钻孔灌注排桩施工对邻近高铁桥梁桩基影响研究

钻孔灌注排桩施工对邻近高铁桥梁桩基影响研究

巩武全

中铁六局集团太原铁路建设有限公司朔山项目部 山西省 036900

摘要：在经济发达的长三角地区，因用地紧张，不可避免地会出现高铁桥梁的近距离堆载工程。而长三角地区多以含水量高、压缩性强、力学性质差的深厚软土地层为主，为了降低堆载施工对邻近高铁桥梁的影响，通常需要在堆载区域和高铁桥梁间施作隔离桩，而其中应用最为广泛的是对地层扰动相对较小的钻孔灌注桩。

关键词：桩基工程;桥梁变形;数值模拟;钻孔灌注桩;排桩施工

引言

随着我国经济建设的飞速发展，现有铁路基础设施已不能满足日益增长的运输需求。近年来各种既有线扩能改造工程和新建铁路工程，逐渐增多。其桥梁桩基施工，会对既有桥梁基础及周围土体有一定的应力扰动。由于各种桩基施工方法不同，所以桩基施工对土体的扰动也是各不相同、错综复杂的。目前桥梁冲孔桩施工对既有桥梁的安全性影响还缺乏科学的认识，也没有明确的技术标准。因此，桥梁冲孔桩对既有结构影响范围及程度的研究，已变得尤为重要。

1工程概况

1.1工程简介

地铁某线区间自某盾构井由北向南下穿一条城际铁路高架桥，所穿越的城际铁路是设计速度为２００ｋｍ／ｈ的客运专线。下穿段地铁左线隧道与既有铁路桥梁桩基的水平最小净距为８．６８ｍ，隧道底部低于既有铁路桥梁桩端０．９２ｍ；地铁右线隧道与既有铁路桥梁桩基水平最小净距为６．７５ｍ，隧道底部高于既有铁路桥梁桩端３．４９ｍ。其中，盾构所穿越土层为中风化泥质粉砂岩层。

1.2隔离桩方案

隔离桩的作用是隔断开挖施工引起的附加应力的传播路径，并承受附加应力和地基差异产生的摩阻力，使其通过隔离桩桩体传递到坚硬的持力层中，同时限制桩后土体的变形发展，减少隔离桩后既有桩基的变形。

2数值模拟的建立

2.1整体模型概况

本文选取依托工程5个较为典型的土层进行建模，在车辆基地与杭甬客专桥梁间，由西向东依次进行顺序施工隔离桩，桩基中心线距离北侧杭甬客专35m。隔离桩直径为1m，桩长30m，桩基中心间距为1．5m。模型尺寸240m×120m×72．5m(长×宽×深)，共167542个单元，175711个节点。桩基及桩周采用放射源网格，土体采用矩形网格建立，土体及桩基均采用实体单元模拟，模型上边界为自由边界，侧向边界约束水平位移，底部边界约束竖向位移。

2.2高铁桥梁模型的建立

为简化计算，对于桥梁各构件的连接部分不做精细化的建模处理，桥梁模型共包括了桩基、承台、桥墩、桥面4个部分。其中，桩基直径为0．5m、长度为60m，承台尺寸为12m×6m×2．5m，桥墩尺寸为6．6m×2．8m×15m，桥面尺寸为12m×66m×4m，且均使用zone实体单元建立，并采用弹塑性模型进行材料参数赋值。此外，由于各部分进行了单独的网格划分，需要通过attachface的命令将各部分模型网格直接连接固定。

2.3排桩施工步序模拟

钻孔灌注桩施工步序繁杂，本文重点考虑钻孔开挖、泥浆护壁和混凝土浇筑成桩三个关键工况进行桩基施工模拟。单桩施工共分为7个步序，每个步序钻进深度为5m，每次钻孔完成后施加泥浆护壁，钻孔至指定深度后至下而上分段浇筑混凝土成桩，将每根隔离桩完成单桩施工并成桩视为一个工况，共计考虑60根桩即60个施工工况。采用定义空单元来模拟钻孔开挖，同时在开挖后设置一定的时间步长来模拟因置空时间引起的应力释放，在每段钻孔完成后的孔周施加法向均布的梯形荷载来模拟泥浆护壁作用，钻孔到达指定深度后通过从孔底向上分段移入实体桩基单元并施加桩顶约束来模拟混凝土浇筑成桩过程。通过编写排桩施工双循环FISH程序来实现FLAC3D排桩施工全过程自动模拟，其中内层小循环用于实现每根单桩的分步钻孔、泥浆护壁以及成桩，外层大循环用于控制排桩的顺序施工。

3隔离桩施工检测数据分析

3.1施工控制措施

为减小隔离桩施工过程对既有城际铁路桥墩的影响，保证隔离桩施工对城际铁路桥墩的影响在可控范围内，故在实际施工时对桥墩的沉降及顺桥向位移进行了全程监测。

3.2监测点布置

隔离桩施工主要为钻孔灌注桩及圈梁施工，为能较准确地反应桥墩沉降及变形情况，在邻近施工侧桥墩的两端分别布设４个监测点ＮＳ、ＮＸ、ＢＳ、ＢＸ。

3.3监测数据分析

１）铁路桥墩沉降分析：城际铁路桥墩沉降变化，其正值代表桥墩下沉，负值代表桥墩上浮。隔离桩施工过程中城际铁路桥墩先上浮后下沉，最后趋于稳定。２０１２年１１月１５日至１１月１７日间，由于现场３台钻机同时施工所产生的下压力，以及成孔产生的应力释放致使桥墩上浮且达到最大上浮量。施工过程中每根隔离桩的浇筑都相当于在桥墩旁土体上施加荷载，致使桥墩下沉。最后随着混凝土的凝固和机械扰动的减小，桥墩沉降量趋于稳定。施工过程中桥墩最大上浮量为０．２ｍｍ，最大下沉量为０．３ｍｍ。

２）铁路桥墩顺桥向位移分析：城际铁路桥墩顺桥向位移变化，正值代表向加固区方向移动，负值代表向非加固区方向移动。由图８可知，钻孔灌注桩的施工对于桥墩顺桥向位移产生了一定的影响。施工过程中桥墩基本都产生正向位移量，最大为０．２ｍｍ；在施工的后期，产生了一定量的负向位移量，其原因是在施工后期，钻机撤场，施工扰动减少并伴随着混凝土的凝固，由于混凝土的容重大于原土体容重，产生一定的挤压力，使得桥墩产生了一定的负向位移量，其最大值为０．２ｍｍ。

4结果分析

4.1桩身及土体最终位移分析

施工完成后60根桩基的各截面X轴向水平位移分布图，其中1号桩基为首根施工隔离施工完成后隔离桩桩基各截面X轴向水平位移分布图桩，60号桩基为最后一根隔离桩，中间的桩基按照施工顺序依次编号，后续所述的隔离桩桩基编号保持一致。在整体分布规律上，前半部分隔离桩X轴向水平位移波动较小，波动幅度在2mm以内。在深度方向上位移基本呈线性分布，桩基顶部向高铁桥梁方向移动，桩顶最大位移为13号桩基的1.3mm;桩中及桩底向施工场地内部偏移，桩中处平均位移约为1.2mm，桩底平均位移约为－3mm。对于后半部分即31号至60号隔离桩，由于已施工桩基数增加，新施工的桩基在成桩过程中更容易受到影响，各桩基位移的波动幅度也较大。

在整体分布规律上，大部分隔离桩出现了与背向施工方向的偏移或倾斜，这主要是由于后续施工桩基对前序桩基的挤压作用导致的。沿隔离桩施工方向上看，随着前序桩基成桩后对后续桩基的约束增大，水平位移值呈先增大后减小的规律，变化幅度达13mm，且最大Y轴位移主要分布在30号到45号桩基区间内，即约为沿隔离桩施工总长度的1/2至2/3处，所以在实际施工过程中应注意监测并控制此范围内的桩基Y轴向位移。在深度方向上，桩顶截面的最大Y轴向位移出现在32号桩基处，最大值为12.9mm;桩中截面的最大Y轴向位移为46号桩基，最大值为10.9mm;桩底截面最大Y轴向位移出现在43号桩基，最大值为13.1mm。

在Y轴方向上，地表沉降及隆起幅度沿排桩施工方向(Y轴方向)呈现先增大后减小的趋势，最大值出现在Y=75m截面即3/4施工总长附近，此截面地表沉降分布在隔离桩轴线两侧约6m范围内，约为12倍桩径，最大沉降点位于X=1m处，沉降量为44mm。X=6m范围外开始出现地表隆起，在X=15m处地表隆起值达到最大值31mm，随后隆起值逐渐减小并在X=40m处稳定在20mm左右。在桩基施工阶段，由于存在钻孔置空时间，土体因应力释放而向孔内收敛，导致桩周地表沉降。而由于泥浆护壁及成桩挤密效应的影响，孔周深部土体受到较大的侧向挤压，使得较远处土体出现隆起现象，这种影响随着距离的增长影响逐渐减小。由此可见，排桩各桩基附近土体位移非一致而是呈现明显的空间变异性。

4.2施工时序差异土体扰动分析

为进一步分析排桩施工的60个工况对桩周土体扰动影响的变化过程，选取沿隔离桩方向的A、B、C、D、E、F、G、H、I共9个桩周测点进行地层变形分析，监测点距离隔离桩轴线1m，纵向距离间距15m，其中B－H点分别位于第1根、第11根、第21根、第31根、第41根、第51根、第60根隔离桩附近。将每根隔离桩完成单桩施工并成桩视为一个工况，即总计60个计算工况。由于钻孔、成桩等施工工序会对桩周土体产生较大扰动，C到H的7个监测点分别在各自距离最近的桩基开始施工时出现土体沉降突变的情况，并在后续10个工况中保持较高的沉降增长率，最高达到66%。监测点B位于1号隔离桩附近，由于施工起始阶段对钻孔面积小，附近土体受扰动影响较小，并未在1号隔离桩施工时出现较大的沉降突变情况，在1－25工况区间，B点处土体沉降增加15mm，且处于较为平稳的增加趋势，并在25－60工况区间保持稳定。在所有监测点中，截面Y=60m及Y=70m截面处的监测点E、F沉降变化幅度最大，并在施工结束时达到最大沉降值约43mm，与施工结束时的竖向位移分布规律类似，在施工过程中隔离桩长度方向2/3处的土体出现了较大的竖向位移值波动，所以应注意对附近建构筑物的保护。

4.3高铁桥梁承台顶部中心位移分析

在60根排桩的施工周期中，1号承台的X轴位移随工况变化最小在第40根桩施工后趋于稳定;而3号承台变化最大，直至最后一根桩施工时位移还呈加速增长;2号承台位移变化趋势居中，在第55根桩施工完成后位移呈减速增加。这表明，沿着隔离桩施工方向，越靠近排桩末端承台中心的X轴位移随排桩施工变化越大所需稳定时间也越长。这是因为当前序隔离桩施工成桩时，相当于对邻近地层进行了加固，因此其附近承台中心的X轴向位移相对稳定。

为了更直观地了解三座承台X轴向水平位移的相对关系，将各承台中心相连，可得到承台X轴向位移分布形式随排桩施工顺序的变化。三承台整体均先出现较小的X轴负位移，且随着工况的推进逐渐变化至正向位移状态并持续增加。从三座承台的X轴位移连接线变化趋势来看，在施工初期基本保持水平状态，随隔离桩的进一步施工，连线斜率逐渐增大，即承台轴线偏离了原有方向。在位移变化的过程中可以发现，3号承台的位移变化幅度最大，2号承台位移变化幅度次之，1号承台位移变化幅度最小。

结语

通过对隔离桩施工进行数值模拟，并分析了城际铁路桥墩在隔离桩施工期间的实际沉降量和顺桥向位移量，可得到以下结论：

１）隔离桩钻孔会使周围土体应力释放，导致桥墩产生一定的上浮；而隔离柱浇筑相当于在桥墩旁土体上施加荷载，导致土体整体沉降，进而导致桥墩最终表现为下沉。经数值模拟计算与现场监测，最大上浮量与最大下沉量均未超过相应的预警值。

２）隔离桩施工对于桥墩的水平位移会产生一定的影响，由于隔离桩钻孔会使周围土体应力释放，导致桥墩向加固区偏移，且隔离桩距离桥墩中心的位置越近，其对桥墩的顺桥向位移影响越大。现场施工后期，由于钻机撤场，施工扰动的减小和混凝土的凝固导致桥墩产生了向非加固区的偏移。经数值模拟计算与现场实际监测，最大上浮量与最大下沉量均未超过相应的预警值。

参考文献

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［2］邸亭乐．桥梁桩基础施工振动对周围环境的影响研究［D］．北京:北京交通大学，2008．

［3］佘艳华，苏华友．桥梁桩基施工振动对邻近埋地管道影响试验研究［J］．重庆交通大学学报，2014，33(2):35-39．