小净距盾构隧道近接侧穿桥桩影响分析

刘欢

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 城市轨道与地下工程设计研究院 地下工程所，湖北 武汉 430063)

目前，轨道交通已成为各大城市发展公共交通、解决交通拥堵问题的首选，但是，轨道交通的建设必然会对周边环境产生影响．其中，盾构隧道近距离侧穿桥梁桩基是建设过程中较为常见的难题． 新建隧道施工和运营对既有桥桩受力和变形的影响应控制在要求的范围内，也要保证轨道交通的正常运营．《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》(GB 50652—2011)中提到:小净距隧道是指两隧道间距小于隧道直径的60%． 因此，有必要计算和分析小净距盾构隧道的施工对既有桥桩影响的受力特征，并以此为依据，采取必要的预控或控制措施减小新建盾构隧道对既有桥桩的影响．

以郑州地铁1 号线二期市体育中心站—龙子湖中心站区间盾构隧道以小净距侧穿尚贤东桥桥桩为例，利用有限差分程序FLAC3D 模拟盾构施工过程，分析盾构施工对不同净距的桥桩的影响，并提出合理的桥桩保护方案，可为类似工程提供借鉴．

1 工程概况

1．1 周边环境

郑州地铁1 号线二期市体育中心站—龙子湖中心站区间沿明理路下方敷设．场地主要为黄河冲积平原，较平整，周边为城市道路、建筑，北低南高．城市道路下方管线较密集．该区间采用盾构法施工，隧道外径D=6 m．盾构隧道在DK36 +290—DK36 +420 段以半径650 m 侧穿既有的尚贤东桥．区间线路侧穿桥梁处盾构隧道埋深约12．5 m，线间距为9．6 m．

尚贤东桥采用城－A 荷载等级设计，为双幅桥、三跨(32 m+48 m +32 m)预应力混凝土连续箱梁桥，基础采用桩接承台，桩基为钻孔灌注桩，桩径为1 200 mm，墩台桩长为45 m，桥台处桩长为35．2 m．

新建区间盾构隧道侧穿桥桩的平、剖面关系如图1 与图2 所示． 盾构隧道与桥梁桩基之间的净距见表1．

表1 盾构隧道与桩基最小净距m

1．2 桥桩控制标准的制定

一般情况下，采用允许位移值作为桥桩的沉降控制值．但是，桥桩的沉降控制值的制定，既要满足桥桩的承载力要求，又要满足桥梁上部结构的允许沉降值，因此，依据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)、《城市桥梁养护技术规范》(CJJ 99—2009)和《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)，结合郑州地铁1 号线一期工程穿越桥梁的工程经验，建议本区间侧穿尚贤东桥单墩沉降允许位移值取15 mm，单桩水平位移允许值取6 mm． 为有效控制桩基的沉降和水平位移，取桩基沉降和单桩水平位移允许值的80%作为警戒值，取桩基沉降和单桩水平位移允许值的40%作为预警值．制定的桥桩控制标准见表2．

图1 区间隧道与尚贤东桥平面关系图(单位:m)

图2 区间隧道与尚贤东桥剖面关系图(单位:m)

表2 桥桩控制标准mm

2 施工影响预测

利用快速拉格朗日有限差分程序FLAC3D，对盾构隧道侧穿桥桩过程进行模拟分析．

2．1 工程地质及材料力学参数

根据地质勘查报告，工程所处场地为黄河冲积平原，地形平坦，地表以下50 m 以内地基土属第四系(Q)沉积地层，主要地层为填土层、黏质粉土层、细砂层及中砂层． 选取F1Jz2-Ⅲ14-47 钻孔进行计算．土层分布及各层土的物理力学参数见表3．

表3 模型材料物理力学参数

2．2 计算模型与网格划分

为简化分析，不考虑土体流变与混凝土蠕变以及地下水的影响，同时，盾构隧道圆形开挖面上应力释放为10%;不考虑盾构管片与围岩之间空隙同步注浆及二次注浆．

采用直角坐标系，其中，x 方向长度为50 m，y 方向长度为10 m，z 方向长度为40 m，模型宽度大于5d(d为孔洞直径)，左线隧道在x 轴上的取值范围为－7．8 ～－1．8 m，右线隧道在x 轴上的取值范围为1．8 ～7．8 m，z 轴取值范围均为－12．5 ～－18．5 m．模型中，取z 方向为重力方向，隧道沿y 轴方向布置．模型计算模型网格如图3 和图4 所示，模拟过程如图5 所示．

图3 三维计算模型示意图

图4 三维计算模型网格图

图5 模拟流程图

2．3 结果分析

2．3．1 隧道施工对周边土体的影响分析

由于隧道开挖引起的地层扰动，盾构隧道纵向所在区域的正上方一定范围内的土层发生了变形，桥桩及承台也由于盾构隧道的开挖发生了竖向和水平位移．当左线盾构隧道贯通时，地层最大竖向沉降为17．85 mm，地层最大水平位移为4．55 mm． 当双线盾构隧道贯通时，地层最大竖向沉降为17．06 mm，地层最大水平位移为4．76 mm． 计算所得隧道周边土体水平、竖向位移云图如图6—9 所示．

图6 左线隧道通过后地层竖向位移云图

图7 左线隧道通过后地层水平位移云图

图8 双线隧道通过后地层竖向位移云图

图9 双线隧道通过后地层水平位移云图

2．3．2 隧道施工对桥桩的影响分析

尚贤东桥0#—3#墩台最近桥桩的竖向及横向位移、轴力、弯矩如图10—13 所示．

图10 0#—3#墩台最近桥桩竖向位移图

图11 0#—3#墩台最近桥桩水平位移图

图12 0#—3#墩台最近桥桩轴力图

图13 0#—3#墩台最近桥桩弯矩图

分析图10—13 可知，隧道施工对桩基的变形影响主要有:

1)从图10—11 可以看出，双线盾构隧道贯通后，与盾构隧道净距最小的桥桩(0#墩台)的竖向和水平位移最大，分别为4．67 mm 和1．92 mm．

2)从图12—13 可以看出，双线盾构隧道贯通后，与盾构隧道净距最小的桥桩(0#墩台)的轴力和弯矩最大，最大轴力在桩身1/2 处，为2 638 kPa，桩底轴力为463 kPa;弯矩在邻近隧道位置处最大为588 kN·m．

3)从图10—13 可知，隧道开挖对既有桩基的影响随着桩基距隧道轴线距离的增加而减小． 左线隧道的施工主要对临近一侧的桥桩影响较大，对远离左线隧道的桥墩影响很小，并且与左线隧道距离较近的桥桩，由于距离隧道轴线更近，故其变形也更大．右线隧道施工后，距离较近的桥墩的桩基位移明显增加，变形规律跟临近左线隧道的桥桩相似．

4)桩基的变形特征．在隧道拱顶水平面以上主要为沉降和趋于隧道的水平位移;在隧道范围内及底部约1D ～2D 范围内随着周围土体的向外移动而发生远离隧道方向的变形，但变形量较小;隧道底部1D ～2D 以下至桩底的范围内，桩基变形也基本以趋向隧道的水平位移为主，沉降量很小．

经验算，桥桩的最大沉降量、转角均满足桥梁设计控制标准，桩端轴力在岩层极限端阻力标准值范围内．

3 施工过程控制

根据国内外盾构施工经验，土压平衡盾构在施工中需要采取以下综合措施，以控制对桥桩的影响．

3．1 前期准备工作

盾构机在距离桥桩20 m 时，加强设备维修，进行刀盘、注浆系统、密封系统、推进千斤顶及监控系统等设备的检修，确保穿越过程中设备无故障、连续匀速通过．

3．2 盾构掘进控制

对盾构到达0#墩台前50 m 范围内的掘进参数及地面沉降情况进行统计分析，制定盾构掘进最优参数．在穿越桥梁时应适当放慢盾构机的掘进速度，匀速穿越桥梁区段，以尽量减少对土体的扰动．

加强对盾构掘进中的工况管理，严防泥饼生成和土仓堵塞，避免在桥梁范围内清洗土仓，减少盾构推进方向的改变．

确保盾尾密封，加强盾尾舱的管理:在推进过程中，增加盾尾刷保护及严格控制盾尾油脂的压注;安排专人观察盾尾漏浆情况，确定无漏浆后再进行正常掘进．

3．3 加强施工监测

加强监测，尤其是对桥桩的监测．在过桥面布设主观测断面，对地层和轨面做变形量测．充分重视监控量测信息化施工，及时优化调整掘进施工参数，做到信息化动态施工管理．

4 结 语

1)小净距盾构隧道近距离侧穿桥桩施工时，桥桩产生较大的水平和竖向位移，并产生了一定的轴力和弯矩．

2)桥桩距离盾构隧道距离越近，盾构施工对桥桩的影响越大．

3)对于本项目而言，盾构隧道以小净距侧穿桥桩时，在不采取加固措施的情况下，桥桩的变形在允许范围内，盾构隧道可安全通过．

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