南京—高淳城际轨道交通DJ-TA04标, 采用盾构法施工。该区间左线长1 506.80m, 右线长1 493.81m, 左、右线总长3 000.60m。盾构区间从大里程向小里程方向掘进施工, 施工过程中先后穿越南京南动车A线、京沪高速铁路、南京南动车B线、沪汉蓉铁路、南京南动车C线、宁安城际、南京南动车D线, 隧道与桩基底部的最小高差仅0.3m。高速铁路高架桥对墩身沉降、墩顶顺横桥向位移的要求非常高, 单次1mm或者累计3mm即进入报警状态。高铁桥群6座高架桥在与地铁隧道交界段范围均采用连续梁结构, 具体桥梁孔跨及桩基布置情况如表1所示。

本工程的地铁区间穿越高铁桥群, 既要确保工程顺利实施, 又要保障高铁的安全运营。盾构在如此小净距、长距离的范围穿越高铁桥群, 若对其桩基造成扰动, 后果不堪设想, 因此, 必须对其加固方案进行充分研究。

选取京沪高铁架设高架桥不采取任何加固措施的情况下, 对盾构直接穿越方案进行数值模拟, 分析盾构穿越桥群不同位置时桥墩承台的沉降、顺桥向位移及倾角、横桥向位移及倾角的变化规律, 以确定高铁桥群加固的必要性。

采用有限元软件ANSYS模拟盾构穿越京沪高铁高架桥桩基, 为减小模型边界条件对计算精度的影响, 模型左、右边界距两侧桥墩承台外边缘的距离取5倍的承台宽度, 模型前后边界距桥墩承台外边缘的距离取1倍的承台长度, 模型下边界距隧道底部的距离取3倍的隧道高度, 模型上边界距隧道顶部的距离为隧道埋深。基于ANSYS所建立数值模型如图1所示。

地铁隧道全部位于中风化粉细砂岩地层中, 岩石材料设计参数取值如表2所示。

通过对不采取任何加固措施盾构直接穿越高铁桥群的情况进行数值模拟, 结果如表3所示。

从表3可以看出:高铁桥群桥墩的沉降、顺桥向位移、顺桥向倾角、横桥向倾角及相邻承台沉降差大多数无法满足高铁运行规定的限值要求。因此, 必须对高铁桥群实施加固处理。

隧道下穿高架桥桩基时, 在桥梁桩基附近一定范围内进行注浆加固是常用加固措施之一, 本工程的具体注浆加固平面布置如图2所示, 加固范围为图2a所示阴影部分。

以京沪高速铁路为例, 分析注浆加固的效果, 取距隧道最近的1, 2号桩进行分析, 图3所示为未注浆加固及注浆加固情况下隧道开挖完成后1, 2号桩的水平位移曲线。由图可知:在注浆加固后, 在桩顶以下约20m的范围内桩体水平位移均有所减小, 20m以下桩体水平位移基本无变化, 1, 2号桩桩顶水平位移分别减小了39%和42%, 在桩顶下4m处减小量达到最大, 分别为50%和55%, 由此可见注浆加固能够有效减小桩体的水平位移。

为控制盾构隧道施工对京沪高铁的影响, 对37～39号承台进行纵梁及横撑加固处理, 以限制其水平位移的发生。1号纵梁截面尺寸为2m×2m, 2, 3号纵梁截面尺寸为2m×3m, 4号纵梁截面为2m×3m, 均紧挨各桥墩承台, 横桥向长度与各承台一致, 1号横撑截面尺寸为1.0m×1.0m, 2号横撑截面尺寸为1.0m×2.2m, 设置3道横撑, 横向间距6.0m, 具体尺寸如图4所示。

1) 桩基变形

将承台桩基建立有限元模型, 采用应力释放模拟隧道开挖过程, 取京沪高铁距离左、右线最近的1, 2号桩, 未加固和横撑加固情况下隧道开挖完成后1, 2号桩的水平位移分布如图5所示。由图可知:在采用横撑加固后, 在桩顶以下桩体水平位移均有所减小, 20m以下桩体水平位移基本无变化, 1, 2号桩桩顶水平位移分别减小了36%和29%, 在桩顶下4m处减小量达到最大, 分别为46%和42%, 可见横撑加固也可有效减小桩体的水平位移。

2) 横撑安全性分析

考虑到隧道开挖后横撑的安全, 建立有限元模型, 对隧道开挖后横撑的受力进行了研究, 隧道开挖完成后, 1号横撑最大轴力40.3kN, 最大弯矩16.0kN·m;2号横撑最大轴力62.7kN, 最大弯矩44.8kN·m。经计算, 1号横撑混凝土的最大压应力为12.6kPa, 2号横撑混凝土压应力为26.9kPa, 均满足偏心受压的混凝土容许压应力 (10MPa) 要求, 说明隧道开挖后横撑安全性要求可以满足。

在左、右线隧道两侧与京沪高铁高架桥桩基之间防护4排隔离桩, 每排28根, 隔离桩直径1m, 间距1.5m, 防护长度41m, 防护长度超出桥墩桩基6m。4排隔离桩每排两端5根为长桩, 长28m, 中间18根为短桩, 长20m (嵌入岩层2m) ;左线隧道左侧防护桩距隧道净距1m, 左线隧道右侧防护桩距隧道净距0.5m, 右线隧道左侧防护桩距隧道净距3m, 右线隧道右侧防护桩距隧道净距1m。加固桩的分布如图6所示。

对桥梁桩基进行隔离桩加固以后, 没有改变38, 39号桥墩承台在整个穿越过程中的沉降及位移变化趋势。但最大沉降量由11.1mm减小到0.9mm, 顺桥向位移最大值由4.3mm减小到0.3mm, 横桥向位移最大值由1.95mm减小到0.17mm。39号桥墩承台最大沉降量由6.8mm减小到0.6mm, 顺桥向位移最大值由4.1mm减小到0.4mm, 横桥向位移最大值由1.94mm减小到0.19mm加固效果非常明显有效。进行隔离桩加固以后, 地表沉降的分布范围没有明显变化, 在整个开挖过程中, 地表沉降的变化规律基本保持一致, 但沉降最大值由13mm减小到1.02mm, 加固效果明显。隔离桩加固前后桩基位移变化对比如图7～9所示。左、右线隧道贯通时加固前后地表沉降对比如图10所示。

3种加固方案在实施后, 相比于不采取任何措施的情况下, 对盾构穿越高铁桥群而言, 均能起到降低桥群结构位移或沉降的作用, 但综合对比分析:穿越桥群段的桥梁桥墩较低, 不便于进行深层注浆加固施工;纵梁横撑加固方案直接作用于高架桥承台上, 施工的可操作性不强且危险系数大。经分析研究, 隔离钻孔灌注桩加固方案是本工程的最优选择。

该项目中桩基成孔时所穿越地质为软土与岩层交替地层, 且施工地点为高铁桥群侧边, 大多数桩位位于宁安城际与京沪高铁高架桥的正下方, 高度受限。首先, 为满足施工净空的要求, 不能采用旋挖钻或冲击钻等高大型设备, 仅能使用小型的回旋钻机, 但普通的回旋钻机不能实现岩层中的成孔要求, 所以为满足施工需求, 必须对设备进行改造。

机械设备原型为GQ-15型工程钻机, 机身尺寸为:长×宽×高=3.62m×1.88m×2.704m, 可以在低净空条件下施工钻孔灌注桩。整个改造是在既有设备的基础上, 对钻杆下部的结构进行替换与完善 (见图11) 。

为了使GQ-15型钻机能够适用于软土与岩层交替复合地层中的钻进成孔, 需对其进行改造, 将其钻杆的下部结构更改为钢套筒, 并焊接合金钻头。钢套筒长度1～3m, 长度较短的用于软土地层钻进成孔, 长度较长的用于岩层地质中的钻进成孔 (便于扭断岩体) ;钢套筒直径与钻孔灌注桩设计桩径匹配。经改造成型后的钻机可以在低净空条件下, 在软硬交替的复合地层中钻进成孔、施工灌注桩。

本次高铁桥群加固工程试桩选择在未铺轨的宁安城际高架桥5号桥墩东侧 (见图12) , 桩基距桥墩最小净距3.8m。通过宁安城际试桩过程中对5号桥墩顺桥向、横桥向位移及墩顶沉降的监测, 来总结施工方案、施工参数的合理性, 决定是否需要优化等, 为京沪高铁高架桥的隔离钻孔灌注桩施工提供依据。宁安城际试桩的钻孔灌注桩总数为21根, 桩位平纵断面布置如图13所示。这21根桩基中, 编号1～4号桩及18～21号桩为长桩, 桩长27.5m;编号5～17号桩为短桩, 桩长20.5m。

经过不间断监测, 宁安城际5号桥墩墩顶顺桥向位移单日最大值为0.2mm, 累计为0.1mm;横桥向位移单日最大值为-0.2mm, 累计为0;沉降单日最大值为0.3mm, 累计为0.2mm。各项数据均未超过预警值, 满足设计要求。最终的桥群结构位移、沉降数值如表4所示, 均满足工程施工要求。

1) 基于数值模拟软件, 对注浆加固、纵梁横撑加固、隔离钻孔灌注桩加固等多种加固方式的加固效果进行了模拟分析, 不同的加固方式对高铁桥群的影响不尽相同。

2) 通过原位试验和模拟分析, 选取了隔离钻孔灌注桩的加固措施, 同时对既有取芯钻机进行改造, 采用跳孔对称施工技术, 保证了隔离桩施工过程中桥群结构稳定。

3) 工程实践证明, 通过采用钻孔灌注桩隔离加固方案, 有效确保了盾构施工及高铁运营的安全性。