　2.通过施工方法控制地层变形
　　对超前长管棚支护技术进行了研究，结合地铁某站的实际工程，得出这种技术能够很好的抑制地表变形，实际应用中可以调整相应的加固方案、运用信息化的控制技术确保周围的建筑。同时还可以选择其他合理的施工工法，根据实际工程情况，选择合理的开挖工法，如CRD等对地面沉降影响较小的开挖方式，还有适合的预加固技术等。
　　3.通过注浆加固技术
　　不良地质土层中地铁隧道施工，对比分析水平旋喷桩的加固效果以及冻结法在隧道施工中的作用。车站中的超前长管棚支护技术，研究表明该技术具有显著地控制地层变形的效果，但是对施工的导向信号干扰较大。工程中一方面可通过及时调整注浆参数，采用动态沉降控制技术可以保证施工隧道周围建筑物的安全。
　　二、隧道暗挖对地层和桩基的影响分析
　　浅埋暗挖法是隧道施工的一种有效工法，由于其对拟建隧道的地质环境有较强的适应性，而且工程造价较低，已经成为城市隧道等地下工程施工中得到了广泛的应用。大量的理论与实践证明，浅埋暗挖法隧道施工将不可避免地对隧道周边地层产生扰动，进而对其周边的建筑物、构筑物、管线等产生不同程度的影响。当隧道穿越或近邻既有桩基施工时，隧道、土体、桩基以及既有结构物的上部结构等四部分将处于一个共同作用体系中，四者之间相互影响，相互作用，直至形成最终的稳定平衡状态。
　　1.隧道施工扰动不可避免的对底层产生扰动，使得隧道周边土体的力学性质和应力场都将发生变化，而土体则通过产生形变来应对这种改变，直到地层新的应力场达到平衡状态，地层产生的变形方才停止。
　　2.隧道施工产生的地层变形传递到既有桩基，桩基周围土体的力学性质与应力场也产生相应改变，并引起桩侧与桩端阻力变化，甚至在桩侧产生负摩阻力，这将直接导致桩基承载力的大幅降低，并使得桩基产生一定的沉降。
　　3.桩基产生沉降后，沉降必将传递到上部结构，当上部结构的同一基础中不同桩基发生不同程度的沉降时，上部结构就出现了差异沉降，这种差异沉降将导致上部结构出现较大的附加应力，从而使得建（构）筑物使用能力降低，进而产生安全隐患而影响到正常使用。此外，上部结构对桩基内力的改变也具有一定的约束作用。
　　三、隧道施工对既有桩基的影响
　　1.隧道施工对既有单桩的影响
　　隧道开挖之前己经基本完成，而此时桩土动态的相互作用已经停止，桩基已经处于平衡状态，因此，需要考虑受荷单桩在第二阶段（即被动受荷阶段）的被动附加响应，即隧道开挖造成桩基附加内力和附加变形的突变程度是否会对桩基的安全产生威胁。隧道开挖必然会产生一定的应力释放，造成周围土体产生向隧道临空面运动的趋势，而土体变形的结果，就会造成附近的桩基产生变形，从而迫使其产生附加应力，威胁桩基的安全。
　　（1）地层竖向变形与单桩的关系
　　地层竖向变形会造成桩基与周围土体的相对移动。对于桩侧摩阻力而言，当土体下沉量小于桩基下沉量时，桩基相对于土体向下移动，则会对桩基产生向上的正摩阻力，促使桩基承载力的增强;当土体下沉量大于桩基下沉量时，土体相对于桩基移动，则会对桩基产生向下的负摩阻力，造成桩基承载力的降低。而真实环境下的抽基可能既存在正负摩阻力共存，这样桩体中便会产生一个力学中性点，中性点位置桩基与土体的相对位移为零，它是负摩阻力的分界点。对于桩端阻力而言，当被端土体有足够的承载能力时，柱基的下沉会造成地基土产生较大的土体抗力，造成桩端阻力的增大，而当桩端土体承载能力较低时，桩基的下沉则会造成上体的刺入破坏，造成被端阻力的减小。在隧道开挖条件下，桩基的竖向变形是由桩侧摩阻力和桩端阻力共同作用的结果。以单桩为例，当桩基所受负摩阻力与上部荷载之和大于其所承受的摩阻力与桩端阻力之和时，桩基将向下移动，产生沉降变形;当桩基所受负摩阻力与上部荷载之和小于其所承受的正摩阻力与桩端阻力之和时，桩基将向上移动，产生隆起变形，直到桩基达到新的平衡。
　　（2）地层水平变形对单桩的影响
　　地层水平变形会造成远离隧道一侧的土体对桩基侧向土压力的增大，而靠近隧道一侧土体侧向土压力的减小，这样便会造成桩基两侧的压力差，从而促使桩体产生横向的变形和附加内力。在桩基横向变形不断向内侧发展的过程中，桩基内部抗力会逐渐增大，而其与外侧土体的相互挤压作用会逐渐减小。当桩体所受外部土压力与桩体本身所产生的抗力相等时，两者将会达到新的平衡状态。隧道开挖条件下，桩基在内外侧力差的迫使下达到新的平衡的过程。
　　2.隧道施工对既有群桩的影响
　　与受荷单桩的受力过程类似，受荷群桩在隧道开挖前后也会经历主动加载阶段和被动受荷两个阶段。但对于处于第二阶段的受荷群桩的而言，其分析面临着更多困难。一方面，与单桩不同，受荷群桩存在着显著地遮栏效应，即相邻桩基的存在不仅会对本位置桩基的受力和变形产生很大的影响，还会对周围土体的应力场和位移场产生很大的阻隔作用;另一方面，承台的存在（尤其是低承台复合桩基）不仅会对各位置基桩的荷载产生均衡化的再分配，还会改变桩基的荷载传递路径。
　　结束语：隧道施工引起地表沉降主要原因是开挖使土体的原始应力状态遭到了破坏，土体中出现了应力增量，其中使地层发生移动变形的最根本原因是土体中剪应力增量的出现、增长、松弛或消除。在施工方案设计应考虑土层的物理性质、地下水、隧道埋深、施工工法和开挖进尺等因素的影响，从而优化施工方案。研究表明，在震旦系混合片麻岩地层采用核心土法施工是合理可行的，可减小暗挖施工对地表和既有桥梁桩基础的影响，同时为控制浅埋暗挖隧道施工引起的邻近桥梁基础的变形而采用的袖阀管加固基础周围土层也取得了良好的效果。
　　参考文献：
　　[1]刘利民，舒翔，熊巨华.桩基工程的理论进展与工程实践[M].中国建材工业出版社，2002.
　　[2]姚宣德.浅埋暗挖法城市隧道及地下工程施工风险分析与评估[D].北京交通大学，2009.
　　[3]苏洁，张顶立，周正宇等.地铁隧道穿越既有桥梁安全风险评估及控制[J].岩石力学与工程学报，2015，S（1）：3188-3195.
　　[4]安建永.浅埋隧道开挖与既有建筑基础荷载相互影响的模型试验和理论计算研究[D].北京交通大学，2015.
　　[5]姚虎成，郭振坤，刘观仕.地下通道施工临近高架桥桥墩变形控制标準探讨制[J].土工基础，2015.S（1）：70-73.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14938563.htm