盾构施工对大型立交桥超长桩工作性状的影响

郭一斌，张立明，郑 刚，杨振丹

（1.天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072；2.郑州航空工业管理学院 土木工程学院，郑州 450015；3.天津市地下铁道集团有限公司，天津 300000）

1 前 言

地铁已经成为现代化城市的标志之一，目前我国正在进行大规模的地铁建设，开展地下空间。当地铁穿越城市中心区时不可避免地要近距离穿越桥梁及建筑物的基础，特别是深度较大的桩基础。

国内外很多学者对盾构掘进对桩基础影响的问题进行过研究。Morton 等[1]和Loganathan 等[2]分别进行了重力场和离心机模型试验，发现盾构掘进对桩基影响很大，尤其是在软土中。Mroueh 等[3]和Gordon等[4]采用有限元方法分析了隧道掘进施工对附近单桩和群桩产生的影响。

国内学者黄茂松等[5]、王丽等[6]、姜忻良等[7]、张志强等[8]、朱逢斌等[9]依托实际工程采用有限元法对隧道施工对近邻桩基的承载性状进行了研究。

目前研究盾构掘进对桩基础的影响主要是针对常规桩基础进行研究。在天津等沿海软土地区的大型城市立交桥、高架桥，为减小桥墩桩基础的占地面积，桥墩往往支承在长度达50～60 m 的超长桩上，以减少桩数。近几年多次出现盾构穿越大型立交桥超长桩基础的案例。由于大型立交桥高度大，盾构穿越引起的桩基础的水平位移可导致桥面标高处的水平位移显著放大；此外，地震荷载作用下桩基往往承担较大的地震作用。为此，必须对盾构穿越大型立交桥、高架桥超长桩基础的引起的桩水平变位以及相应的竖向和水平向承载性能进行分析。

本文基于天津地铁盾构穿越桩基工程实践，结合实测数据进行分析，采用有限元进行模拟，并将计算与实测结果进行拟合。基于实测验证的有限单元模型，对隧道近距离穿越超长桩基础进行模拟，研究了不同隧道埋深情况下盾构掘进对超长桩承载性状的影响，并对其机制进行分析。

2 工程实测及有限元验证

2.1 工程概况

天津地铁3号线某区间近距离穿越高架桥桩基础，该段地层主要为粉土、粉质黏土和粉砂，土层分布及物理力学参数如表1 所示。

高架桥基础承台下共8 根预制混凝土方桩，承台底位于地面，承台尺寸为2.8 m×4.2 m，方桩尺寸为0.35 m×0.35 m，桩长为25 m，单桩荷载500 kN。桩身及承台混凝土为C30。

本工程所采用盾构机前盾直径为6.41 m，隧道管片外径为6.2 m，管片外注浆层厚度约为10 cm。隧道管片厚度为0.35 m，管片环宽为1.2 m。盾构过程中同步注浆压力为200 kPa，土仓压力为120 kPa。

此段盾构埋深8 m，盾构外边线距离桩边最小距离为1.69 m。盾构与桥桩基础平面关系如图1 所示。

图1 盾构与桩基础平面示意图Fig.1 Schematic diagram of tunnel and the pile foundation

2.2 实测结果分析

此段盾构区间从2011年1 月初始发，在2011年2 月至2011年3 月初经过桥桩基础。桥桩承台上布设4个监测点，分别为Q9～Q12，监测过程中Q11 点失效。

盾构穿过桥桩期间承台监测点沉降如图2 所示。由图中可以发现，当盾构距离桥桩基础较远时就已经对桩基础产生了一定的影响，但整体沉降较小，在2 月8 日前桥桩沉降均不超过0.5 mm；2 月8 日以后，此时盾构机距离桥桩基础25 m（4D）左右，沉降开始迅速发展，期间3个监测点均存在回弹的现象；2 月底盾构基本通过桥桩基础，但沉降仍然有所发展，但逐渐趋于稳定，最终沉降将近2 mm。

图2 盾构穿越期间桩基承台沉降Fig.2 Settlements of pile-cap during passing of shield

盾构穿越桥桩基础过程中，承台沉降整体呈下沉趋势，但在沉降过程中存在多次回弹现象，笔者分析其原因为盾构推进过程中进行同步注浆，注浆压力为200 kPa 左右，注浆使桩基础产生了回弹的现象。

2.3 有限元模型及参数

采用有限元软件ABAQUS 对盾构穿越桥桩基础工程进行模拟。

桩身混凝土为C30，隧道管片混凝土为C50。考虑到隧道衬砌接头对衬砌结构刚度的影响，将衬砌管片刚度折减0.15。有限元计算中桩和隧道管片采用弹性材料进行模拟，桩身弹性模量E=30 GPa，隧道管片弹性模量E=29.3 GPa。

土体采用修正的剑桥模型，土层参数见表1，为现场薄壁取土器取样、专门试验获得[10]。

桩-土接触面采用库仑摩擦模型，摩擦系数取值0.35，与文献[10]中一致。

有限元计算中先将群桩加载至工作条件下上部荷载值，然后进行盾构掘进。有限元模型网格划分如图3 所示。

表1 土层分布及物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of soil layers and soil distribution

图3 有限元网格模型Fig.3 Meshed finite element model

2.4 盾构施工过程模拟

对盾构施工过程的模拟，采用刚度荷载迁移和施工等代层的方法反映施工过程和施工质量[11]。

将盾构推进作为一个非连续的过程来研究，每次向前推进的长度为一个管片单元的宽度，去掉开挖部分土体，同时变换盾构和管片单元材料。

以施工等代层考虑隧道管片与周围土体间的注浆层，盾尾空隙、土体向盾构空隙的自然填充及注浆后的分布情况通过设置等代层的弹性模量来考虑。有限元模拟中等代层厚度为10 mm，根据对实测数据的反演计算，确定等代层弹性模量E=3.0 MPa，泊松比ν=0.2。

有限元模拟中考虑盾构掘进过程中进行同步注浆，以均布压力的形式进行模拟，注浆压力与现场施工情况相同，取200 kPa。

采用对开挖面的土体施加均布压应力以模拟盾构推进产生的土仓压力，模型中土仓压力与现场施工情况相同，取120 kPa。

2.5 有限元模型及参数

图4为点Q12 有限元计算沉降与实测值对比，可以发现，有限元计算沉降发展趋势及数值与实测值拟合较好，说明有限元模型中所取的桩-土接触面参数、土体及桩身材料参数、盾构模拟方法及有限元网格划分合理，能够较好地模拟现场施工过程。

图4 有限元计算与实测对比Fig.4 Results of finite element analysis and measured data

3 盾构近距离穿越超长桩工程背景及有限元模型

3.1 工程背景

天津地铁5、6号线线路与市区内多座桥梁交叉，需要近距离穿越桥桩基础，最小净距大多为1.5 m 左右，所涉及的桥梁桩基础大多为长度50 m以上的超长桩基础。盾构穿越桥梁桩基础处盾构埋深为10～30 m 不等，变化幅度较大。

3.2 有限元模型

采用有限元软件ABAQUS 对隧道近距离穿越超长桩进行模拟，研究不同埋深的盾构掘进对超长桩造成的不利影响。

盾构隧道参数均与验证模型中相同。超长桩桩长为55 m，桩径1.0 m，单桩桩顶荷载为5 500 kN。隧道与超长桩相对位置及尺寸如图5 所示。

隧道与超长桩净距为1.5 m，研究隧道与超长桩处于不同相对位置时对超长桩产生的影响，隧道中心线深度分别为15、25、35 和45 m。

图5 模型示意图Fig.5 Schematic diagram of model

为简化计算土层采用均质土层，土体采用修正的剑桥模型，土层参数采用表1 中第7 层粉质黏土参数。

桩身和隧道管片混凝土标号、材料力学参数、衬砌结构处理、接触面参数等均与验证模型中相同。

有限元计算中先将单桩加载至工作条件下桩顶荷载，然后进行盾构掘进。有限元模型网格划分如图6 所示。

图6 有限元网格模型Fig.6 Meshed finite element model

3.3 盾构施工过程模拟

有限元模型中对盾构施工过程的模拟方法及参数均与验证模型中相同。

仍然采用对开挖面的土体施加均布压应力以模拟盾构推进产生的土仓压力，4个模型中，对应隧道深度为15、25、35 和45 m，土仓压力分别为150、250、350 和450 kPa。

4 盾构穿过后单桩承载性状

盾构穿越桩基础后继续对单桩进行加载，盾构穿越前和不同埋深的盾构穿越后单桩Q-s 曲线如图7 所示。

可以发现，盾构穿越导致桩顶产生一定的沉降，盾构埋深越大，桩顶沉降也越大。继续在桩顶进行加载，Q-s 曲线的斜率较原曲线有所减小，说明单桩的刚度不仅没有减小，反而有所增加。

笔者分析其原因为盾构穿越导致桩身产生一定沉降，在此过程中桩身侧阻及桩端阻力发挥较充分，后期再进行加载时端阻可以较快的发挥出来，单桩刚度未出现减小的现象。

图7 不同盾构单桩Q-s 曲线Fig.7 Load and settlement curves of piles with different tunneling depths

5 盾构施工引起超长桩变形及内力分析

盾构掘进不可避免对周边环境造成影响，当隧道近距离穿过超长桩，会导致超长桩产生变形以及桩身内力的变化。

以隧道轴线方向为纵向，桩身位移以盾构掘进方向为正；以垂直隧道掘进的水平方向为横向，桩身位移以远离隧道方向为正；以桩轴向为竖向，桩身位移以沉降为正。

5.1 桩身沿隧道掘进方向的变位

以隧道轴线方向为纵向，桩身位移以盾构掘进方向为正，即图6 中1 方向。不同隧道埋深情况下桩身纵向变形如图8 所示。

由图可以观察到，桩身纵向位移随着盾构的掘进和隧道埋深的不同呈现出如下规律：

（1）盾构中轴线附近15～20 m 范围内纵向变形为正向，正向位移的极值位于盾构中轴线深度处，不同盾构埋深情况下，极值范围为1～2 mm。

（2）盾构中轴线附近15～20 m 范围之外纵向变形为负向，靠近地面处位移值较大，而桩身下部靠近桩端附近位移值非常小。最大位移绝对值位于桩顶处，不同盾构埋深情况下，纵向最大位移值范围为2～5 mm。

（3）盾构掘进过程中，桩身纵向变形始终呈现出盾构中轴线附近15～25 m 范围为正，此范围之外为负的分布形式。当盾构开挖面还未通过超长桩中轴线位置，随着盾构掘进的进行，桩身纵向变形逐渐增大，盾构开挖面与桩轴线位于同一平面时，纵向位移整体达到最大值。当盾构开挖面通过桩轴线位置继续掘进，桩身纵向变形整体逐渐减小。

（4）隧道埋置深度对桩身纵向变形也有较大的影响，当盾构轴线埋深为25 m时，桩身正向和负向纵向位移均达到最大值。即对于桩身纵向位移，最不利隧道埋深为位于桩长的中心位置附近。盾构穿越会导致桩顶产生水平位移，桩身上部发生倾斜，桩顶倾斜延伸至桥面高度会产生很大的水平位移。不同桥面高度情况下，不同工况桥面沿隧道掘进方向最大水平位移如图9 所示。

图8 不同中心线埋深情况下桩身纵向变形Fig.8 Longitudinal deformations of piles with various tunnel axial depths

图9 不同隧道埋深时不同桥面高度情况下最大纵向水平位移Fig.9 Maximum longitudinal deformations of bridge decks with various heights and various tunnel axial depths

桥面高度越大，由于桩顶倾斜导致的桥面水平位移越大，桩顶位移延伸至桥面会产生可观的水平位移。盾构埋深为25 m 对桩身纵向水平位移最不利，当桥面高度为20 m时，桥面水平位移可达到10 mm 左右。

5.2 桩身垂直隧道掘进方向的变位

以垂直于隧道掘进方向的水平方向为横向，桩身位移以远离隧道方向为正，即图6 中2 方向。不同隧道埋深情况下桩身横向变形如图10 所示。

由图可以观察到，当盾构开挖面未达到桩轴线位置时，靠近盾构轴线附近范围内的桩身横向位移为正值，即位移为远离隧道方向，该范围之外为负值。当盾构开挖面通过桩轴线位置继续向前掘进，桩身横向位移为整体倾向隧道方向，且随着盾构的掘进桩身横向位移整体逐渐增大。

桩身最大横向位移绝对值发生在桩顶，随着隧道埋深的增加，桩顶最大横向水平位移值逐渐减小，但对桩身的影响范围逐渐增大。对于桩身横向水平位移，最不利的盾构中心线埋深为15 m，位于桩身上部。

当隧道轴线埋深为15 m 和25 m时，桩身横向位移主要分布在桩身上部，桩身下部位移很小，桩端处几乎为0。而当隧道轴线埋深为35 m 和45 m时，桩身全长均产生较大的横向位移。即随着隧道埋深的增加，桩身整体横向位移由上部倾斜逐渐转变为整体侧移。

图10 不同中心线埋深情况下桩身横向变形Fig.10 Lateral deformations of piles with various tunnel axial depths

不同桥面高度情况下，不同工况桥面垂直隧道掘进方向最大水平位移如图11 所示。

图11 不同隧道埋深时不同桥面高度情况下最大横向水平位移Fig.11 Maximum lateral deformations of bridge decks with various heights and various tunnel axial depths

盾构埋深为15 m时对桩身横向水平位移最不利，当桥面高度20 m，桥面水平位移可达到7 mm左右。

5.3 桩身竖向位移

以桩轴向为竖向，桩身位移以沉降为正，即图6 中3 方向。不同隧道埋深情况下桩身竖向变形如图12 所示。

由图可见，盾构掘进对超长桩竖向沉降的影响非常大。随着盾构开挖面距桩的距离逐渐减小，桩身竖向位移逐渐增加，当开挖面通过桩轴线位置继续掘进，桩身竖向位移继续增加。

当盾构开挖面超过桩轴线纵向距离达到2 倍隧道直径，盾构轴线埋深由15 m 增加到45 m时，桩顶因盾构产生沉降由4.5 mm 增加到13.3 mm。且对于隧道埋深为15 m 和25 m 的情况下沉降趋势已经基本稳定，而隧道埋深为35 m 和45 m时，沉降仍具有较大的增长趋势。

从竖向位移分布上看，隧道埋深为15～35 m时，盾构引起的竖向位移主要集中在桩身的中上部，桩端处竖向位移几乎为0；而隧道埋深为45 m，盾构超过桩轴线2 倍隧道直径时，桩端产生了7 mm的沉降。

综上所述，隧道埋深越靠近桩端，盾构掘进对桩身竖向位移的影响越大。且隧道轴线埋深距桩顶60%桩长以内时，盾构掘进几乎不会对桩端产生竖向沉降。

图12 不同中心线埋深情况下桩身竖向变形Fig.12 Vertical deformations of piles with various tunnel axial depths

5.4 桩身轴力

图13为不同隧道埋深情况下的桩身轴力分布，由图可以观察到，盾构掘进导致桩身轴力大幅增加，隧道轴线深度以上轴力随深度增加，该深度以下轴力随深度减小，桩身轴力在隧道轴线深度处出现最大值。

随着盾构开挖面距桩的距离逐渐减小，桩身轴力逐渐增大，当开挖面通过桩轴线位置继续掘进，桩身轴力仍继续增大。

对比不同隧道埋深情况下桩身增加的轴力可以发现，当隧道埋深为15～35 m时，隧道埋深越大，桩身轴力增加的幅度也越大，且桩端轴力增加幅度很小。当隧道轴线埋深为35 m时，桩身最大轴力为桩顶轴力的1.5 倍。

当隧道埋深为45 m时，桩身轴力增加幅度较35 m时减小，而桩端轴力大幅增加，为原桩端轴力的3.7 倍。

说明当隧道位于桩身中下部时引起桩身产生的轴力最大，当隧道位置靠近桩端会导致桩端阻力大幅增加。

图13 不同中心线埋深情况下桩身轴力Fig.13 Axial forces of piles with various tunnel axial depths

5.5 桩身侧阻

图14为不同隧道埋深情况下的桩身侧阻分布，由图可以观察到：超长桩在承载力特征值下侧阻为一种单驼峰式的分布，桩身中上部侧阻发挥较充分，桩身下部发挥程度较小。

当盾构开挖面靠近超长桩时，隧道轴线以上深度桩身侧阻逐渐减小，隧道轴线以下深度桩身侧阻逐渐增大。当盾构通过桩轴线位置继续掘进时，隧道轴线以上深度桩身甚至出现较大范围的负摩阻区，且负摩阻力发挥程度较大；隧道轴线以下深度桩身侧阻较承载力特征值情况下大幅增加。盾构近距穿过超长桩后，导致隧道轴线附近桩身侧阻呈“S”型分布。隧道埋深越大，盾构掘进引起的超长桩侧阻变化程度也越大。

图14 不同中心线埋深情况下桩身侧阻Fig.14 Shaft resistance of piles with various tunnel axial depths

5.6 桩身沿隧道掘进方向弯矩

由于盾构掌子面存在土仓压力，导致桩身发生沿隧道掘进方向的弯曲，桩身会产生一定的弯矩。

图15为不同隧道埋深情况下的沿隧道掘进方向（纵向）桩身弯矩分布，可以发现，仅在桩身为10 m 左右范围内弯矩较大，弯矩最大值发生在盾构中轴线附近，且弯矩分布存在反弯的现象。

盾构掘进过程中，在盾构掌子面与桩身位置平齐时弯矩达到最大值，盾构通过后桩身弯矩有所减小。所有工况条件下，桩身沿隧道掘进方向最大弯矩值均不超过为100 kN·m。对于直径为1 m 的桩，配筋率0.4%时，钢筋均匀布置，能承受最大弯矩为463 kN·m，附加弯矩对桩身的影响可以忽略不计。

5.7 桩身垂直隧道掘进方向弯矩

盾构同步注浆，导致桩身发生垂直隧道掘进方向的弯曲，桩身会产生一定的弯矩。

图16为不同隧道埋深情况下的垂直隧道掘进方向（横向）桩身弯矩分布，可以发现，桩身较大范围（约为30 m）内均存在较大的弯矩，且存在多个反弯点。所有工况条件下，桩身垂直隧道掘进方向最大弯矩值均不超过50 kN·m。对于直径为1 m的桩，配筋率0.4%时，钢筋均匀布置，能承受最大弯矩为463 kN·m，附加弯矩对桩身的影响可以忽略不计。

图15 不同中心线埋深情况下桩身纵向弯矩Fig.15 Longitudinal moment of piles with various tunnel axial depths

图16 不同中心线埋深情况下桩身横向弯矩Fig.16 Lateral moment of piles with various tunnel axial depths

6 结 论

（1）盾构近距离穿越超长桩会导致盾构中轴线附近15～20 m 范围内纵向变形方向为盾构掘进方向，此范围之外为相反方向。对于桩身纵向位移，最不利隧道中心线埋深为25 m，位于桩长的中心位置附近。

（2）桩身横向位移整体是朝向隧道方向，最大横向位移绝对值发生在桩顶，随着隧道埋深的增加，桩顶最大横向水平位移值逐渐减小，桩身整体横向位移由上部倾斜逐渐转变为整体侧移。对于桩身横向位移，最不利隧道埋深为15 m，位于桩身上部位置。

（3）桩身的纵向和横向水平位移延伸至桥面标高后均会产生非常可观的水平变形量，盾构穿越高架桥梁桩基础时更需严格控制桩顶水平位移。

（4）盾构掘进会导致超长桩产生较大沉降，桩顶处竖向沉降最大并随深度增加逐渐减小。隧道埋深越靠近桩端，盾构对桩身竖向位移的影响越大。当隧道轴线埋深距桩顶60%桩长以内时，桩端几乎不会产生沉降；超过此范围就会导致超长桩桩端也产生较大的沉降。

（5）盾构掘进导致桩身轴力大幅增加，隧道轴线深度以上轴力随深度增加，该深度以下轴力随深度减小，桩身轴力在隧道轴线深度处出现最大值。当隧道位于桩身中下部时，在桩身中引起的附加轴力最大。

（6）盾构近距穿过超长桩后，隧道轴线以上深度桩身侧阻逐渐减小，以下深度桩身侧阻逐渐增大，导致隧道轴线附近桩身侧阻呈“S”型分布。且隧道埋深越大，盾构掘进引起的超长桩侧阻变化程度也越大。

（7）盾构近距离穿过超长桩，对桩身产生的附加弯矩影响较小，工程中不必采取专门措施。

[1]MORTON J D,KING K H.Effect of tunneling on the bearing capacity and settlement of piled foundations[C]//Proc.Tunneling 79.London:IMM,1979:57-68.

[2]LOGANATHAN N,POULOS H G,STEWART D P.Centrifuge model testing of tunneling-induced ground and pile deformations[J].Geotechnique,2000,50(3):283-294.

[3]MROUEH H,SHAHROUR I.Three-dimensional finite element analysis of the interaction between tunneling and pile foundation[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,2002,26(3):217-230.

[4]GORDON T K,NG C W W.Effects of advancing open face tunneling on an existing loaded pile[J].J.Geotech.Geoenviron.Eng.,ASCE,2005,131(2):193-201.

[5]黄茂松,张宏博,陆荣欣.浅埋隧道施工对建筑物桩基的影响分析[J].岩土力学,2006,27(8):1379-1383.HUANG Mao-song,ZHANG Hong-bo,LU Rong-xin.Analysis of pile responses caused by tunneling[J].Rock and Soil Mechanics,2006,27(8):1379-1383.

[6]王丽,郑刚.盾构法开挖隧道对桩基础影响的有限元分析[J].岩土力学,2011,32(增刊1):704-712.WANG Li,ZHENG Gang.Analyses of the effects of shield driven tunneling on the pile foundation with finite element method[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(Supp.1):704-712.

[7]姜忻良,崔奕,李园,等.天津地铁盾构施工地层变形实测及动态模拟[J].岩土力学,2005,26(10):1612-1616.JIANG Xin-liang,CUI Yi,LI Yuan,et al.Measurement and simulation of ground settlements of Tianjin subway shield tunnel construction[J].Rock and Soil Mechanics,2005,26(10):1612-1616.

[8]张志强,何川.深圳地铁隧道邻接桩基施工力学行为研究[J].岩土工程学报,2003,25(2):204-207.ZHANG Zhi-qiang,HE Chuan.Study on the mechanical behaviour of a metro tunnel construction adjacent to existing pile foundations in Shenzhen[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2003,25(2):204-207.

[9]朱逢斌,杨平,ONG C W.盾构隧道开挖对邻近桩基影响数值分析[J].岩土工程学报,2008,30(2):298-302.ZHU Feng-bin,YANG Ping,ONG C W.Numerical analysis on influence of shield tunnel excavation to neighboring piles[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2008,30(2):298-302.

[10]郑刚,刁钰.超深开挖对单桩的竖向荷载传递及沉降的影响机理有限元分析[J].岩土工程学报,2009,31(6):837-845.ZHENG Gang,DIAO Yu.Finite element analysis on mechanism of effect of super-deep excavation on vertical load transfer and settlement of a single pile[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2009,31(6):837-845.

[11]陈卫忠,伍国军,贾善坡.ABAQUS 在隧道及地下工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2010.