隧道下穿桥梁洞内桩基托换及变形控制研究.pdf

文章编号-0009-06NO.7(Ser.298)JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETYJul2023报程道学铁2023年7 月第7 期（总2 9 8）隧道下穿桥梁洞内桩基托换及变形控制研究米米黄生根刘佳旺田卫东（中国地质大学（武汉），武武汉 4 3 0 0 7 4)摘要：研究目的：隧道洞内桩基托换技术比常规桩基托换受力情况更复杂，施工控制难度更大，而目前施工过程中桩基的受力及位移响应规律缺乏研究。本文结合武汉地铁5号线下穿桥梁洞内桩基托换工程监测数据，通过建立三维数值仿真模型，对整个洞内桩基托换过程中桩基的沉降变化情况及其规律、摩阻力的分布及变化规律进行分析。研究结论：（1)洞内桩基托换过程中桩基的沉降及桩侧摩阻力的变化与地层扰动的程度及二衬结构的施工密切相关，隧道开挖至桩基正下方时桩的沉降发展最快，并在桩身下部出现负摩阻力；随着二衬结构的施工，桩的沉降趋于稳定，侧摩阻力沿桩身分布与初始状态相似；（2）卸荷开挖影响范围为开挖面前后3 倍洞径，先行隧道施工后地表沉降曲线呈现为“V”形，随着后行隧道的施工沉降槽曲线形状呈现为不规则“U”形；（3 加厚注浆加固圈能有效改善对桩周土的扰动，控制桩基沉降；减小开挖步距也能减少对桩周土体的扰动，改善托换过程中桩基受力状态；限制桥面交通来减少桩顶荷载的措施，在本工程中发挥作用有限；桩底预留泥岩柱在有超前支护工况下发挥作用很小，只有在无超前支护工况下，由于开挖方案对桩周土扰动较大，岩柱才会发挥较大作用，但在施工过程中考虑一些不可预见因素的影响，桩底预留岩柱还是很有必要的；（4）本研究成果可为研究洞内桩基托换过程中隧道、桩和地层的相互作用规律提供借鉴，并为实际工程应用提供参考。关键词：洞内桩基托换；数值模拟；桩顶沉降；变形控制中图分类号：TU91文献标识码：AResearch on the Underpinning and Deformation Control of Pile Foundation inTunnel under BridgeHUANG Shenggen,LIU Jiawang,TIAN Weidong(China University of Geosciences,Wuhan,Hubei 430074,China)Abstract:Research purposes:Pile underpinning in tunnel is more complicated than conventional pile underpinning,and construction control is more difficult.However,there is a lack of research on the stress and displacement responselaw of pile foundation during construction.In this paper,based on the monitoring data of pile foundation underpinning inthe tunnel of Wuhan Metro Line 5,a three-dimensional numerical model is established to analyze the variation law ofpile settlement and the distribution law of friction resistance.Research conclusions:(1)The settlement and lateral friction of pile foundation are closely related to the degree ofstratum disturbance and the construction of secondary lining.When the tunnel is excavated to the bottom of the pilefoundation,the settlement of the pile foundation develops fastest,and negative friction resistance appears at the bottomof the pile foundation.With the construction of the second lining,the settlement of the pile tends to be stable,and thedistribution of lateral friction resistance of the pile foundation is similar to the initial state.(2)The impact area of收稿日期：2 0 2 2-0 5-1 8米米价作者简介：黄生根，1 9 6 7 年出生，男，教授2023年7 月报程学道铁10unloading excavation is 3 times the diameter of the hole before and after excavation.After the construction of the firsttunnel,the surface setlement curve is V shaped,and with the construction of the second tunnel,the shape of thesettlement trough is irregularly U shaped.(3)Thickening the grouting ring can effectively reduce the disturbance tothe soil around the pile and control the settlement of the pile foundation;Reducing the excavation step distance canreduce the disturbance to the soil around the pile and improve the stress state of pile foundation in the underpinningprocess;The measures to limit the traffic on the bridge deck to reduce the pile load play a limited role in this project;The reserved mudstone pillar at the bottom of pile plays a small role under the condition of advance support,but onlyunder the condition of no advance support,the rock pillar will play a large role.However,considering the influence ofsome unforeseeable factors in the construction process,it is necessary to reserve rock pillar at the bottom of pile.(4)The research conclusion can provide reference for studying the interaction law of tunnel,pile and stratum during theprocess of pile underpinning in tunnel.Key words:pile foundation underpinning in tunnel;numerical simulation;pile top settlement;deformation control1研究背景近年来工程建设步入地下空间时代，构筑物的桩基础与地铁隧道在空间上交叉愈发严重。由于先期城市布局等因素，更改地铁线路不切实际，只能采取桩基托换技术。常规桩基托换一般采用地面梁式托换体系 1-3 ,但地铁沿线很多地方不具备大面积开挖条件,因此进行隧道洞内桩基托换成为一种选择。该技术在施工过程中仅截断隧洞界限内桩体，通过植筋方法将托换桩与承托结构连为整体，根据托换桩轴力大小选择隧道二衬结构或额外洞内拱式结构承托桩基。隧道洞内桩基托换虽具有不干扰城市运行等优点，但它比常规的桩基托换工程受力情况更复杂，施工控制难度更大，因此有必要对其加固机理、施工过程中桩基的受力、位移响应规律进行研究，从而提出针对性的变形控制措施目前有关洞内桩基托换技术的研究成果主要为对施工工法的介绍 4.5】，另外部分学者通过模型试验、数值仿真等方法对隧道土层桩基的相互作用进行了研究 6-8 ,但对于桩基托换中过程桩的受力及位移响应尚缺少研究，相应的变形控制措施的研究成果更罕见。本文依托武汉地铁5号线下穿桥梁洞内桩基托换工程,采用数值模拟与现场实测数据相结合的方式,对施工过程引发的地层变形、桩基的受力和位移响应特性及变形控制措施进行研究2工程概况武汉地铁5号线彭刘杨路站一司门口站区间隧道下穿、侧穿大片构筑物，半山桥为武汉长江大桥的匝道引桥，隧道下穿半山桥区段采用CRD工法暗挖，正下穿半山桥7 号及9 号桥桩，最大侵人隧道内部距离达到5m。半山桥桩基为桩径1 m钻孔桩，桩长2 0 22.5m，桩底入中风化泥岩3.6 7.6 m。托换段区间隧道主要穿越强风化泥岩、中风化泥岩，如图1 所示。综合考虑工程技术、社会影响等因素，决定采用洞内桩基托换、截桩后盾构空推过桥的方案。Jz02II 1 5-1 4 335.41(1-2)素填土32.41(3.00)（1 3-1）残积黏性土26.11(9.30)(20c-1)强风化泥岩14.41(21.00)（2 0 c-2）中风化泥岩图1地质横剖面示意图（单位：m）3隧道下穿桥桩方案穿越桥桩段隧道断面直径为9 m，采用CRD工法开挖。施工步骤如下：步骤1：施作超前支护，台阶法开挖1 号洞室。掏除1/4 面积桩槽，架设初支钢格栅，并保留桩底泥岩。对桩底泥岩采用1 0 mm厚钢套环保护，并用水泥净浆填充钢套环与被托换桩之间的空隙。钢套环分段焊接，每段高度为1 m，由两个半环对接焊接而成。依次完成2、3、4 号洞室的开挖。步骤2：施作二衬，对桩进行钻孔，二衬钢筋直接穿过桩基，二衬在岩柱区域预留孔洞，预留接驳器,在黄生根田卫东：隧道下穿桥梁洞内桩基托换及变形控制研究刘佳旺第7 期11岩柱四周架设临时型钢支撑。步骤3：待二衬达到设计强度后割除隧道范围内桩基，并完成二衬封闭成环,拆除临时钢支撑完成桩基拖换。4数值仿真模型的建立综合考虑边界效应与计算成本，模型长度取1 50 m，宽度取7 0 m,厚度取6 0 m。土层采用土体硬化弹塑性本构模型，超前支护采用实体单元土体参数的空间重置模拟，钢拱架加喷射混凝土初支结构采用板单元模拟，初支与土体添加接触面，隧道二衬采用实体单元模拟，桩底支撑预留泥岩柱采用梁单元模拟，桩基础采用桩单元模拟，桩基上部结构采用点荷载施加，如图2所示。需截断桩预留泥岩图2数值模型建模图结合地勘资料和室内土工试验结果，确定土层参数如表1 所示，构筑物参数如表2 所示。表1模型土体物理力学性质参数土层/(kN:m-3)Eso/(kN m-2)Eed/(kN:m-2)Eu/(kN m-2)c/(kN:m2)/()填土20.27 0007 00021E3812黏性土20.220E320E360E33016强风化泥岩2460E360E3180E38028中风化泥岩2480E380E3240E39032注浆加固圈28100E3100E3300E316030表2模型构筑物物理力学性质参数材料名称E/GPa/(kN m-33桩2531.50.2预留泥岩柱2510.25初支25300.2三衬2531.50.25计算结果分析5.1地表沉降隧道中点横剖面对应的地表沉降如图3 所示，先行隧道施工后地表沉降曲线表现为“V”形，最大沉降值为2.55mm；随着后行隧道的施工，沉降槽曲线形状表现为不规则“U形，最大沉降值为3.2 2 mm。纵向取右线隧道轴线剖面，以开挖面距开挖零点39m处的工况绘制纵向地表沉降曲线，如图4 所示。由图4 可知，掌子面前方约2 倍洞径之外，土层处于未扰动状态。开挖面后方约1 倍洞径之外，由于初支结构的保护加之距离变远，土体也达到沉降稳定状态。开挖面前后约3 倍洞径范围，在开挖卸荷作用下地表沉降变化敏感。由于模型边界效应的存在,导致6 0 70m处数据异常轻微抬升。5.2桩的沉降特性分析图5所示为施工过程中9#1 号桩桩顶沉降曲线横向水平距离X/m02040608010012014016000.51.01.52.0注：2.5单线数值模拟值；一双线数值模拟值3.03.54.0图3横向地表沉降曲线数值模拟将整个施工过程分为：先行隧道开挖阶段，拆除初支临时结构、截桩阶段，另一线隧道开挖阶段。5.2.1先行隧道开挖阶段该阶段桩的沉降分为微影响I区（0 1 5m）、弱影响I区（1 5 2 7 m）、主影响区（2 7 3 8 m）、弱影响I区（3 8 4 5m）、微影响区（4 552 m）。微影响I区：此阶段开挖面距离桩基较远，随开挖进程桩基沉降几乎无变化。弱影响I区：随着开挖面靠近桩基对桩周土的扰动开始显现，桩基沉降开始较缓增大至0.5mm。主影响区：开挖面靠近桩基，土体扰动强烈，桩顶沉降陡增至2.2 5mm。弱影响I区：开挖面逐渐2023年7 月程报学道铁10纵向水平距离Y/m01020304050607000.40.8u/1.2开挖方向1.62.02.42.8开挖面在Y=39m处3.2图4纵向地表沉降曲线隧道开挖与支护进程/m02040608010012014000.5注：开挖至正下方；截桩1.0u/科台#61.52.02.53.03.5-L右线开挖与初支拆中隔壁左线开挖与初支拆中隔壁4.0施作二衬施作二衬4.5图59#1号桩桩顶沉降曲线远离桩基，但开挖造成的土体扰动依然存在，加之桩底预留岩柱的作用,桩基沉降较缓增大至2.7 mm。微影响区：开挖对土体扰动的影响逐渐消失，桩基沉降基本稳定。5.2.2拆除初支临时结构、截桩阶段该阶段支护结构整体刚度降低，对隧道上部土体有轻微扰动，桩基下半部分出现负摩阻力，桩基沉降发展至3.1 2 5mm。但截桩托换至施工二衬时沉降几乎无变化，说明二衬作为托换受力结构很成功。5.2.3另一线隧道开挖阶段由于变形控制措施得当，双线施工相互扰动较小，加之此时桩底已有二衬结构承托，所以后行隧道施工时9#1 号桩沉降有增长趋势但很缓慢，最大值为3.29 mm。5.3桩的承载特性分析图6 所示为9#1 号桩基典型阶段的侧摩阻力分布图。由图6 可得出以下规律：第一，随着开挖面逼近基桩，上部土层因受到扰动使其桩侧摩阻力略有降低，而靠近桩端部分由于受端阻增大影响而有所增大；第二开挖至桩基正下方，隧道拱顶周围土体受到的扰动程度达到最大，桩下部出现负摩阻力，而基桩上半部分受桩土相对位移变化的影响摩阻力有所增大;第三,随着开挖面逐渐背离桩基，此时桩周各层土体沉降逐渐趋于稳定，而桩在上部结构荷载作用下沉降继续发展，此时负摩阻力减小；第四，二衬施作完结后，切除隧道内桩基，荷载由上部桩体和二衬承担，由于二衬结构刚度足够大，截桩后桩体沉降几乎不增大，此时侧摩阻力沿桩身分布与初始状态相似。侧摩阻力/(kNm-1)-300-200-10001002003000-2注：-4一初始状态；开挖靠近桩基；六-6一开挖至桩基正下方；一开挖背离桩基；8一截桩-10-12-14-16-1&-20-22-24图69#1号桩施工过程中侧摩阻力变化图5.4数值计算结果与监测结果对比桩顶实测沉降结果如图7 所示。由图5与图7 可以看出，桩顶实测沉降曲线与模拟曲线线型相似,桩顶监测沉降值略小于数值模拟值，两者吻合度较高。出现误差的原因主要为数值模型没有考虑注浆、满堂支架支撑桥面以及实际开挖隧道时采用三台阶法开挖等因素。施工时间/d02040608010000.5注：一9#1;9#2;1.0一7#1;-7#21.52.02.53.0右线隧道施工左线隧道施工3.54.04.5图7桥墩沉降监测曲线6变形控制措施研究洞内桩基托换过程中，开挖顺序、注浆厚度、开挖步距、桩顶荷载、桩底预留泥岩等措施的改变会对穿越黄生根刘佳旺第7 期田卫东：隧道下穿桥梁洞内桩基托换及变形控制研究过程中桩基造成不同程度的扰动。下面针对各影响因素对桩变形的影响进行分析。6.1不同荷载条件影响分析保持其他条件不变，上部结构荷载取汽车满载1800kN（2 个车道）、汽车限载1 6 50 kN（1 个车道）、自重1 50 0 kN三种情况进行计算，计算结果如图8所示。隧道开挖与支护进程/m0204060801001201400T0.5注：-1 50 0 kN;-1650kN;1.0-1800kNw/科台#61.52.02.53.03.5右线开挖支护左线开挖支护4.04.5图8不同荷载桩顶沉降曲线满载、限载、自重作用下桩顶沉降值分别为3.3 2 mm、3.21mm、3.1 1 m m，曲线沉降形态一致，且沉降值变化不大。可见对本工程而言，限制桥面交通荷载对桩基沉降控制效果不明显，同时会造成一定经济损失。6.2预留岩柱措施的影响分析保持其他条件不变，按有无预留岩柱两种工况进行模拟，结果如图9 所示。根据计算结果，两种工况下桩顶沉降曲线形态一致且沉降值变化不大，桩顶沉降值分别为3.3 2 mm、3.4 5m m。因此，对本工程而言，保留桩底岩柱对控制桩基沉降效果不明显。隧道开挖与支护进程/m02040608010012014000.5注：一一有泥岩；一一无泥岩/迎科#1.01.52.02.53.03.5右线开挖支护左线开挖支护4.04.5图9有无泥岩柱工况下桩顶沉降曲线但由图1 0 可知，在无超前支护工况下，无泥岩柱会导致桩顶沉降变大，说明只有在开挖方案对桩周土扰动较大时，岩柱才会发挥较大作用。但在施工过程中考虑一些不可预见因素的影响，桩底预留岩柱还是很有必要的。隧道开挖与支护进程/m02040608010012014000.5注：一一两层超前支护；一无超前支护1.01.52.02.53.03.54.0右线开挖支护左线开挖支护4.5图1 0不同超前支护工况下桩顶沉降曲线6.3开挖步距措施的影响分析开挖步距对隧道顶部土层成拱能力影响很大，开挖步距过大会导致桩周土扰动加剧，但开挖步距过小会导致施工缓慢，因此合理选择非常重要。保持其他条件不变，按开挖步距为1 m、2 m、3 m三种工况进行模拟。图1 1 所示为不同步距工况下桩顶沉降曲线。由图1 1 可知，开挖步距的大小对桩顶沉降影响很大，开挖步距1 m、2 m、3 m 的桩顶沉降值分别为3.2 9 mm、4.66mm、6.0 8 m m，结合沉降控制值开挖步距取1 m是合理的。隧道开挖与支护进程/m2040608010012014001注:一一1 m步距;一2 m步距；/科台#623m步距34567图1 1不同步距桩顶沉降曲线6.4超前加固措施影响分析隧道开挖前对掌子面前方土体进行预注浆加固，可提高围岩强度和桩基的承载能力。注浆加固圈采用实体单元模拟，单层、双层、三层加固圈厚度分别取0.6 m、1.2 m、1.8 m。图1 2 所示为不同注浆厚度工况下桩顶沉降曲线。2023年7 月4程报学道铁注浆厚度0.6 m、1.2 m、1.8 m 三种工况下桩顶沉降值分别为4.0 4 mm、3.2 9 m m、2.9 9 m m，都小于5mm控制值。随着注浆厚度增大，桩顶沉降明显减小，但达到1.2m后,增幅明显趋缓,且沉降注浆厚度1.2 m的桩顶沉降与实际较接近。结合变形控制要求，建议两层注浆或只在桩基托换侧采用两层注浆，另一侧单层注浆。隧道开挖与支护进程/m02040608010012014001注：一无；0.6 m;u/科#61.2 m;21.8 m3456图1 2不同注浆厚度桩顶沉降曲线7结论（1）建立了隧道下穿桥梁洞内桩基托换过程的三维数值模型，通过计算结果与试验数据的对比,验证了模型的合理性。(2)数值模拟将整个施工过程分为先行隧道开挖阶段，拆除初支临时结构、截桩阶段，另一线隧道开挖阶段三个阶段。在桩基托换过程中基桩的沉降及桩侧摩阻力的变化与地层扰动的程度及二衬结构的施工密切相关，开挖至桩基正下方时，桩的沉降发展最快，桩下部出现负摩阻力；随着二衬结构的施工，桩的沉降趋于稳定，侧摩阻力沿桩身分布与初始状态相似。（3)卸荷开挖影响范围为开挖面前后3 倍洞径。先行隧道施工后地表沉降曲线呈现为“V”形，随着后行隧道的施工沉降槽曲线形状呈现为不规则“U形。（4）加厚注浆加固圈能有效改善对桩周土的扰动，增大桩侧摩阻力，可控制桩基沉降；减小开挖步距能减少对桩周土体的扰动，改善托换过程中桩基受力状态；限制桥面交通来减少桩顶荷载的措施，在本工程中发挥作用有限；桩底预留泥岩柱在有超前支护工况下发挥作用很小，在无超前支护工况下，由于开挖方案对桩周土扰动较大，岩柱才会发挥较大作用。参考文献：1周诗俊.盾构隧道下穿立交桩基托换方案设计 J.地下空间与工程学报,2 0 1 7（S1）：1 6 2-1 6 9.Zhou Shijun.Underpinning Scheme Design of PileFoundation Crossing through the Flyover Bridge J.Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2017(S1):162-169.2唐新权.地铁区间隧道下穿桥梁大轴力桩基托换设计与施工 J.铁道标准设计,2 0 1 6（1）：8 7-9 1.Tang Xinquan.Design and Construction of Large AxialForce Pile Foundation 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