桥梁桩基施工对临近既有构造物的影响分析与控制初探.doc

桥梁桩基施工对临近既有构造物的影响分析与控制初探
南平联络线高速公路有限责任公司 张仁流
一、工程概况
南平联络线高速公路在南平市南山镇吉溪村附近上跨合福高速铁路的南山2号隧道，交叉桩号为高速公路K21+334.763=合福高速铁路DK695+028.351，交角约64°，采用桥跨方式上跨，桥梁地表开挖线与隧道拱顶最小距离约12m。对铁路隧道的直接影响段落为DK695+005~DK695+048段。

图1-1相交平面示意图
桥梁桩基共有8根距离高铁南山二号隧道较近，与衬砌边缘距离为6.82~12.13m，桩长27~42m，桩径约2m，桩底均深入隧道仰拱以下。交叉段隧道围岩为V级。

图1-1-2桩基础与隧道位置关系平面图

图1-1-3桩基础与隧道位置关系断面图
二 、拟建高速公路对隧道影响理论分析
2.1 计算工况分析
2.1.1深埋隧道垂直荷载计算高度
深埋隧道垂直荷载计算高度：
式中：—围岩级别，=5
ha—深埋隧道垂直荷载计算高度
—宽度影响系数，
—坑道宽度，
当隧道埋深小于2.5ha=35.75m时，属于浅埋隧道。查阅高铁施工图交叉段隧道埋深15~24m，因此交叉段落隧道属浅埋隧道。
2.1.2计算工况
根据高速公路与高速铁路隧道的位置关系，修建完成后桥梁荷载均由桩基础承担，桥梁荷载及公路荷载并不传递到隧道上，所以对于隧道的影响主要是由桥梁开挖引起的地表荷载改变。
拟检算两种工况条件，即原始受力状态与桥梁挖方后的受力状态。工况条件如下：工况1，原始工况，即原始地层仅含隧道工程；工况2，桥梁挖方致地形改变后的工况

图2-1-1 隧道衬砌横断面与桥跨结构位置关系图

图2-1-2 隧道衬砌纵断面与桥跨结构位置关系图
2.2 地质参数
采用的材料力学参数，根据公路现场地质勘查资料，结合《铁路隧道设计规范》建议值采用。
表2-2岩土物理力学指标参数
岩土
类型
时代
成因
潮湿及风化
程度
天然密度
ρ(g/cm3)
凝聚力
(kPa)
内摩擦角φ(°)
弹性反力系数K（Mpa/m）
泊松比
弹性模量 (E)Gpa
黑云母花岗岩
γ52（3）c
W4
2
0.1
20
100
0.45
1
W3
2
0.2
25
150
0.35
1.5

2.3检算荷载条件
交叉段落隧道主要考虑永久荷载围岩压力、结构自重及偶然荷载地震力。
2.3.1结构自重主要为衬砌结构自重，按钢筋混凝土衬砌考虑，密度取25KN/m3。
2.3.2围岩压力,根据地形及围岩条件，本段落属于浅埋偏压隧道，其围岩压力计算如下：
（1）围岩荷载垂直压力
可按下式计算：

并假定偏压分布图形与地面坡一致。

图2-3-1 偏压隧道衬砌荷载计算图式
式中 ——分别为内、外侧由拱顶水平至地面的高度(m)；
——坑道跨度(m)；
——围岩重度(kN/m3)；
——顶板土柱两侧摩擦角（º），当无实测资料时，可参考表2-3选取；
表2-3 摩擦角取值
围岩级别
II～III
IV
V
值
0.9φc
（0.7～0.9）φc
(0.5～0.7)φc
——内、外侧的侧压力系数，由下式计算：

式中: ——地面坡度角（º）；
φc——围岩计算摩擦角（º）；
——内外侧产生最大推力时的破裂角（º）。
（3）围岩荷载水平侧压力
内侧：
外侧：
式中： ——分别为内、外侧任一点至地面的距离(m)。
2.3.3偶然荷载为地震力，根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），场址区地震基本烈度Ⅵ度，分组第一组，地震动峰值加速度为0.05g，地层地震动反应特征周期为0.35s。高铁南山二号隧道所在地区动峰值加速度为0.05g，根据《铁路工程抗震设计规范》本段落隧道可不考虑地震力影响。
2.4 结构检算条件
设计单位拟定计算理论荷载—结构模式；计算中用梁单元模拟衬砌；用布置于各节点上的弹性连杆单元来模拟围岩与衬砌的相互约束；弹性连杆只承受压力，弹性连杆受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗力。考虑复合式衬砌由初期支护与二次衬砌共同承载，拟定计算条件，Ⅴ级围岩二次衬砌承受70%的围岩压力原则考虑。结构配筋检算按破损阶段法进行，参考《铁路隧道设计规范》及《铁路工程隧道设计手册》进行。
2.5 结构检算分析
经铁路设计咨询单位采用ANSYS计算程序检算，各工况计算内力图比较,由于隧道上方土/岩体开挖，隧道顶部围岩存在一定的卸荷作用，会改善原地形的偏压条件，隧道构内力变小，表明地表开挖对隧道结构受力并无不利的影响。
三、拟建高速公路施工期间对隧道的影响分析
3.2桩基施工工艺标准分析
桥梁桩基施工时，开挖将会对隧道洞周围岩产生一定扰动，为降低对隧道的影响，需对桩基施工的工艺提出要求。桩基与隧道的距离小于一倍洞径，为超净距，不应采用爆破方法开挖桩基，故应采用非爆破开挖工艺完成桩基的施工。
目前没有确切的关于对地下构筑物旁非爆破开挖桩基施工的规定或规范要求，类比国内关于桩基施工的研究资料，一般将质点振动速率作为判断构筑物是否安全的依据。目前常用的桩基安全振动判据有：
（1）《爆破安全规程》（GB6722-2011）中13.2 关于爆破振动安全允许距离规定：“地面建筑物、电站(厂)中心控制室设备、隧道与巷道、岩石高边坡和新浇大体积混凝土的爆破振动判据，采用保护对象所在地基础质点峰值振动速度和主振频率。安全允许标准，交通隧道安全允许质点振动速度为10～12 cm/s”。
（2）根据抗震设防烈度来推论安全判据，该区域的动峰值加速度为0.05g，烈度为VI度，其峰值速度为5cm/s。
对比以上标准数值，偏安全的考虑以地震烈度VI度中峰值速度的规定，取安全振动速度为5cm/s作为施工控制指标。
3.3桩基施工工艺选择
桩基非爆破开挖的工艺主要有人工挖孔、长螺旋钻孔以及冲击钻孔三种。
人工挖孔桩基具有干扰小的优点，但是与隧道干扰段的桩长为27~42m，围岩条件较差，如采用人工挖孔，有很高的施工风险，不予采用。
长螺旋钻孔压灌桩是国内近年开发且使用较广的一种新工艺，适用于地下水位以上的粘性土、粉土、素填土、中等密实以上的砂土, 属非挤土成桩工艺，该工艺有穿透力强、低噪音、低振动、无泥浆污染、施工效率高、质量稳定等特点，能够满足衬砌结构安全要求，但其成桩的桩径较小，而且桩身入岩较困难，故本项目亦不适用。
冲击钻孔灌注桩适应于各种地质条件，查阅国内关于冲击钻孔灌注桩的施工振动速率的研究，《桥梁桩基冲击钻孔振动衰减特性试验分析》一文表明：在冲击能量为77910J时，对于离桩2m处的监测点振动速率为4.03cm/s，离桩4m处的振动速率为1.47cm/s。桩基与隧道衬砌处的最近距离为6.82m，根据工程类比振动速度应远小于5cm/s，所以冲击钻孔能满足衬砌结构安全要求。
钻机落锤能量公式W=mgh，式中W为落锤能量，类比工程冲击能量为77910J控制施工，m为桩锤质量，g为冲力加速度9.8 m/s2，h为桩锤落锤高度即钻锤冲程，当钻锤质量一定时，钻锤冲程对振动影响具有绝对影响，故施工时冲击钻孔成孔施工期间，桩锤冲程不应太大，冲击频率为40~48次/分钟为宜，以减小对隧道衬砌的扰动。
4 结语
4.1通过设计验算表明洞顶的卸荷作用改善了隧道的偏压条件，隧道内里变小，无不利影响。
4.2 通过对质点振动速率的控制，能够有效保证桩基钻孔成孔工艺对隧道的影响控制在合理的范围，确保既有构造物的安全。
参考文献
（1）《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）
（2）《工程岩体分级标准》（GB50218—94）
（3）《爆破安全工程》（GB6722-2003）
（4）《工程地质勘察规范》（DBJ50-43-2005）；
（5）《铁路隧道工程施工技术指南》（TZ204-2008）
（6）《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）
（7）《桥梁桩基冲击钻孔振动衰减特性试验分析》（杜小娟等著）
（8）《冲击钻孔振动对埋地官道的安全判据探讨》（宋春生等著）