淺談隧道穿越玉運輸線橋樁基的加固處理

淺談隧道穿越玉運輸線橋樁基的加固處理

0地鐵與地鐵盾構(gòu)2001年7月13日，北京成功舉辦第29屆奧運會，為北京的快速鐵路等城市基礎設施建設提供了寶貴而難得的機遇。正在興建的地鐵五號線、四號線、十號線及奧運支線,即將興建的九號線一期工程及首都機場線,這些項目均將在2008年奧運會召開前建成通車。以地鐵為主要干線的快速軌道交通運輸系統(tǒng),因其快速、準時、安全、運載能力大以及對環(huán)境影響小的特點而成為世界許多大、中城市發(fā)展公共交通的必然選擇。北京地鐵線路多位于橋區(qū),需穿越橋梁,以地鐵五號線線路南城段為例,穿越的橋梁有:劉家窯立交橋、玉蜓立交橋、南護城河跨河橋、109中學天橋、崇文中醫(yī)院天橋以及法華寺天橋等。地鐵隧道開挖施工勢必引起的地表沉降與變形對既有橋梁的正常使用將產(chǎn)生一定影響,往往會引起樁基的沉降與變形,導致樁基承載力降低,造成橋梁上部結(jié)構(gòu)變形,當變形過大時將危及橋梁結(jié)構(gòu)的使用功能。為了確保橋梁正常使用,必須控制因地鐵隧道施工引起的橋梁樁基的沉降與變形,因此,如何采取有效、合理的技術措施對橋梁樁基進行加固,阻止橋梁地基沉降與變形,確保橋梁正常使用,這是我們工程技術人員必須解決的課題。注漿技術和樹根樁法的應用是解決這一課題的有效途徑。1項目總結(jié)1.1地鐵與橋梁基礎概況地鐵五號線是北京市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃中的一條重要南北向干線,線路南起豐臺區(qū)宋家莊,北至昌平區(qū)太平莊北站,線路全長27.6km。地鐵隧道線路遇玉蜓立交橋橋區(qū)段分叉為左線和右線穿越玉蜓立交橋1#、2#、3#、4#、5#、6#匝道橋和3#通道橋(圖1),地鐵隧道與橋梁基礎距離較近,約為-0.06～2.78m之間(隧道侵入橋基為負)。為了確保橋梁基礎穩(wěn)定及土體密實,將地鐵隧道施工對橋梁基礎的擾動減少到最低程度,最大限度地防止由于隧道施工對橋梁造成不利影響。根據(jù)北京地鐵新線工程橋樁加固方案專家論證會議精神,需對上述橋梁基礎進行加固,限于篇幅,本文僅對上述2#匝道橋樁基加固工程的設計情況作詳細闡述。地鐵隧道右線從2#匝道橋35#和36#橋樁之間穿越(圖1),隧道里程樁號為K3+680,2#匝道橋上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu),橋梁基礎為混凝土灌注樁,樁徑為Φ1000mm,隧道結(jié)構(gòu)為單洞“馬蹄”形結(jié)構(gòu),橋樁與隧道之間的水平凈距為2.5m和2.78m。1.2粉質(zhì)粘土層,厚度為5.2m加固范圍內(nèi)地層自上而下依次為粉土填土①層,厚度6.3m;粉土③層,厚度3.8m;粉細砂④3層,厚度6.2m;粉質(zhì)粘土⑥層,厚度2.3m;粘土⑥1層,厚度1.2m;粘土⑥2層,厚度1.3m;卵石圓礫⑦層,厚度1.4m;粉質(zhì)粘土⑧層,厚度5.7m。本次加固范圍內(nèi),按照地鐵隧道無水施工的要求,隧道施工方已采用輻射井降水技術將地下水排除,因此,不用考慮地下水對加固工程的影響。1.3橋樁和隧道碳密度較低,凈距較小任何工程設計方案的選定必須考慮方案的可實施性。該工程施工現(xiàn)場場地復雜,地表以下有6.3m厚雜填土,并有多條管線從橋區(qū)穿過,橋下凈空約為3m,作業(yè)空間狹小,施工機械要在橋下作業(yè),橋樁和隧道結(jié)構(gòu)之間凈距較近。加固設計方案的選定應考慮上述因素對方案可實施性的影響。2堆棧結(jié)構(gòu)加固的原因2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀地球表層土體是億萬年地質(zhì)作用的產(chǎn)物,它們處于應力平衡狀態(tài)。在地表面以下開挖無論采取何種方式(如淺埋暗挖或盾構(gòu)方式)開挖都要取走部分土體,都會擾動土體,使之失去原有平衡,于是,土體勢必產(chǎn)生沉降與變形,國內(nèi)外大量的實踐和理論研究都證明了這一點。文獻顯示,因地下開挖引起的地面塌陷已在國內(nèi)23個省區(qū)發(fā)現(xiàn)800多處,塌陷坑超過3萬個,每年經(jīng)濟損失超過10億元。針對地面沉降問題,劉寶琛等應用隨機介質(zhì)理論,研究了近地表開挖引起的地表移動和變形問題;楊天鴻等對廣州地鐵二號線隧道施工引起海珠廣場地表沉陷事故進行了數(shù)值模擬分析,再現(xiàn)了土體沉陷破壞的全過程,闡明了沉陷事故的原因;錢源研究了廣州地鐵客村聯(lián)絡線岔口淺埋暗挖法隧道工程地面沉降原因,認為土體的開挖是造成地表沉降的主要原因之一。土體發(fā)生沉降與變形必然產(chǎn)生許多與巖土工程有關的問題,例如與本文有密切關系的灌注樁樁基承載力問題。灌注樁樁基在豎向荷載作用下,其單樁軸向承載力與樁徑、樁的強度、入土深度(樁長)以及樁基周圍土體物理力學指標(c、φ、E)有關,對于既有樁,樁徑、樁強度與樁長已是定值,因此,樁的承載力關鍵取決于樁基周圍土體的工作性能。當樁基周圍土體發(fā)生沉降和變形時勢必導致樁基發(fā)生沉降與變形。張汎等采用大型商業(yè)軟件3D-δ,結(jié)合北京地鐵五號線下穿某橋梁的實際問題(圖2),進行了三維仿真分析,研究了地鐵隧道施工對橋梁樁基的影響,其結(jié)論如下:隧道開挖后不僅使橋樁產(chǎn)生水平位移,而且產(chǎn)生垂直位移,當橋樁的差異沉降過大時會導致橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應力,從而危及橋梁正常使用。隧道開挖引起的地層位移是影響樁基變形的最主要因素,因此,采用有效、合理的技術措施控制地層變形,對樁基進行加固,確保橋梁正常使用,是一項非常有必要的工作。2.2樁基周圍土體變化,影響正常承載力為了滿足地鐵隧道無水施工要求,隧道施工方采用了輻射井降水技術在玉蜓橋區(qū)進行施工降水,施工降水勢必引起地層失水固結(jié),同時,在降水過程中少量土體隨水流失,從而導致樁基周圍土體地層發(fā)生位移,引起地表沉降,影響樁基正常承載力的發(fā)揮,因此,有必要采取合理的技術措施改善樁基周圍土體的工作性能,保證樁基的正常承載力,確保橋梁正常使用。3為加強樁基開發(fā)技術和方法的辯護，采用石膏法3.1原理3.1.1注漿壓漿注漿技術(亦稱灌漿技術),是指利用液壓、氣壓或電化學原理,通過注漿管把漿液均勻地注入地層中,漿液以填充、滲透和擠密的方式,將土顆?；驇r石裂隙中的水分和空氣排除后占據(jù)其位置,經(jīng)一定時間后,漿液將原來松散的土?；蛄严赌z結(jié)成一個整體,形成一個結(jié)構(gòu)新、強度大、防水性能高和化學穩(wěn)定性良好的“結(jié)石體”。注漿的實質(zhì)在于膠結(jié)、增強與加固。注漿使松散、被擾動的低品質(zhì)的土體材質(zhì)變成高品質(zhì)的材質(zhì),即改變土體的c、φ、E值。對樁側(cè)進行壓力注漿即要解決因地鐵隧道施工及降水施工引起的樁周地層的擾動、松散問題,改善樁周土體的工作性能,使土體固結(jié)、穩(wěn)定,提高其抗壓、抗剪的能力,進而保證樁基承載力正常發(fā)揮,達到加固樁基的目的。3.1.2樹樁加固墻工程簡介樹根樁(亦稱微型樁),它是就地灌注的小直徑鋼筋混凝土樁,直徑為Φ75～300mm,在20世紀30年代由意大利的F.Lizzi首創(chuàng),小直徑灌注樁可以豎向、斜向設置,網(wǎng)狀布置如樹根狀,故稱為樹根樁。在該工程中的加固原理為:利用樹根樁、樹根樁與樹根樁之間的土體以及樹根樁樁頂?shù)穆?lián)系梁共同形成的隔斷墻將既有灌注樁樁基周圍的土體與隧道施工影響區(qū)域進行隔開,減少樁基周圍的土體因隧道施工而擾動的程度,控制樁基周圍土體的位移和變形,保證樁周土體穩(wěn)定,達到加固樁基的目的。隔斷墻主要承受地鐵隧道施工引起的側(cè)向土壓力和地基差異變形。3.2地鐵隧道質(zhì)構(gòu)施工操作特點注漿施工方法和樹根樁的壓漿成樁施工工藝具有如下共同優(yōu)點:(1)所需施工場地較小,適合于橋下狹小空間施工,一般平面尺寸為0.6～1.8m2,凈空高度為2.1～2.7m即可施工。(2)施工時噪音小,鉆機操作時振動小,對既有樁基和地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響小。(3)所有的施工操作都可在地面上進行,因而比較方便。(4)施工時因成孔小,因而對地層土體幾乎不產(chǎn)生任何應力,對地層擾動范圍小,對既有樁基和地鐵隧道結(jié)構(gòu)較為安全。(5)布孔、布樁靈活,由于成孔小,在狹小的空間內(nèi),可以靈活布孔、布樁。(6)地層適應強,可在各種類型的土中注漿與制作樹根樁。4加固范圍內(nèi)地下存在地下空白原設計采用旋噴法注漿加固樁基,由北京市市政工程管理處施工。在施工開始進行試鉆過程中出現(xiàn)如下情況:試孔1鉆至地面下17.5m時,試孔2鉆至地面下17.2m時,試孔3鉆至地面下17.4m時,發(fā)生落鉆,護壁水泥漿大量滲漏,壓力表顯示值為0,滲漏的水泥漿去向不明,鉆桿也無法提出,鉆具被埋,工程被迫終止。通過分析施工方反映的上述情況,我們認為該樁基加固范圍內(nèi)地下存在空洞,后經(jīng)業(yè)主委托北京城建勘察設計研究院有限責任公司測試中心現(xiàn)場勘察,得出如下結(jié)論:該樁基加固范圍內(nèi)地下的確存在空洞,鉆探資料表明,鉆孔所揭露的地下空洞最大厚度為0.7m,空洞埋深大致分布在地面下16.3～17.5m之間,位于粉質(zhì)粘土砂質(zhì)粉土層中,由于原橋樁基加固范圍內(nèi)地下發(fā)現(xiàn)空洞,采用旋噴注漿加固技術無法成孔,原設計無法實施。針對樁基加固范圍內(nèi)地下存在空洞的現(xiàn)狀情況,通過方案比選,考慮到注漿技術和樹根樁法具有前文中所述的優(yōu)點,經(jīng)過北京地鐵新線工程橋樁加固方案專家組研究論證同意后確定新的加固方案,采用注漿技術和樹根樁法對樁基進行加固處理。具體加固設計如下:4.1粉煤灰和粉煤灰配合比和注漿施工對于發(fā)現(xiàn)空洞的區(qū)域和地層采用灌注石灰、粉煤灰漿的方法對空洞進行填充并密實相關土體。石灰和粉煤灰配合比采用1∶4(重量比),為防止?jié){液流失,注漿施工時要求采用先外圍后內(nèi)部的施工方法進行。注漿孔間距順橋方向為1.2m,垂直橋方向為1.04m,豎向填充注漿范圍為地面以下16.06～18.81m之間(圖3)。4.2樹樁注漿工藝在橋梁樁基和地鐵隧道之間設置單排樹根樁,在樹根樁樁頂設置鋼筋混凝土聯(lián)系梁。樹根樁、樁頂聯(lián)系梁以及樹根樁及樹根樁之間的土體共同形成的隔斷墻將橋梁樁基和地鐵隧道施工區(qū)域隔開,極大地減少樁基周圍土體因地鐵隧道施工而產(chǎn)生的擾動程度,對樁基加固起最主要的作用。樹根樁樁徑為Φ300mm,布置間距0.7m,樁長22.82m(圖3);樹根樁采用壓漿工藝成樁,注漿材料與注漿參數(shù)如下:(1)材料:樹根樁灌注水泥漿采用P.052.5普遍硅酸鹽水泥,水灰比0.5∶1,樁身填灌骨料采用5～15mm級配碎石,含泥量要求≤1%,樁身混凝土強度大于C20,樁頂聯(lián)系梁采用C25普通混凝土澆注,注漿管材選用Φ25聚乙烯耐高壓管。(2)注漿參數(shù):注漿泵的最大工作壓力為4.5MPa,注漿起始壓力為1.0MPa,注漿壓力(入漿口)壓力采用0.3～0.5MPa。此外,為了增大樹根樁側(cè)摩阻力,要求在樹根樁根部、中部1m范圍內(nèi)采用二次高壓注漿工藝。二次高壓注漿可在前一次注漿后45～60min之間進行,開啟壓力為2.0～4.0MPa。同時,為了防止鄰孔串漿,注漿順序按跳孔間隔注漿方式進行。4.3壓密注漿保護樁基在樹根樁和橋梁樁基之間設置注漿孔,對樁基靠近隧道一側(cè)的土體進行壓密注漿(圖3)。填充注漿、樹根樁以及壓密注漿共同形成綜合力量控制樁基周圍地層位移,保護樁基。壓密注漿材料與注漿參數(shù)如下:采用P.052.5普通硅酸鹽水泥,水灰比為1∶1,注漿壓力2.0MPa,注漿速度7～10L/min。同樹根樁壓漿成樁注漿一樣,為防止鄰孔串漿,注漿順序按跳孔間隔注漿方式進行,注漿管材同樣選用Φ25聚乙烯耐高壓管。4.4球形擴散理論公式的計算在實施注漿過程中,注漿液不可能完全充滿土的孔隙體積,而且容易竄流到設計范圍以外,因此,加固設計中漿液灌注量,按下述球形擴散理論公式進行計算。Q=K×V×n式中:Q——漿液用量V——加固土的體積,加固土的體積與加固半徑有關,加固半徑是注漿管周圍的土可以得到加固部分的半徑,考慮到施工現(xiàn)場地基條件較為復雜,該工程加固半徑按0.8m考慮n——加固土的平均孔隙率,根據(jù)該工程地基土實際情況,孔隙率取值按20%考慮K——安全系數(shù),該工程按1考慮5橋樁沉降控制值該工程自2004年7月25日開始施工,至2004年9月9日施工結(jié)束,為了追蹤加固效果,北京市九通衢橋梁檢測所對加固的玉蜓立交橋2#匝道橋35#、36#橋樁進行的沉降值跟蹤監(jiān)測成果如表1所示,表中結(jié)果顯示,35#、36#橋樁累計沉降值均未達到沉降控制值(5mm),玉蜓立交橋為重要橋梁,根據(jù)北京地鐵新線工程橋樁加固方案專家論證,其橋樁沉降控制值為5mm。實踐證明,采用注漿技術和樹根樁法加固橋梁樁基,穩(wěn)固了樁基周圍土體、控制了樁基沉降和變形,保證了樁基承載力的正常發(fā)揮,確保了橋梁正常使用,達到了預期目的。2#匝道橋35#、36#樁基加固工程共完成注漿量460m3。此外,由我設計公司設計的玉蜓立交橋其它匝道橋(1#、3#、4#、5#、6#)及通道橋(3#)基礎加固工程相繼竣工完畢,沉降監(jiān)測成果顯示,基礎累計沉降值均在控制值以內(nèi),加固效果良好,共完成注漿量1770m3(含2#匝道橋),基礎加固工程結(jié)算總投資為520萬元。玉蜓立交橋基礎加固工程中,注漿完成量之大,在北京市橋梁基礎加固工程中尚屬首次,并為工程取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。6注漿施工方法和樹(1)通過應用注漿技術和樹根樁法對橋梁樁基進行加固設計并且成功實施表明:注漿技術和樹根樁法對提高橋梁樁周土層的物理力學參數(shù)(c、φ、E),控制樁基周圍地層沉降、變形,阻止樁基的沉降與變形,保證橋梁正常使用是非常有效的。(2)注漿施工方法和樹根樁的壓漿成樁施工工