桥梁桩基采用全套筒全回转钻机施工对既有隧道的影响分析.pdf

发展与创新223工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月摘要：文章以某新建市政桥梁邻近既有隧道桩基施工为例，为确保桥梁桩基施工中既有隧道的安全，从桩基施工工艺出发，建立三维数值模型，对传统桩基施工和全套筒全回转钻机施工进行了对比分析。结果表明：全套筒全回转钻机施工显著降低了既有隧道的变形，是一种有效的施工工艺。同时提出全套筒全回转钻机施工方案和既有隧道监测方案，为同类工程提供了可参考案例和指导。关键词：市政桥梁；桩基施工；既有隧道；全套筒全回转钻机；模拟分析；监测Abstract:Taking the pile foundation construction of a newly built municipal bridge adjacent to the existing tunnel as an example,in order to ensure the safety of the existing tunnel in the construction of bridge pile foundation,a three-dimensional numerical model is established from the pile foundation construction technology to compare and analyze the traditional pile foundation construction and the full sleeve rotary drilling rig construction.The results show that the full sleeve rotary drilling rig construction significantly reduces the deformation of existing tunnel,and is an effective construction technology.At the same time,the full sleeve rotary drilling rig construction scheme and the existing tunnel monitoring scheme are put forward,which provides reference cases and guidance for similar engineering.Key Words:municipal bridge;pile foundation construction;existing tunnel;full sleeve rotary drilling rig;simulation 桥梁桩基采用全套筒全回转钻机施工对既有隧道的影响分析李亚奇长沙高铁西城建设投资有限公司，湖南 长沙 410007Analysis on the Influence of the Bridge Pile Foundation Construction with Full Sleeve Rotary Drilling Rig on the Existing TunnelLI YaqiChangsha High-speed Railway Xicheng Construction Investment Co.,Ltd.,Changsha 410007,Hunan,China072.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.12.目前城市市政基础设施发展迅速，城市地下构筑物密集，新建市政桥梁桩基施工对已建地下构筑物的影响日渐突出，采取科学的桥梁桩基施工工艺，解决上述问题迫在眉睫。全套筒全回转钻机施工是解决此类问题有效的施工方法之一，通过液压设备控制转速回转压入钢套筒，降低桩基对周边土层的扰动，有效控制周边地下构筑物的附加应力和变形1。文章结合新建桥梁桩基施工的工程实例，分析了全套筒全回转钻机施工对既有隧道变形的影响，并提出全套筒全回转钻机施工方案和既有隧道监测方案。1 工程概况1.1 拟建桥梁概况拟建桥梁跨现状河流，河流走向为北偏东 23，水流流向为自南西向北东，水面宽度约 23 m，水深2.8 3.5 m。河流西岸为荒地，东岸为现状公园，地形起伏较大；拟建桥梁走向与南侧现状某隧道平行，桥梁红线距隧道结构边线约 0.6 m。拟建某市政桥梁全长 66 m，为一跨简支钢箱梁桥，桥宽 12 m，具体组成如下：0.5 m 防撞护栏+0.25 m 路缘带+（23.25 m）两车道+0.25 m 路缘带+4.5 m 人行道及栏杆。上部结构采用单箱双室钢箱梁，梁高 2.9 m，顶宽 12.0 m，底宽 5.6 m；顶板厚 16 24 mm，底板作者简介：李亚奇，女，硕士，工程师，研究方向为市政设计及管理。analysis;monitoring分类号：U455.4发展与创新2242023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究厚 20 24 mm，腹板厚 16 20 mm。外腹板与顶板间采用半径 1.5 m 装饰板圆弧过渡；桥台采用墙式桥台，基础为 4 根直径为 1.5 m 的群桩。1.2 既有隧道概况隧道道路等级为双向四车道高速公路，隧道结构宽 24.8 m，设计车速 100 km/h，现已建成通车。主体结构采用 C35 现浇钢筋混凝土框架结构，采用明挖顺作法施工，基坑基本采用多台阶放坡支护开挖，拟建桥梁基本位于隧道原施工基坑范围，此处基坑边坡分为三级，坡率从下往上依次为 1 0.3、1 1、1 1.5，边坡支护采用直径 18 mm、长 1.5 m、间距 1.5 m1.5 m的土钉墙。根据隧道基坑设计图纸，桥台位置的隧道顶板以上 80 cm 范围内采用人工回填黏土夯实，以上部分采用不含有机杂物的非淤泥质弃土回填，回填土密实度不小于 0.91。1.3 地质情况根据勘察资料，各地层自上而下依次为素填土层厚 2.50 3.30 m、填筑土层厚 6.00 10.00 m、强风化板岩层厚 0.70 2.60 m（局部强风化板岩中分布有中风化板岩-1夹层或透镜体）、中风化板岩层厚 12.20 23.90 m（局部中风化板岩中分布有强风化板岩-1夹层或透镜体）、微风化板岩揭露厚度 7.00 8.70 m，层厚不详，岩层参数如表 1 所示。表 1 岩层参数表钻孔灌注桩方案有限元模型如图 1 所示。考虑到模型边界效应的影响，计算范围取 90 m40 m40 m，共划分 26 457 个单元，5 336 个节点。在模型底部施加完全固定约束，在两侧施加竖直滑动约束，模型表面则取为自由边界，为简化计算过程，地基土采用以摩尔库伦为破坏准则的理想弹塑性模型2-3。钻孔桩施工对既有隧道结构造成 3.6 mm 变形，为控制桩基施工对既有隧道的结构变形影响，须采取必要的控制措施，保证既有隧道结构和运营安全，变形结果如图 2 所示。岩土名称钻（冲、挖）孔桩、旋挖成孔灌注桩灌注桩地基土水平抗力系数的比例系数 m 值/（MN m-4）桩的极限侧阻力标准值/kPa桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值/MPa端阻力发挥系数岩层侧阻发挥系数素填土16 186 8填筑土20 258 10强风化板岩中风化板岩-1强风化板岩-1140160120 140中风化板岩6.5 7.40.400.03200 220微风化板岩17.0 19.00.500.04注：表中不提端阻力者，为不推荐作为桩基持力层，素填土的负摩阻力系数建议为 0.25。2 钻孔灌注桩施工对既有隧道的变形分析结合施工方案，基于 Midas GTS 建立有限元模型，3 全套筒全回转钻机施工对既有隧道的变形分析考虑到桥台桩基离隧道外壁净距较小，需重点设计桩基施工方案，可参考使用全套管全回转钻机工法施工。全套管全回转钻机是一种集全液压动力和传动于一体的钻机，同时结合机电液进行联控。在卵石、漂石地层、含溶洞地层、厚流沙地层、强缩劲地层、各类桩基、钢筋水泥结构障碍尚未清除前，施工人员可以实现灌注桩、置换桩、地下连续墙等施工作业，是一种新型、环保、高效的钻进技术。近年来，该技术在城市地铁、深基坑围护咬合桩、废桩（地下障碍物）清理、邻近高铁建设、道桥、城建桩建设、水库大坝加固工程等方面得到了广泛的应用4。采用全套管旋压跟进且控制转速的施工方法进行桩基施工，钢套管底部的刀头旋转破坏土体结构，与图 1 钻孔灌注桩方案有限元模型图 2 钻孔灌注桩方案隧道变形云图（单位：MPa）发展与创新225工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月土体发生切向运动，可减小钢套管下压的摩擦力，从而最大限度地减小钻孔灌注桩施工对既有隧道的影响5。采用全套筒全回转钻机施工方案后，在桩基与土体间建立结构单元模拟套筒进行有限元模型分析，如图 3 所示。桩基施工造成的既有隧道结构最大变形为0.8 mm，位于离桥梁桩基净距最小区域，对比普通钻孔施工最大变形为 3.6 mm，全套筒全回转钻机施工方案改善变形的效果明显。套筒施工方案隧道变形云图如图 4 所示。图 3 全套筒施工方案有限元模型图 4 全套筒施工方案隧道变形云图4 全套筒全回转钻机施工方案该项目桥梁桩基为 4 根长约 19 m 的钻孔灌注桩，直径为 1.5 m，采用端承桩设计。全套筒全回转钻机施工方案为施工准备（探孔开挖及场地平整）测量定位（确定钻孔桩位）全回转钻机安装（定位板安装、全回转钻机安装、扭矩板安装）埋设首节套管（8 m）钢套管旋转切削钻进钻进 5 m 后安装标准节套管（6 m）钻进至孔底标高钢筋笼制作与吊装安装导管灌注混凝土。施工过程中需注意如下事项：（1）为分散大型设备荷载，减少对既有隧道的影响，桩基范围内铺设路基钢板箱。（2）将钢套管切入一定深度后，若钻机扭矩较大，开始采用抓斗抓土，当抓土深度距离钢套管底部少于3 m 时，继续旋转切入套管并同时进行抓斗抓土。重复上述步骤直至钢套管沉入设计深度。（3）灌注桩基混凝土采用直升导管法，在进行首批混凝土封底后，根据每次拔管时测量的实际混凝土高度及导管埋深，先进行套筒拆拔再进行导管拔管，保证每次拔管后套筒的底高程、埋深与导管相同。5 既有隧道监测方案既有隧道为正在运营的市政基础设施，通过对施工过程中隧道监控测量，分析结构在施工过程中的动态变化，判断其稳定性和运营安全性。通过现场监测弥补理论分析过程中的不足，并将监测结果反馈设计以指导施工，为钻机回转速度的调整、预测可能发生的事故和险情提供参考依据，以便及时采取措施，确保施工质量和施工进度。（1）监测范围：选取桩基位置的隧道前后 30 m。（2）监测内容：隧道水平位移、竖向位移、径向收敛。控制标准参考国内外相关工程经验及相关规定，监测预警值为 5 mm，控制值为 10 mm。（3）监测频率：距离施工作业面断面中心点 10 m范围内为 1 次/1 h，当施工影响较大接近预警值或出现变形速率加大征兆时，应适当提升监测频率；距离施工作业面断面中心点 10 30 m 内为 4 次/d；变形稳定后，第一个月 2 次/7 d，之后 1 次/7 d，14 d 变形量累计不超过 1 mm 视为变形稳定。6 结束语文章通过模型模拟分析桥梁桩基施工对邻近隧道的影响，得出使用全套筒全回转钻机施工能有效控制邻近隧道结构变形的结论，并提出了全套筒全回转钻机的施工方案。在施工过程中，进一步控制钻机回转转速，提出既有隧道监测方案，形成有效监测反馈机制，保障桥梁桩基施工过程中隧道的结构安全。参考文献1 杨全保,缪敏.浅谈大直径全套筒全回转钻机灌注桩施工工艺J.建设监理,2022(7):98-101.2 杨吉新,王耀东,张战彪,等.钢套筒压入对邻近地铁影响的有限元分析J.交通科学与工程,2021,37(2):14-19.3 赵军,周子翔,朱银红.大直径无缝钢管全灌浆套筒的力学性能J.济南大学学报(自然科学版),2021,35(6):593-597,613.4 闫俊然.全套筒全回转工艺在地铁施工领域的应用研究D.北京:中国地质大学,2018.5 丁鸿志,邹鸿浩,赵光,等.城市地下道路隧道结构健康监测研究J.城市道桥与防洪,2023(1):197-201,209.