小半径近距离盾构隧道侧穿高架桩基影响研究

王春凯

（上海市城市建设设计研究总院,上海市200125）

小半径近距离盾构隧道侧穿高架桩基影响研究

王春凯

（上海市城市建设设计研究总院,上海市200125）

以上海市轨道交通某盾构区间隧道侧穿内环高架桥桩基为背景，通过有限元数值模拟，分析盾构隧道穿越施工引起的桩基竖向位移、水平位移及倾斜率。研究表明：使用有限元软件模拟盾构穿越施工，可以较好地得到盾构隧道穿越引起的邻近桥桩变形量，以及桩基变形变化趋势；计算结果结合现场实测数据对比表明，在采取可靠措施的前提下，盾构隧道施工引起的邻近桩基竖向变形、倾斜，在桩基变形允许范围内，满足高架桥正常运营要求；小半径盾构隧道施工，需严格控制地层损失率，避免纠偏量过大、过猛。

盾构隧道；高架桥桩；有限元计算；桩基沉降

0 引言

盾构法施工是我国各大城市轨道交通区间隧道常用的工法，随着城市轨道交通的大力发展，中心城区盾构隧道施工越来越普遍，随之而来的是沿线障碍物对盾构隧道实施的限制，以及盾构隧道施工对周边地下建（构）筑物的保护。其中较为典型的一种情况是盾构隧道穿越高架桥桩，因高架桥桩对竖向及侧向变形要求较高，因此对盾构隧道邻近穿越提出了较高的变形控制要求。

随着盾构隧道邻近穿越高架桥桩基的情况增多，更多的从业者针对盾构隧道施工引起的桩基变形、桩基力学性能改变等进行了深入的研究。M o r to n等通过市内试验研究了隧道施工对桩基承载力和沉降的影响。研究结果表明隧道施工会对桩基产生严重的影响，隧道施工对软弱土层中的近邻桩基和位于其上的桩基的影响是要考虑的重要因素[1]。杨永平、朱逢斌、凌燕婷、侯玉伟等人针对盾构隧道近距离穿越桩基，采用莫尔-库仑弹塑性屈服准则，建立有限元数值模型，对盾构穿越引起的桩基变形和内力进行分析[2-5]。吴劭旸通过三维有限元计算，分析大直径泥水盾构近距离侧穿桩基引起的桩基变形及地面沉降，并将数值计算结果与施工实测数据进行比对，研究盾构穿越引起的变形规律[6]。周冠南等通过有限元数值计算，除研究盾构穿越桩基施工对桩基变形影响外，对盾构穿越施工引起桩基框架结构内力变化做了分析[7]。

本文以上海市轨道交通某盾构隧道在小半径曲线段近距离穿越内环高架桥桩基为背景，建立有限元数值模型，分析盾构隧道施工对邻近桩基的影响，并与实测数据进行比较，得出相应结论。为以后类似工程提供借鉴。

1 工程背景

本文以上海市轨道交通某盾构区间隧道侧穿内环高架桥桩基为背景，研究盾构隧道小半径近距离侧穿对桥桩的影响。

1.1 盾构穿越情况

采用装配式通缝拼装衬砌管片，隧道外径6.2m，内径5.5 m，管片厚度350 mm，环宽1.2 m。穿越段隧道中心水平间距约20.5 m，隧顶埋深约17.8 m。穿越段盾构隧道位于小半径圆曲线上，上行线曲线半径为380 m，下行线曲线半径为420 m。

盾构隧道穿越的中山南二路内环高架建于20世纪90年代，高架桥桩基为直径1 m的钻孔灌注桩，桩底标高-41.2 m。上行线区间隧道与桩基最小净距为1.75 m，下行线区间隧道与桩基最小净距为1.76 m。穿越段近似正交。

盾构隧道穿越内环高架平、剖面图分别如图1和图2所示。

1.2 穿越段地层情况

区间隧道穿越高架桥桩段盾构隧道全断面位于⑤1-1黏土层中，该层呈软至流塑状，有含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高等特点，是上海盾构施工经常遇到的典型软土地层。其地层特性见表1。

图1 盾构隧道穿越内环高架桥桩基节点平面图

图2 盾构隧道穿越内环高架桥桩基节点剖面图

表1 地层参数表

盾构隧道在这种典型的软土地层中施工，易因机械挤压、动力触动影响土体的力学参数，对软黏土的扰动影响非常明显，可能造成严重的环境危害问题。

1.3 内环高架桥桩基允许变形要求

因被穿越的内环高架为市区重要的主干道路，盾构隧道穿越施工引起的允许变形量必须经得权属单位认可。经与权属单位沟通及查阅相关规范，盾构隧道施工引起内环高架桥桩基允许变形量要求如下：

（1）桩基沉降：单次量不大于2 mm，累计变形量不大于5 mm。

（2）桩基倾斜不大于1/3 500。

盾构隧道设计及施工中应严格按照上述允许变形要求进行考虑。

1.4 穿越施工控制措施

（1）区间穿越高架桥段设计已采用增设注浆管管片，施工中需加强监测，做到“勤量测、速反馈”，若监测表明变形量接近或达到控制标准，及时进行二次注浆，并按“多点、均匀、少量、多次”的原则有序进行，直至土体变形稳定，以此来控制高架桥桩基变形。

（2）设置试验段，采用信息化施工，盾构推进过程中不断调整和优化施工参数。

（3）穿越段区间位于曲线上，盾构机穿越过程中在不断调整盾构姿态，对控制变形不利，更需严格控制地层损失率，尽量减小变形。

（4）控制好盾构姿态，匀速、连续地推进，减小变速推进对周围土体的扰动。

（5）严格控制管片拼装精度，确保防水材料处于最佳工作状态，防止管片渗漏水造成上方土体的沉降。

（6）盾构推进过程中及时填充隧道衬砌壁后空隙，控制注浆压力和注浆量。

（7）加强对高架桥桩基的变形监测，根据现场情况建议对穿越节点做深层土体位移监测。如发生较大变形及时反馈并调整施工参数。

（8）高架桥桩基预警值为变形控制值的0.7倍。当变形量超过预警值时，及时查明原因，采取有效措施防止变形继续发展。

2 数值模拟

2.1 模型建立

选取盾构隧道穿越桥桩断面进行数值模拟，应用有限元软件P l a x is建模，考虑盾构施工影响范围，模型尺寸取100 m×50 m（X×Y）,计算范围内的土体按照实际穿越的地层选取，采用15节点三角形单元模拟；桩基及盾构隧道均采用8节点线弹性板单元模拟；条基-土、衬砌-土之间设置接触面单元，用二维G oo d m a n单元来模拟，以更好地模拟条基-土、衬砌-土之间的相互作用状况；在几何模型底部施加完全固定约束，在两侧施加竖直滑动约束，在模型上表面取为自由边界。

桩基模拟时，将空间问题简化为平面应变问题，根据刚度等效原则将桩基简化为桩墙，建模时对桩身弹性模量进行折减的方法模拟桩基[8]。

盾构隧道掘进过程为先上行线开挖，后下行线开挖，盾构隧道开挖通过“杀死”单元实现。计算模型如图3所示。

图3 计算模型

2.2 参数选择

计算模型中，土层按照工程实际地层参数选取，土体的本构模型采用摩尔-库仑模型。桥桩、承台采用板单元模拟，桩顶与承台采用刚接进行计算。

土层参数见表2。

表2 土层参数

结构物参数见表3。

表3 结构物参数

2.3 模拟过程

计算模拟盾构区间隧道穿越内环高架施工引起桩基变形情况，计算过程按照实际施工过程模拟，先施工上行线区间隧道，后施工下行线区间隧道。

计算过程中不考虑地面荷载及自重情况下高架桥桩基已经产生的先期位移，只考虑区间盾构隧道施工引起的附加位移。

本次分析取地层损失率为4‰进行计算，分4个工况进行分析，具体如下：

工况1：初始地应力计算，位移清零。

工况2：高架桥桩基完成，位移清零。

工况3：盾构区间上行线隧道开挖，衬砌完成。

工况4：盾构区间下行线隧道开挖，衬砌完成。

3 数值模拟结果及分析

经计算，盾构隧道施工引起的高架桥桩基附加变形结果如下：

3.1 上行线区间隧道施工

本工况分析上行线区间隧道穿越施工后引起的变形，如图4～图6所示。

图4 上行线区间隧道施工引起周边变形

图5 上行线区间隧道施工引起桩基水平变形

图6 上行线区间隧道施工引起桩基竖向变形

根据计算结果，上行线施工引起高架桥桩基附加最大水平位移为1.5 mm，桩基倾斜为1/14 100，附加竖向位移为1.7 mm。

3.2 下行线区间隧道施工

本工况分析下行线区间隧道穿越施工后引起的变形，并考虑上行线施工变形的叠加，如图7～图9所示。

图7 下行线区间隧道施工引起周边变形

图8 下行线区间隧道施工后桩基水平变形

图9 下行线区间隧道施工引起桩基竖向变形

根据计算结果，下行线施工引起的高架桥桩基附加最大水平位移为2.0 mm，桩基倾斜度为1/10 150，附加竖向位移为2.1 mm。

根据上述结果可知，盾构隧道施工引起的高架桥桩基最大竖向位移约3.8 mm，最大水平位移约3.5 mm，桩基倾斜＜1/6 000。故盾构隧道施工产生的影响在高架桥桩变形允许范围之内，对其影响可控，满足中山南二路内环高架正常运营的需要。

4 穿越施工及实测数据

上行线盾构隧道先行穿越，间隔32 d后，下行线盾构隧道穿越。穿越期间盾构土压力值控制在0.17～0.18 MPa，推力控制在18 000 k N，推进速度平均为2.5 c m/m in。穿越后及时对影响段区间隧道进行二次注浆，据施工记录，上行线盾构穿越后30 d，共进行二次注浆78次，注浆量共计42 m3；下行线盾构穿越后30 d，共进行二次注浆80次，注浆量共计43.5 m3。

盾构隧道掘进施工过程中，通过对邻近桩基布设变形监测点进行监测。相关测点布置如图10所示。

图10 监测点布置图

选择邻近盾构隧道穿越的桩基沉降观测点，共3组，分别为G4/G6/G8、G3/G5/G7、G9/G10/G11。整理上行线、下行线盾构隧道依次穿越施工后引起的桩基沉降监测数据，如图11所示。

由图11可见，盾构隧道刀盘掘进接近桩基时，可以看到桩基竖向变形有受挤压上抬的趋势，待盾尾脱出桩基范围后，桩基竖向变形下沉，通过管片二次注浆使桩基变形趋于平稳。

上行线盾构隧道穿越，引起邻近桩基最大沉降值约为2 mm；下行线盾构隧道穿越后，引起的总沉降约4.4 mm。桩基的变形在允许变形范围内，且与数值模拟的结果较为接近。

5 结语

本文通过有限元数值计算，就盾构隧道穿越内环高架桥桩基施工进行模拟，分析盾构隧道穿越对桥桩的影响。结合施工实测数据，分析盾构隧道穿越效果。主要得到以下结论：

图11 桩基沉降监测数据

（1）使用有限元软件模拟盾构穿越施工，可以较好地得到盾构隧道穿越引起的邻近桥桩变形量，以及桩基变形变化趋势，以此分析盾构穿越施工对桥桩的影响。

（2）数值计算结果结合现场实测数据对比表明，在采取可靠措施前提下，盾构隧道施工引起的邻近桩基竖向变形、倾斜，在桩基变形允许范围内，满足高架桥正常运营要求。

（3）小半径盾构隧道施工，需严格控制地层损失率，避免纠偏量过大、过猛。

[1]M O R T O N J D，K I N G K H.E ff e c t s o f t u nn el in g o n t h e b e a r in g c apa ci t y a nd s ettle m e n t o f p i le d f o u nd a t i o ns[C]//T u nn el in g 1979. P r o c ee din g s o f t h e 2nd In te r n a t i o n a l S y m p o si u m.L o nd o n,1979：51-68.

[2]杨永平，周顺华，庄丽.软土地区地铁盾构区间隧道近接桩基数值分析[J].地下空间与工程学报,2006,2(4):561-565.

[3]朱逢斌，杨平，O N G 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.

[4]凌燕婷.盾构隧道施工对临近桩基影响数值分析[J].广东公路交通,2009(3):69-71.

[5]侯玉伟.盾构隧道侧向穿越桩基时对桩体土体及地面变形的影响[J].城市轨道交通研究,2010,13(5):71-74.

[6]吴劭旸.大直径盾构穿越桩基时对桩体及地面变形的影响[J].中国高新技术企业,2011(31):91-93.

[7]周冠南，周顺华.盾构隧道施工对短桩基-框架结构的影响[J].中国铁道科学,2009,30(4):51-57.

[8]孟宇，毛毳，吴素琼，陈悦，李娜.钢筋混凝土静力等效简化模型的数值模拟[J].天津城市建设学院学报,2011,17(1):21-24.

U455

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1009-7716（2017）06-0282-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.083

2017-03-06

王春凯（1985-），男，上海人，工程师，从事地下结构设计工作。