岩溶地区回转式套管桩施工对邻近既有高铁桥墩的影响分析.pdf

2023年6 月3 0 日铁路地质与路基2023年第1期总第10 5期岩溶地区回转式套管桩施工对邻近既有高铁桥墩的影响分析阮晨希（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉4 3 0 0 6 3)摘要本文以某新建铁路线下穿既有沪昆高铁的桩基工程为例，通过建立三维数值计算模型，研究了岩溶地区回转式套管桩施工时，邻近既有桥墩的沉降、水平位移及周边地表沉降变化规律，同时通过对现场监测值与模型计算值进行直观数据对比，论证了回转式套管桩在岩溶地区邻近既有高铁的桩基施工的适用性，可为类似工程提供参考。【关键字岩溶既有高铁回转式套管桩数值模拟随着我国铁路网高速发展，下穿既有铁1工程背景路工程呈逐渐增长趋势，加之我国岩溶地区分布广泛，因此，对溶洞发育地区邻近既有线路施工的研究具有一定的工程意义。石振明以吉安永和大桥桩基施工为例，系统介绍了溶洞处理的一般原则和处理方法选择依据。徐浩然2 I基于边坡支护的基本原理，结合某特大桥桩基工程，运用岩溶注浆、旋喷桩隔离既有线、片石填充、护筒跟进、抗滑桩围护及变形监测等手段，避免了岩溶地区桥梁桩基施工所产生的地面塌陷、溶洞封堵漏浆、桩孔塌及周边变形超限等问题。覃文元3 结合湖南常吉高速工程五处钻孔灌注桩施工案例，阐述了桥梁桩基穿越多层溶洞的钻孔施工方法。黄自文4 采用全护筒二次成孔分级防护的方案，成功解决了桩基穿过复杂连通溶洞时孔内泥浆水头迅速下沉的问题。杨卫东5 通过数值模拟和灰色理论分析研究了单桩穿越大型溶洞时不同桩长、桩径、洞高对桩基承载力特性的影响。本文依托某铁路线桥梁下穿沪昆高铁客运专线工程，对岩溶地区下穿既有高铁线路的桥梁桩基施工对既有线的影响进行研究。1.1工程概况某铁路线桥梁桩基施工工程，拟建桥梁起屹里程DK1+123.75至DK2+445.17，桥梁全长13 2 1.4 2 m。于设计里程DK2+120.18至DK2+152.98处以T梁形式下穿沪昆高铁特大桥2 6-2 7 墩之间（中心里程为K1145+278.04），相交角度8 0，其2 8 号与2 9 号桥墩邻近既有高铁，距既有线桥梁最小水平距离为6.3 0 m，距既有线桥墩最小水平距离13.4 0 m，桥面净高差13.9 8 m。拟建桥梁桩基与既有沪昆高铁线的相对平面位置关系如图1，立面位置关系图见图2。新建铁路线沪昆铁路客运专线铁路28-428-5-28-128-228-3图1桥位平面关系图23113.4图中标注单位：m3026沪昆铁路客运专线铁路桥中心27268661新建铁路桥墩1013.5600点布置图见图4，测点编号表见表1。新建铁路线29号桥墩8LL沪昆高铁$=125=125图中标注单位：cm图2 桥位立面关系图沪昆高铁特大桥2 6 号桥墩承台厚度2.30m，桩基础采用12 根基桩，桩径1.2 5m，桩长14.0 0 至18.5米。2 7 号桥墩承台厚度2.30m，桩基础采用12 根基桩，桩径1.2 5m，桩长6.0 0 至12.50 米。拟建桥梁2 8 号、2 9号桩基由5根基桩构成，桩长19 至4 0 m，28号桥墩下方布有强发育溶洞。对工程场区进行了地质勘察，据勘察结果显示，桥址区地层按其成因分类，主要为第四系全新统人工回填土（Q4m）、粉质黏土（Q4a+pl）、圆砾土、残积层（Q）黏土、石炭系壶天群（C2+3）白云质灰岩。新建铁路与既有线交叉处岩溶强烈发育，场区以密集中小型层叠状岩溶为主，个别位置发育有大型溶洞，溶洞以全填充和半填充灰岩碎块、粉质黏土、粗圆粒土为主，无填充溶洞占比较少，新建铁路桩基2 8 下方溶洞高度为11.1至16.3 m，物探法测得场区岩溶布置如图3。1.21监测方案由于新建铁路桥墩施工可能引起沪昆高铁结构和地基应力发生变化，使沪昆高铁桥梁结构发生较大的位移，危及高铁行车安全。因此，本工程在桩基施工期间和施工后一段时间内对新建铁路线与沪昆铁路线交界处既有高铁桥墩的沉降、水平位移及周边地面沉降进行监测，使工程处于受控状态，测28号桥墩=125图3桥址区岩溶分布图新建铁路线29号桥墩沪昆高铁DB1DB228号桥墩6图4测点布置示意图表1测点编号表图例编号CDBW2三维数值模拟计算模型2.1计算假定由于施工场区岩溶呈层叠状发育，个别溶洞强发育，大部分溶洞净高较小，为简化计算模型并使计算结果呈现普适规律，本次数值模拟默认各土层与岩层在空间平面上层31桥址区岩浴W2监测项目监测点数桥墩沉降4地表沉降2墩顶水平位移2厚统一，新建桩基下方溶洞理想化为球体空洞。本次数值分析模拟计算假定如下：（1）同种材料为均质、各向同性体；（2）桥墩、承台、桩体假定为线性弹性体；（3）理想弹塑性体的地基土和基岩；（4）桩土相互作用由假想的桩土接触面耦合弹簧来模拟；（5）溶洞以理想化球体性状建立。（6）桩孔开挖与混凝土浇筑过程不考虑时间因素对桩孔以及周边土体的影响，开挖及浇筑均在瞬时完成。2.2计算模型确定根据新建桥梁桩基与既有线的位置关系可知，场区主要施工边界近似于边长3 0 m的方形区域，既有线最大桩长18 m，拟建桩基仅有两根过溶洞基桩长4 0 m，其余桩长均在2 0 m左右，故本次模拟计算区域以新建桥梁与既有线交点为中心，平面长宽取3 倍施工场区边长，深度取3 倍桩长计算，最终确定计算区域几何尺寸为：长10 0 m，宽100m，深度6 0 m，模型建立过程如下：（1）建立拟建桩基开挖处的单元以及溶洞模型体。（2）建立场区土层及岩层模型。（3）在既有线桥墩位置上方建立既有高铁的桩基、承台和桥墩模型，同时在既有线桩基外表面建立接触面模型，将桥墩、承台、桩基整体下移至拟定位置。几何模型坐标系统X轴沿东西方向分布，以东向为正，Y轴沿南北方向分布，以北向为正，乙轴垂直地表以向上为正，坐标原点位移几何模型左下地表顶点处，计算模型网格单元在既有线与桩基施工点处划分密集，在远离施工场区土层及岩层网格划分稀疏，计算模型图见图5。模型块体建立完成后对各分组进行本构模型定义，其中粉质黏土、圆砾土、白云质灰岩采用摩尔库伦模型，桩基、承台、桥墩、钢套管采用各向同性线弹性模型。同时32e2012 ItascaConsuFLAC3D5.00tingGrouZoneColoflorbyGroupAny根据现场地质勘察报告以及相关工程手册选取对应力学参数。由于场区基岩与土层交错分布，接触面极为复杂，且场区地表土层厚度较比基岩厚度较小，在长期自重应力作用下土层与岩层接触面嵌合度良好，故不考虑基岩与土层的接触面模型，使用软件贴合命令将岩土层视为整体，仅考虑桩基与土层和岩层之间的接触面模型，接触面参数选取参照FLAC3D使用手册建议值，取较弱一侧的粘结力与摩擦角，切向刚度与法向刚度取相同值，为10 倍的弱侧剪切模量值，各地层与桩基接触面分别定义，桩土接触面参数选取表见表2。表2 桩土接触面参数表粉质粘土-圆砾土一白云质灰岩一桩接触面桩接触面桩接触面切向刚度/MPa19.7法向刚度/MPa19.7模型建立与参数赋值完成后，需对模型的边界条件进行设置，本次模拟限制模型X方向与Y方向的四周边界面处位移，Z方向限制模型底面位移，顶面不做限制。3数值模拟结果分析3.1既有线桥墩沉降分析对既有线桥墩的工后沉降进行分析，图6为既有线桥墩工后沉降位移云图。从图6 中可以看出，墩身部分沉降云图的位移等值线呈斜向分布，并随着施工进度的推移愈发明显。桩基施工使桥墩承台产图5整体模型图1.61021.121051.6 1021.12:105FLAC3D5.00c2012.tascaComsutingGroup,.Inc.ContourOfZ-Displacement3.5224E-052.5000E503.3879E-03DE0.610.4-0.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.02一2 6 号桥墩沉降监测值26号桥墩沉降模拟值224-2.6-2.8图6 桩基施工后既有线桥墩沉降云图-3.00生了一定程度的不均匀沉降，致使桥墩产生了朝向施工区的歪斜倾向，所以桥墩顶部的沉降值大于桥墩中下部沉降值，既有线桥墩的沉降主要发生在既有线两桥墩之间的土层与岩层，既有线桩基承台周围的土体沉降明显，且主要沉降区随着桩基施工与注浆向施工扰动区靠拢。在施工过程结束后，既有线桩基承台与溶洞之间出现了较为明显的带状式沉降区，沉降值向计算区域外侧逐步减小。由此可见，岩溶地区邻近既有高铁桥墩的桩基施工主要沉降发生在溶洞区与既有线桩基承台处的表层土处，背离岩溶施工区的既有桩基外侧沉降值较小。对桩基施工期间内不同时间节点的工况进行细分，提取每个时间节点上相应工况的模型计算值与实际监测值进行对比，分析现场监测值与模型计算值之间的差异，桩基施工期间既有线桥墩沉降值对比曲线如图7、图8 所示。0.610.40.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.02.024-2.6-2.8-3.00图7 2 7 号桥墩沉降曲线对比图10图8 2 6 号桥墩沉降曲线对比图从图7 与图8 中可以看出，既有线2 6号、2 7 号桥墩的计算沉降值随工期的变化规律与沉降监测值相似，既有线桥墩沉降主要发生在桩基施工的初期阶段，沉降速率随着施工推进逐渐减小。与监测值相比，数值模拟得出的沉降值稍大，沉降曲线更加平滑，具有较好的规律性。2 7 号桥墩由于邻近岩溶发育区，其初期沉降速率与最终沉降值均大于2 6 号桥墩对应数据。桩基施工结束时，2 7 号桥墩实际监测沉降值为1.6 8 mm，26号桥墩实际监测值为1.59 mm，满足规范要求。3.2既有线桥墩水平位移分析图9 为岩溶区桩基施工后既有线桥墩顺桥向（东西方向）水平位移云图。桩基施工产生的顺桥向水平位移主要集中在既有线桥墩结构，岩溶地区桩基施工过程中，既有线承台周边土体也会产生小幅度水平位移。桩一一2 7 号桥墩沉降监测值基施工结束后，既有线桥墩均向桩基施工点一2 7 号桥墩沉降模拟值方向产生位移，在墩顶处达到最大值并从墩顶向下递减。FLAC3D5.00e2012 tascaConsulng Group.inc.Contourorx-Displacement4.000E-034.5000E-033.5000E-033.00E03500OOE03.0000E0303500OOET71020施工工期/天20施工工期/天30403050500.00004.2967E-034050图9 桩基施工后既有线桥墩顺桥向水平位移云图33将各个时间节点对应的工况模型计算位移值与监测值进行对比，如图10、图11所示。0.41-5.20图1027号桥墩顺桥向水平位移对比图一2 6 号桥墩东西向水平位移监测值4.4126号桥墩东西向水平位移计算值4.00.80.40.0-0.40图112 6 号桥墩顺桥向水平位移对比图从图10、图11中可以看出，顺桥向水平位移计算值在过岩溶桩基施工时变化明显，0 至2 4 天岩溶区桩基施工时桥墩水平位移增长速率大于后期非岩溶区施工的变化速率，说明溶洞处桩基施工对既有线桥墩水平位移影响较大。相比于计算值，监测值在初始突变点处存在一定的延后性，后期变化规律基本与计算值变化规律相符，施工结束后，既有线2 6 号桥墩实际水平位移为1.61mm，2 7 号桥墩实际水平位移为1.4 8 mm，满足规范要求。3.3既有线桥墩周边地表沉降分析岩溶区桩基施工完成时地表沉降云图见图12，岩溶区桩基施工完成后桥址区地34表沉降主要分布在以溶洞上方2 8 号桩基与既有线桩基构成的三角区域处，地表沉降值在2 8 号桩基以及既有线邻近施工点一侧的一2 7 号桥墩东西向水平位移监测值表层土处最大，达到2.7 8 mm，并向桥址区27号桥墩东西向水平位移计算值四周呈扩散趋势依次递减。地表沉降最大值处为溶洞上方桩孔位置处，在施工中期达到4.15mm，施工结束时为7.3 2 mm。FLAC3D5.00e2012.tascaConsutng.Group.linc.ContourOrZ-DisplacementPlane:on1.4816E-050.000E+00-5.0000E-00E5000E-50003.000OE.500OOEOE4.00050OOEOOE5.000-5.5001020施工工期/天1020施工工期/天303040405050.0000E-7.000E-036.5000E-7.3172E-03将各时间节点对应的工况模型计算地表沉降值与监测值进行对比，结果如图13、图14 所示。0.00.44.00图13 2 7 号桥墩地表沉降值对比图0.00A-3.6-4.0+0图14 2 6 号桥墩地表沉降值对比图图12 桩基施工后地表沉降云图一2 7 号桥墩地表沉降监测值27号桥墩地表沉降计算值1020施工工期/天26号桥墩地表沉降监测值一2 6 号桥墩地表沉降计算值1020施工工期/天303040405050由图13、图14 可知，桥墩地表沉降监测值略小于模型计算值，但规律基本相同。由于两个地表沉降值测点与溶洞的距离相差较小，故其地表沉降曲线在整个施工期间的变化规律基本相同，施工前期由于桩基穿越溶洞施工，地表沉降速率较大，随后沉降速率逐步平稳，2 6 号桩基地表最终沉降值为3.3 5mm，略小于2 7 号桩基地表沉降值3.73mm。与桥墩沉降值相比，桥墩周围地表沉降值较大，由于既有线桥墩桩基础的存在，将上部结构荷载传递至变形较小的持力层基岩中，一定程度上减少了桥墩的沉降。4结论（1）根据模型计算结果，桩基施工导致既有线桥墩承台周围土体与施工扰动区之间出现带状沉降区，桥墩墩身位移云图等值线呈斜向分布，桩基施工结束时，2 7 号桥墩实际监测沉降值为1.6 8 mm，2 6 号桥墩实际监测值为1.59 mm，符合规范要求。（2）桩基施工使邻近的既有线桥墩结构产生朝向施工点的微量倾覆式变形，在桥墩自身几何结构的影响下，使得模型主要水平位移集中在桥墩结构处，最终既有线2 7号桥墩最终向东偏移监测值为1.4 8 mm；2 6号桥墩向西偏移监测值为1.6 1mm，符合规范要求。（3）工程桥址区在桩基施工过程中地表沉降主要集中在溶洞处2 8 号桩基与既有线桥墩桩基所构成的三角形区域，向模型四周方向沉降值依次递减。施工结束时溶洞上地表处沉降最大为7.3 2 mm。桩基施工对溶洞位移及应力有一定影响，但溶洞整体仍表现出稳定状态。施工结束后，2 7 号桥墩周边地表沉降测点处沉降值为3.7 3 mm，2 6 号桥墩地表沉降测点处沉降值为3.3 5mm。参考文献1石振明，沈丹祎，彭铭，等.岩溶地区桩基施工溶洞处理技术一一以吉安永和大桥桩基施工为例J.工程地质学报，2 0 15,2 3(0 6):116 0-116 7.2 徐浩然.邻近既有线的岩溶区桥梁桩基施工技术J.铁道建筑技术，2 0 15(0 5):2 3-2 6+4 4.3 覃文元.大桥桩基穿越复杂岩溶地质钻孔施工的处理方法.公路交通科技（应用技术版)2007(02):117-118+126.4 黄自文.冲积层溶蚀地区桩基础施工技术J.公路交通科技（应用技术版），2 0 0 9，5(0 1):12 2-124.5 杨卫东.单桩穿越大型溶洞的竖向承载特性研究D.长安大学,2 0 13.35