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大直径泥水平衡盾构掘进对邻近桩基影响的模拟试验
关键词:大直径 泥水平衡盾构 穿越 桩基 位移

  摘 要 上海长江西路隧道盾构掘进过程中要依次连续不间断穿越运营中的逸仙路高架及轨道交通3号线,施工难度极大。为了研究软土盾构隧道近距离推进施工对邻近桩基变形的影响规律,在穿越桩基之前设置试验区,通过安装大量传感器监测装置,对盾构掘进施工所引起的周边桩基变形进行实时监测,确定最佳盾构掘进施工参数以及桩基保护措施,为盾构安全穿越逸仙路高架和轨道交通3号线高架桩基提供参考和技术支持。

  1 概述

  上海长江西路越江隧道位于上海东北角,连接宝山区和浦东新区,距离外环隧道2.5km。隧道段全长1627.22m,设计为双向6车道,采用φ15.43m超大泥水气压平衡盾构施工。南线隧道盾构由浦东工作井始发,穿过黄浦江,至浦西工作井进洞。进洞前要依次连续穿越运营中的逸仙路高架及轨道交通3号线桩基。

  图1为盾构穿越逸仙路高架及轨道交通3号线示意图。

图1 盾构穿越逸仙路高架及轨道交通3号线示意图

  2盾构近距离穿越桩基简介

  2.1现场概况

  南线盾构在里程SK0+966.188—SK0+922.188(736~758环),依次穿越逸仙路高架及轨道交通3号线,此阶段隧道平面为直线段,竖向坡度为+4%,顶部覆土厚约16.3m。穿越期间主要土层依次是④灰色淤泥质黏土、⑤1灰色黏土、⑤3灰色粉质黏土、⑥暗绿—草黄色粉质黏土。潜水平均埋深0.99m,微承压水平均埋深5.2m。

  盾构穿越的逸仙路地处黄浦江入长江口处,逸仙路高架和轨道交通3号线是该地区重要的货运和客运的交通干道,车流、人流量大。此外,该区域还存在众多建(构)筑物,各类市政管线也沿逸仙路高架和轨道交通3号线南北敷设。

  2.2桩基形式

  1)逸仙路高架桩基为450mm×450mm混凝土方桩;桩底标高为-28.40~-29.20m;承台尺寸为6m×5m×2m;立柱为1000×1200双柱。

  2)轨道交通3号线桩基为φ600PHC管桩;桩底标高为-55.90~-56.90m;承台尺寸为5.6m×5.6m×2m和4.8m×5.6m×2m两种;立柱为标准跨双柱。

  2.3穿越难点

  盾构推进过程中在连续近距离穿越逸仙路高架及轨道交通3号线桩基时,最近处距离桩基仅为1.55m,要求穿越期间对高架及3号线的沉降影响不得大于10mm,这给施工带来了极大难度,一旦施工措施不当,将影响其正常的运行。而且,超大直径泥水平衡盾构机近距离连续穿越桩基推进施工在上海大型越江隧道建设过程中尚属首次,在轨道交通3号线及逸仙路高架不间断运行中穿越,更是国内首例,尚无经验可以借鉴。

  3 试验方案设计

  为了保证穿桩顺利,摸清软土盾构隧道近距离推进施工对邻近桩基变形的影响规律,在穿越桩基之前设置试验区,通过安装传感器监测装置,对盾构掘进施工所引起的周边桩基变形进行实时监测和分析,确定稳定的盾构掘进施工参数以及桩基保护方案,为盾构顺利穿越逸仙路高架和轨交3号线桩基提供技术支持。

  1)南线盾构推进时,盾构机与逸仙路高架桩基最近距离1.55m,与轨道交通3号线高架桩基最近距离2.285m。根据推进及穿越工况,在盾构推进90~100环处共布置了4个模拟桩基,其中最近点距离隧道外边线1.636m。图2为试验区模拟桩基平、剖面布置图。

图2试验区测点平、剖面布置图

  2)模拟桩基采用圆形空心铝管制作而成,直径90mm,管底有密封帽,防止水土进入孔内。测量时,将测斜传感器放入并提升,据此获取试验数据进行分析,从而获得模拟桩基的变形曲线。

  4 试验监测分析

  1)盾构机切口到达93环时,进入测斜试验区,开始对4个模拟桩基进行不间断监测,直至推进至103环,盾尾脱出试验区。图3为模拟桩基与盾构位置关系图。

图3 模拟桩基与盾构位置关系图

  2)盾构推进参数及监测结果见表1、表2。从中可以看出:

  (1)盾构进入试验区后,调整了盾构推进速度,最高推进速度为正常推进速度的27.5%(正常推进速度为100px/min),尽量减少盾构掘进对周边土体的扰动。正面泥水平衡压力根据前期理论计算以及穿越过程中测斜点的监测数据,逐环进行调整,每次调整的幅度为0.005MPa。

  (2)盾构近距离穿越模拟桩基,测点沿盾构机推进方向出现与盾构推进方向一致的位移,最大值为28.57mm,垂直盾构机推进方向出现远离盾构轴线的位移,最大值为-12.8mm。

  (3)地面沉降随着盾构推进时同步注浆的浆液填补以及切口压力的不断调整,总体变化不大,最大沉降值为8mm。浆液的收缩成为地面沉降的隐患,为控制土体后期沉降量,应根据监测数据,采用在脱出盾尾后的隧道内进行补压浆的措施,在隧道内对盾构穿越后土体进行加固。

表1 盾构推进参数表

表2 监测数据

  3)以CX8为例,研究单桩在盾构切口到达直至盾尾脱出的总体位移变化(见图4):

  (1)当盾构切口到达CX8时,开挖面产生挤土效应,即开挖所引起的侧向土体垂直盾构轴线远离盾构移动,沿平行盾构轴线方向也产生位移,与盾构推进方向一致,其值较小。随着开挖量的增大,桩所受的侧向土体位移也增大,在盾尾到达时,垂直盾构轴线方向的位移达到峰值,为-12.8mm。

  (2)盾尾脱出CX8时,由于隧道衬砌收缩以及盾尾脱空的卸荷作用,沿盾构轴线方向产生与盾构推进方向一致的位移,并逐渐增大,在盾尾完全脱出测斜点横断面时,出现最大值为28.57mm。

  (3)盾构推进过程中,模拟桩基因开挖而产生的水平位移沿桩身不断增大,其最大值出现在盾构肩部处,过峰值点至桩端,桩身位移逐渐减小。盾构轴线附近土体受挤压最为明显。

  5 结语

  通过对试验区模拟桩基倾斜位移与沉降进行统计、分析,比较系统地得出盾构穿越过程中,临近的桩基产生位移变化的分布及发展情况,为后期盾构近距离穿越逸仙路高架及轨交3号线提供了较强的技术支持。

  1)盾构近距离穿越桩基,将会导致桩基产生较大的侧向变形,严重时可能会影响桩基的安全使用。

  2)为了保证盾构顺利穿越逸仙路高架及轨交3号线,确保桩基的变形、沉降均满足其使用要求,穿越时主要从以下几方面进行控制:

  (1)姿态控制。穿越前期对盾构姿态进行调整,严格控制推进速度,平稳、匀速地穿越,尽量减少盾构纠偏量及纠偏次数;

  (2)切口压力。穿越时根据目标理论值以及穿越过程中深层沉降点的监测数据,逐环调整正面泥水平衡压力;

  (3)同步注浆。严格控制同步注浆量和浆液质量,采用特殊的早强浆液,能在早期取得与土体相当或以上的强度。

  3)根据试验数据,由于盾构推进对高架桩基的影响极大,故必须对承台、立柱采取一定的加固措施,控制其挠曲变形及沉降,将推进对变形的影响降至最低;施工过程中还应对桩基的沉降和水平位移进行严密监控。

作者:葛伟伟

转自:《上海隧道》

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