0 引言
随着上海地面交通拥堵的不断加剧, 高架和地下通道便成为缓解交通的必然选择。然而, 考虑到征地拆迁、对城市环境和地面现状交通的影响等因素, 高架的建设和发展受到一定的制约, 因此发展地下道路便成为顺理成章的选择。上海未来规划有多条地下快速路, 其中北横通道工程就是其中之一。然而, 由于几十年代的大规模建设和发展, 城市中已建成大量的高架、地铁、高层建筑等, 地下通道无论如何优化选线, 都或多或少的穿越部分已建建 (构) 筑物的桩基。为了减少明挖施工对社会和现状交通造成的影响, 以及降低拆迁成本, 常常采用盾构法进行地下道路暗埋部分的施工。故而对盾构尤其是超大直径盾构穿越高架桩基进行模拟分析和可行性论证便成为项目设计团队必不可少的研究课题。本文以上海北横通道工程中超大直径泥水盾构穿越天目路立交为背景, 采用相关分析软件, 模拟分析盾构穿越对高架桩基及承台的沉降和位移造成的影响, 并对此进行了分析和评价。在此基础上论证了盾构穿越天目路立交方案的可行性。
1 工程概况
北横通道新建工程西起北翟路中环路立交, 依次穿越长宁、普陀、静安、闸北、虹口、杨浦六区, 东至内江路交叉口, 全长约18.8km, 全线以盾构隧道为主。其中在天目路立交节点, 通道以外径为14.5m的超大直径盾构型式穿越高架桩基。
天目路立交位于天目西路和共和新路路口, 为连续梁结构, 桥下净空约6m, 其中沿共和新路为南北高架主桥, 沿天目西路和中路为4条上下高架的匝道, 路口是一圆形转盘。
南北高架主桥承台平面尺寸5.5m×7m, 高2m, 采用C25混凝土。承台下设18根钢筋混凝土预制方桩 (0.45m×0.45m) , 桩长30m。桩身采用C35混凝土, 高架于95年竣工。
北横盾构沿天目西路和中路走向, 路口两侧盾构分别从两条匝道之间近似平行侧穿, 路口处盾构分别从转盘的两个桥墩下方和主桥的两个桥墩之间穿越。穿越处盾构覆土深度约37m, 隧道与桩基最小净距3.81m, 竖向间距约4~4.7m。盾构线路与高架及匝道的相对位置关系详见图1。
本工程的盾构法隧道拟采用单层衬砌结构, 通用楔形管片, 错缝拼装。环宽取2m, 管片厚650mm。
2 工程案例
国内地铁盾构穿越高架、建筑桩基的成功案例较多, 但超大直径盾构穿越高架桩基并不多见, 尤其是在510m长的范围内长距离穿越如此复杂的立交桩基 (平行侧穿匝道, 正交横穿转盘和主桥) 更属罕见。
外滩通道工程需穿越多座桥梁, 其中穿越外白渡桥处, 盾构距离桩基最小距离仅0.7m, 最终成功通过, 确保了这座蜚声海内外著名老桥的结构和运营安全。
迎宾三路隧道所穿越的七莘路高架为新建桥梁。该隧道使用外径14.27m的国内最大直径土压平衡盾构, 七莘路高架采用直径0.6m的PHC管桩, 盾构与桩基水平最小净距2.0m。最后成功穿越, 将桩基沉降和侧移控制在安全和允许范围之内。
3 数值模拟
3.1计算模型
为了更加准确的模拟盾构掘进过程对桩基及承台的影响, 本次数值模拟中采用三维模拟的计算模式, 取完整结构进行分析。隧道外径14.5m, 数值计算中充分考虑盾构掘进的影响范围建立计算模型, 水平方向和深度方向上模型边界距盾构边界均取3倍隧道外径即43.5m。数值模拟中土体、盾构管片、高架承台和桩基等均采用实体单元来模拟;壁后注浆以注浆等代层模拟, 取0.1m厚, 弹性模量2MPa。采用修正剑桥模型来模拟, 土体参数如表1所示。数值计算中地表为自由边界条件, 模型左右两侧边界的侧向、竖向均为自由边界条件, 模型底部边界的竖向位移和水平位移均限制为零。计算模型如图2所示。
根据桥梁专业提供的资料, 将桥梁上部结构等效转化成集中荷载施加在承台上进行模拟。
3.2土层模型参数
由于该工程尚处于工可阶段, 现场还未开展详细勘察工作, 但该节点所处的地层属于上海典型的软弱土层, 且参照附近工程的地质勘察报告选取相关地质参数。土层模型参数如表1所示。
表1 土层修正剑桥模型参数
3.3 模型分析过程
结合本工程实际情况与超大直径盾构施工工艺特点, 采用以下分析步骤对承台及桩体因盾构施工而产生的影响进行分析:
(1) 建立模型、施加重力荷载, 让模型在自重应力作用下固结至稳定, 得到自重作用下的初始应力场。
(2) 得到土体的初始应力场后, 对土体位移值赋零:激活桩体结构单元, 计算上部桥梁荷载作用在桩—土体系后, 土体与桩体共同作用时的变形行为。
(3) 当模型达到平衡后, 将土体与桩体的位移清零。
(4) 模拟隧道开挖, 结合超大直径泥水平衡盾构施工工艺、施工盾构掌子面支护力和注浆压力, 安装衬砌等, 确定开挖步长。
(5) 采用程序语言循环第四步的开挖, 直到开挖结束, 查看计算结果。
模拟中将根据盾构隧道的施工工况采用多工况连续计算的方法, 位移是逐次累加的, 上一工况的位移和应力将作为下一工况的初始应力和位移。
4 立交桩基及承台的沉降和位移分析
4.1 承台、桩基沉降及差异沉降
盾构掘进完成后承台和桩基整体沉降, 以及承台间差异沉降如图3所示。根据数值模拟结果, 承台及桩基的竖向沉降随着与盾构距离的增大而减小, 靠近盾构侧沉降最大, 约为1.5cm, 远离盾构侧沉降最小, 约为1.3cm。沿桥梁纵向两个承台的差异沉降最大为0.1cm, 横桥向两个承台的最大差异沉降为0.15cm。
4.2 承台及桩体沿盾构推进方向的位移
数值模拟得到的承台及桩体沿盾构推进方向的位移如图4所示。承台及桩体的水平位移随着深度的加大而逐渐变小, 最大的水平位移发生在承台及桩顶部, 最大水平位移为2mm。随着桩体观测点深度的增加, 位移逐渐减小, 最小值仅有0.6mm。
4.3 承台及桩体侧向最大位移
数值模拟得到的承台及桩体受盾构挤压的侧向位移如图5所示。承台及桩体的侧向水平位移随着深度的加大而逐渐变小, 最大的水平位移发生在承台及桩顶部, 最大水平位移为8.5mm。随着桩体观测点深度的增加, 侧向位移逐渐减小, 桩底处的水平位移方向与桩顶水平位移方向一致, 位移值仅有0.2mm。
4.4 地面沉降
盾构掘进完成后地面及地层沉降如图6所示。地面最大沉降约1.9cm, 沉降最大处位于盾构正上方, 盾构两侧随距离的增加, 沉降越来越小。
5 施工及保护措施
为了确保盾构穿越过程中, 天目路立交的结构和运营安全, 必须辅以严格的施工和保护措施。
5.1 施工措施
施工前, 首先根据经验选取施工参数, 然后通过对地面变形和对桩基影响的预测, 优化选取和本工程相适宜的施工参数;施工时, 通过信息化施工, 进一步优化施工参数, 精心控制地层变形, 确保周围高架道路的正常使用或安全。
(1) 盾构推进中加强监测, 积极注浆, 将盾构推进时的地层损失率控制在2‰~4‰, 减小地面沉降。
(2) 随时调整盾构施工参数, 减少盾构的超挖和欠挖, 以改善盾构前方土体的塌落和挤密现象, 以利于减少结构变形及对邻近桩基的影响。
(3) 采用同步注浆, 减少盾尾通过后隧道外周围形成的空隙, 减少隧道周围土体的水平位移。
(4) 隧道在桩基变形控制范围内的衬砌环上, 每块增设注浆孔2个。隧道推进后, 根据实测资料, 可对变形较大的区段, 打开预留的注浆孔, 进行再注浆加固, 达到控制变形的目的。
(5) 在穿越桩基时, 可采用安装纵向拉紧装置、隧道采用钢-混凝土复合管片等措施, 提高衬砌环整体刚度, 控制隧道的整体变形, 以减小其对高架桥墩桩基的影响。
5.2 变形监测
在盾构穿越期间, 须有专职人员昼夜对桥墩进行沉降监测, 将监测数据及时、准确地反馈给中央控制室, 中央控制室根据地面所反映的情况, 进行正确判断, 及时通知各子系统调整施工参数, 确保盾构顺利穿越桩基。
在盾构穿越桩基后, 仍须对各个沉降观测点进行足够长时间的观测并及时反馈, 以便有效进行后期补压浆的控制和调整, 直到地面沉降稳定。
5.3 桥梁结构处理方案
根据初步计算, 盾构穿越处相应的沉降差异桥台在15mm左右, 由于一般相同跨径连续梁计算不均匀沉降量在10mm左右, 因此必须采用主动措施调整支承面的标高保持不变以保证结构安全。具体措施为:在墩顶预设顶升千斤顶。在盾构顶进过程中加强对现有桥梁的监测, 在盾构推进前, 先预顶结构升高5mm。施工过程中一旦发现相邻墩顶沉降差超过5mm, 即以顶升千斤顶顶升补偿。
6 结语
(1) 盾构掘进过程中及掘进完成后, 高架承台及桩基的沉降和差异沉降 (包括沿桥梁纵向两个承台的差异沉降和横桥向两个承台的差异沉降) 、承台及桩体受盾构挤压的侧向位移、承台及桩体沿盾构推进方向的位移均满足高架结构安全及运营要求。
(2) 盾构穿越可行性:经过上述分析论证, 可以看出, 虽然超大直径盾构穿越高架桩基的案例并不多见, 但是有成功穿越的工程和相关的施工经验, 且经过理论分析计算, 盾构穿越时承台和桩基的沉降、侧移等均在安全范围之内, 可以确保天目路立交的结构和安全运营, 方案整体可行。
(3) 虽然方案可行, 但是国内外超大直径盾构穿越如此复杂立交的案例并不多见, 穿越仍存在很大的风险。因此, 施工单位必须制定切实可行的施工技术措施和穿越保护措施, 并制定风险应急预案, 合理筹划, 精心施工, 同时按照第6条中提出的措施加强监测, 及时反馈, 做到动态施工。
摘自《低温建筑技术》