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盾構穿越橋梁區域舊樁拔樁與新樁變形性狀探討

作者:來源:日期:2020-1-15 9:01:52人氣:1137
      在地鐵施工中,擬建地鐵施工環境日趨復雜,地鐵新線與舊線的交叉、新規劃線路之間的交叉越來越多,施工中穿越道路、橋梁、建筑物、各類管線等諸多結構物的情況普遍存在,因此,開展擬建地鐵隧道穿越既有結構物的施工技術研究,不僅對現代城市的市政工程建設具有重要的指導作用, 而且還具有重要的社會意義。


      本文針對鄭州市某地鐵線路盾構穿越老丈八溝橋工程案例,結合現場調研,確定拔樁方案并建立盾構穿越結構物模擬分析,在盾構整個穿越施工過程中,對新建橋樁、橋梁、.盾構隧道及周邊環境的深層水平位移、沉降和土壓力等進行監測,根據監測數據對施工工序和參數進行調整,確保盾構機在穿越拔樁區域對地表、周邊構筑物和新建樁基不造成影響或破壞。

      1工程概況

      老丈八溝橋位于鄭州航空港區鄭港六路鄭港四街交叉口北50m處,為東西兩幅三跨預應力混凝土簡支空心板梁,采用五柱式墩與重力式橋臺,鉆孔灌注樁式橋墩基礎,全橋長44.04m。某地鐵線路盾構區間須穿越東幅橋梁灌注樁基礎,盾構穿越前對該幅橋梁進行拆除,影響盾構區間的3排共計12根鉆孔灌注樁均予以拔除,西幅橋梁保持正常通行,鉆孔灌注樁樁徑1.3m,樁長39m, 拔除長度16 ~ 18m (圖1,2)。

      根據設計及勘查資料,地下水類型為潛水,其穩定水位埋深為9.54~ 12.59m,穩定水位標高為123.340 ~ 124.970m,隧道范圍及以上土層主要為粉砂、粉土和粉砂層。拔樁和盾構施工期間,河水深度約2.0m.

      本工程的總體施工工序為:東幅橋梁破除→樁基拔除→新建橋樁打設→監測元件埋設一盾構機穿越一橋梁上部施工。

      2樁基拔除

      為保證盾構機如期順利穿越該區域,對拔樁方法進行了多次的討論分析,最終選用了兩種拔樁方案:靜力沉管加水力切割拔樁和全套管無損拔樁施工技術。

      2.1靜力沉管加水力切割拔樁

      靜力沉管加水力切制拔樁,其原理是利用液壓千斤頂及反力裝置分節壓入護簡,護簡沉入1m后,以外側套管作為護壁,內側采用高壓水幕,將舊樁周圍的土體及障礙物實施土體分離減摩,在舊樁拔出時只需考慮樁的自重,無須考慮樁周圍摩阻力,先用鋼絲繩送到離樁頂下3m左右位置鎖牢后用大噸位起重機將舊樁拔除并吊緊,然后安裝金剛石鏈鋸機裝置、設備在反力架平臺上操作切斷舊樁體,然后平穩起吊。使用該方法拔樁施工,外側減摩和整體吊樁是施工關鍵。由于該施工方法拔樁是用金剛石鏈條切斷舊樁體后用鋼絲繩起吊拔樁,能將整樁拔出,具有一定的安全性。同時該工法施工對地基土不會出現擾動,在回填土的性狀接近或稍強于原狀土時,可滿足盾構穿越各項要求,確保盾構機平穩通過此段落施工(圖3)。


      鋼護簡采用PLC同步頂升力分節壓入,千斤頂項部設置反力架,千斤頂反力須克服最大節段的摩阻力,壓入到位后,高壓水沖洗切土,壓入深度為設計截樁位置以下Im。壓入過程中,采用高壓空氣輔助下沉,特殊情況下還可利用振動錘輔助壓入。

      鋼護簡壓入到設計深度后,將護筒內泥水清理千凈后,采用金剛石鏈條鋸將灌注樁截斷并固定牢固后吊出,切割過程中應做好操作人員的防護工作。

      鋼護簡拔除期間同樣采用分節拔除方案,拔除時為有效減小拔除力,須在鋼護簡外側輔助高壓空氣減摩,舊樁基拔除后領在反力桁架跨中部位安裝一條直徑0.5m,厚12mm的無縫鋼管與待拔除樁基錨固在一-起,并和定位鋼管樁連接形成整體反力系統,鋼護簡拔除時利用反力系統為鋼護簡分節拔除提供壓力。為確保樁孔內的回填土填充密實,回填土與拔除同步,每拔除Im隨即回填水泥土并進行夯實處理。2.2  企套管無損拔樁施工

      樁基拔除的第二種方案是采用全鋼套簡沉入將樁身與土體分離減摩后將舊樁拔除或徹底清除的方法,該設備能驅動鋼套管做周回轉以將鋼套管壓入和拔除的施工機械,該設備在作業時產生下壓力和扭矩,驅動鋼套管轉動,利用管口的高強刀頭對土體、巖層及鋼筋混凝土等障礙物的切削作用,將套管鉆入地下至樁底,然后利用液壓起拔設備將樁拔除。最后向套管內回填粘土并壓實,并在回填同時逐節拔除鋼套管。在整個過程中套管鉆進及液壓起拔設備對鉆孔樁的起拔是施工的關鍵。該工法最大的特點是可將套管鉆入有巖層或高強障礙物的土層,利用套管的護壁作用,在套管內進行拔樁,施工安全、工效高,對周圍環境影響極少(圖4)。

      全套管無損拔樁設備的選型應根據樁基直徑、埋深和地質情況綜合考慮,本工程選用套管直徑2.5m,最大壓縮強度206MPa、最大起拔力305t的套管機(圖5),可滿足設計要求和施工要求。

      考慮到本工程樁基直徑較大、整柱抗拔力較大等因素,整個拔樁過程擬采用分段截除、分段吊離及多次重復方式。鋼套管沉入預定深度后,實現了樁周分離減摩,然后下放專用設備到套管內將樁身上部約10m內截斷,再使用起重設備下放鋼絲繩,將已被截斷并與整個樁身脫離的部分樁鎖扣牢固一次性拔出;實施完成上部樁體拔除后,用抓斗清除施工過程中掉入套管內的泥土再次暴露出樁頭,然后重復上次工藝直至將樁身拔除到預定深度或全部拔除。拔樁過程中起拔速度不宜過快,-邊用起重設備緩慢用力,- -邊用全回轉套管機驅動鋼套管旋轉以減少樁體摩擦應力。拔除的舊樁整齊堆放于現場,待累計一定數量后即時清理或外運。


      3盾構穿越新建橋樁區監測方案及數據分析

      3.1新建橋樁與盾構穿越

      老丈八溝橋東幅拆除后還需在原位進行新建修復(避開盾構隧道),且在盾構機到達前完成新建橋的樁基施工:新建橋橋跨布置3mX13m簡支預應力混凝土空心板,上部為13m跨預應力空心板,下部橋墩采用柱接蓋梁橋墩,柱徑1.2m,墩高5m;樁接承臺基礎,樁徑1.3m,樁長43m;橋臺采用柱接蓋梁橋臺,桂徑1.2m,墩高1.5m;樁接承臺基礎,樁徑1.3m,樁長39m:樁基共計24根(圖6)。,

      盾構機在穿越拔樁區前應完成新建橋梁的樁基施工,區間隧道于右線里程K54+825- K54+875 處下穿老丈八溝及老丈八溝橋,對應管片環數為400 ~ 430環。右線盾構穿越前1 ~ 8號承臺對應的樁基施工完成,左線盾構通過前9~ 12號承臺對應的樁基測試完成。3.2監測項目 及監測布置

      根據本工程的周圍環境、地鐵本身的安全等級及施工特點,在施工過程中主要開展如下監測項目; .

      (1)樁體水平位移監測;

      (2)樁周土壓力;

      (3)地表(含西幅橋)沉降;

      (4)隧道豎向位移。

      在新建橋樁內布置樁體深層水平位移觀測點,共布置9個測點,編號為ZQT-0-1, ZQT-0-3, ZQT-0-5. ZQT-1-1, ZQT-1-3, ZQT-1-S, ZQT-3-1, ZQT-3-3, ZQT-3-5.同時為觀察盾構機穿越過程中新建橋樁周邊土壓力的變化,在布置了測斜管的灌注樁周布置9個土壓力點位,編號為TYL-0-1, TYL0-3.TYL_0-5,TYL.1-1, TYL-1-3. TYL-1-5。TYL-3-1, TYL-3-4,TYL-3-6, 每個監測點埋設3個土壓力盒,分別埋設在對應地鐵輪廓線的上部、中部和下部(圖7)。


      3.3変影 盤測及分析

      3.3.1穿越期向的工程概況

      盾枸隧道穿越老丈八洶析區域覆土厚4.2~11m,在河底処12m范団內覆土深度匁4.2m,カ超淺覆土,カ保証盾枸掘迸灰量盾杓穿越前対垓范囿迸行了回填土圧載,回填厚度約4m.地下水美型ヵ潛水,水位深度約8m,河涜河水深度約1.0m.

      新建柝粧位置対座盾枸區向管片編號カ第400壞至第430片,當盾杓機掘迸至相座管片位畳肘,対新建柝粧幵展対虛的監測項目。監測辻程中,実吋保持対盾枸機掘迸迸度的掌握,透吋調整監測対象和監測頻率。根據監測成果,及肘調整及伏化盾枸推迸參數,杓盾枸施工的影吶區城內的変形控制至合理范困內,以確保新建柝粧的安全和稔定.3.3.2  穿越期同的參數沒定

      (1) 上部土金圧力0.08-0.1 MPas中部0.12- -0.15MPai下部0.16-0.18MPa t

      (2)推迸速度s 30-50mm/min s(3)息推カ不大于1200t:

      (4)拌土量管理·登幵抱宜徑6280m;刀珎寛1.5m;理企排土量46.4m' ;松散系數1.l-1.2;推士控制値51~-56m'.當毎壞排土込到預警偵,或者毎斗土的千斤頂行程不在控制范國內肘,盾枸操作手必須上扱,不得隴購,不得掘迸,等待指令:

      (5)刀盆特速: 1.0-1.2p/min ;

      (6)狃矩:不大于2.5MN-m;

      (7)注業圧カ: 0.2~0.3MPa:

      (8)注漿量: 5~6m';

      (9)管片防水材料:過河段需在EPDM橡膠密封墊及迎水面一側粘貼2mm厚遇水膨脹橡膠片,用以在管片張開時,加強防泥、防水。過河段范圍為河床及河床兩側各10環,即右線第390環到439環:左線第389環到438環。3.3.3橋樁深層水 平位移監測

      橋樁施工時在24根樁基上選擇9根樁布置測斜管,在樁基施工后測得初始值,盾構機穿越前、穿越過程中和穿越后分別進行了深層土體位移的測量工作,通過對監測數據的采集和分析,9組數據變形規律基本一致,因盾構穿越期間未施工承臺、墩柱和橋跨結構,盾構隧道位于樁基上部,樁基位移上端大、下端小,同時每個監測點分別采集南北和東西方向的樁體深層水平位移,垂直隧道方向的位移較盾構推進方向位移大。

      以ZQT-1-5監測數據為例,本點在盾構機穿越前、中。后共進行了6次監測,變形曲線如圖8所示。


      (1)盾構通過對鉆孔灌注樁的水平位移影響不大:總體規律為隧道上部變形大于下部,因隧道施工期間新建橋粱承臺未施工,樁項沒有承臺對變形形成約束,所以樁頂位移相對較大,最大位移達7.16mm。

      (2)隧道底部埋深約14m,在盾構推進過程中從樁體水平位移曲線可看出,隧道埋深以下樁體水平位移較小。

      (3)從新建樁基平面布置圖可知,盾構隧道從三排樁問通過,樁體東西方向變形以面向隧道為負,背離隧道為正,樁體東西方向以負為主,即橋樁均向隧道方向發生位移為主:主要原因為盾構掘進造成隧道周圍土層損失,隧道周圍土體向隧道方向移動,樁側受到樁后(背離隧道方向)主動土壓力影響產生向隧道內的位移:盾構機盾尾脫離管片后位移最大,12~24h 后土體變形趨于穩定,個別橋樁變形發生回彈。

      (4)左右線盾構機均由北向南推進,樁體南北方向位移以向北方向為主,最大位移5.7mm,盾構機到達前開始發生位移,變形朝向隧道開挖方向。

      (5)樁體水平位移和距離隧道遠近有關,從監測數據可知,距離隧道較近的西側橋樁(1.95m) 大于東側橋樁(2.74m)。3.3.4樁側土壓力 數據分析

      盾構掘進過程中對埋設的9組土壓力盒數據進行采集和處理,盾構通過期間,土壓力整體呈減小趨勢,盾構通過后,土壓力基本穩定或有上升,最終土壓力值比通過前略小或相同。

      盾構機掘進初期,土壓力減小最快(表1)。


      從整體監測數據來看,盾構隧道施工過程中樁側土壓力變化趨勢基本相同,每個監測點位共布置了3個土壓力盒,埋設深度分別對應隧道的上部、中部和下部,以TYL-1-1進行分析,其土壓力盒布置方向垂直于隧道方向。

      (1)土壓力盒隨樁基施工同步埋設,混凝土澆筑后3 ~ 7d測得了初始值,盾構推進過程中,在刀盤到達前、側穿和穿越后定時進行數據監測。

      (2)盾構機未到達前樁側土壓力少有減小,穿越時土壓力變化幅度增大,變化值10 ~ 40kPa,盾構機通過后土壓力區域穩定。


      (3)土壓力變化和土壓力盒埋設位置和受力方向不同而不同,垂直于隧道掘進方向的土壓力盒會出現先增大后減小的趨勢;盾構機通過后基本穩定。

      (4)土壓力盒測得土壓力略小于計算得到的靜止側向土壓力值:盾構機土倉壓力根據計算值設定,上部土倉壓力原設定為0.08-0.1MPa,后根據實際測得土壓力,調整為0.06-0.08 MPa,因此在推進過程中未對樁基和士體造成擠壓和隆起,順利通過拔樁區域。

      3.3.5地表沉降

      在盾構隧道施工過程中還對地表沉降和西幅橋沉降進行監測,在盾構通過期間,西幅橋(東端橋樁長39m,距離右線隧道6.25m)未發生沉降和傾斜變形。

      地表沉降在該區域最大值為18.6mm,發生在右線隧道中間部位,左右線盾構機通過期間沉降速率和累計變形均小于規范和設計限制,以DB36斷面為例,隧道通過后的累計變形值如圖9所示。


      4盾構穿越新建橋 樁區數值模擬分析

      在現場監測基礎上,應用ANSYS軟件對盾構在新建橋樁區的掘進過程進行模擬分析,在進行開挖計算時,一個開挖步包含兩個計算步,第一個計算步模擬開挖,施加盾尾注漿壓力,第二個計算步模擬上管片襯砌和注漿硬化。文中計算以兩片管片為-一個開挖步進行模擬計算(圖10)。


      以ZQT-3-4監測點為例,樁基在受到盾構掘進開挖時在水平方向所受到的位移呈非線性變化。最大值出現在樁的上端。隨著深度的增加,樁在水平方向的位移變化趨勢呈收斂趨勢。

      模型在掘進過程中土體的沉降位移變化如圖10所示,由圖可知,盾構隧道的開挖、建環對地層的影響范圍大體呈V形,在該:士層下地表- -倍洞徑以外沉降量較小,模擬數值地表最大沉降12mm略小于實測值:沉降變化的最大值出現在了隧道孔的上下兩側,在上下村砌項面沉降曲線呈現出了兩個波峰,在沉降較大部位應適當增大監控布點的密度(圖11)。


      目前,盾構法是地鐵及其他市政工程中應用較為廣泛的施工工藝,施工過程中遇到穿越既有建筑物和市政橋梁或接近施工在所難免,本文以鄭州市南四環至鄭州南站城郊鐵路工程中區間隧道穿越既有老丈八溝橋為實例,介紹了拔樁施工工藝和盾構穿越拔樁和新建橋樁區對新建樁基及周邊環境的影響,以期為今后類似工程提供借鑒和參考。

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