地铁盾构隧道近接下穿导致桥桩的变形数值模拟分析

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400000)

地铁盾构隧道近接下穿导致桥桩的变形数值模拟分析

杨博黄阳

(重庆交通大学土木工程学院重庆400000)

本文以某市1号线地铁隧道盾构施工下穿桥梁桩基为背景，分析隧道盾构下穿对桥梁桩基的力学行为影响性分析。采用三维数值模拟软件GTS NX进行动态模拟分析，通过进行隧道盾构下穿桥梁桩基的三位数值模拟，主要分析了盾构施工对桩基变形的影响。该模拟能够较为真实的反应隧道盾构下穿桩基的实际情况，并且能够获取参考性的数据，同时也能够为后期隧道盾构下穿施工的安全控制措施的选择及施工参数的控制提供一定的参考。

盾构;近接;桩基;GTS NX;数值模拟

一、引言

随着全国轨道交通系统的快速建设，目前我国一、二线城市地铁的建设速度正处于一个高速发展期。然而随着城市轨道交通的建设，地铁的建设不可避免的会与既有建构筑物出现空间上的交错，这也将对既有建构筑物产生影响。同样城市地铁建设将不可避免会出现地铁需要穿越既有桥梁桩基的情况，由于盾构施工对地层的扰动，会引发桩周土体应力状态的改变，由于桩周土体与桩基间复杂的相互作用，从而使上部桥梁结构产生变形或沉降，当变形量或沉降值超过允许值时就会对桥梁的安全及运营产生影响，严重时会导致桥梁结构的失稳破坏。

目前国内外对盾构施工引起土体边形及对周边邻近建构筑物影响进行了大量研究，并且在研究方面已经取得许多有价值的研究成果，如: 1987年Sagaseta[1]基于不可压缩液体流动的解析解，研究了平面应变条件下隧道开挖引起的地层位移，该方法需要假定地层损失值； Verrnijt[2]在源汇法的基础上，运用半弹性平面方法，得到了计算土体水平、垂直位移公式；李汶京[3]采用三维非线性有限元数值模拟方法，并结合北京地铁10号线近距离穿越国贸站群桩基础的工程实例，研宄了隧道施工对群桩基础的影响方式和影响水平；徐明、谢永宁[4]采用有限元差分软件建立隧道穿越邻近单桩的三维模型，研究了隧道与桩处于不同相对位置时桩侧摩阻力和桩端阻力的分布规律；王梦恕，董新平等[5]针对广州地铁2号线盾构施工的案例，采用有限元软件模拟计算并结合现场监测数据分析，研究了盾构施工对地表沉降的影响，并总结了盾构施工对地表沉降的影响因素。

本文以某市1号线地下盾构区间的盾构施工为工程背景,利用三维数值软件GTS NX，针对盾构开挖区域的土层，并考虑群桩-土-隧道三者相互作用、盾构注浆压力、盾构掘进压力、盾壳刚度、盾构千斤顶推力等因素的综合影响，研究了平面应变条件下隧道盾构施工过程及其对临近桩基的影响，通过分析盾构施工过程中各掘进步对邻近桩基位移沉降的动态影响，为后期地铁盾构施工提供参考资料。

二、盾构施工对周边群桩变形影响的数值模拟

(一)数值模型。三维有限元模型尺寸为 125 m×120 m×60 m( X×Y×Z)，边界约束条件为：底部为完全固定约束，侧面为竖直滑动约束，表面为自由边界。划分好的有限元网格见图 1，共计144024个单元，70745 个节点。

图1 隧道与桩相互作用的三维模型

土体采用各向同性本构模型，强度准则采用修正摩尔-库伦理论。土层(地层层序由上到下)参数见表 1。

表1 地层参数

桩体采用各向同性弹性梁单元模拟，隧道衬砌、盾构壳体均采用各向同性弹性板单元模拟，桩土间设置接触面单元。盾构隧道的直径为6 m，埋深20m，盾壳长3m，厚度为0.05m，压缩模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3。隧道线路穿越地层周边存在6根边直径1.2m 的圆柱形桩基础，桩长14.0m，见图1，桩顶作用有3000kN的均布荷载。注浆区的浆体采用各向同性本构模型，强度准则采用弹性理论，浆体弹性模量为5.0MPa，泊松比为0.3。

(二)盾构施工过程的模拟。在模型进行数值模拟施工工程时，盾构单个开挖施工步长度取盾构衬砌宽度的两倍3m，每个开挖步的施工过程主要用3个增量步的模拟：1、首先模拟开挖步内的排水降水，计算盾构施工产生的孔隙水压力；2、模拟盾构开挖过程，在此增量步内“钝化”开挖步内土体模拟土体开挖，同时激活盾构外壳单元，且在盾构切削面施加掘进压力，掘进压力选取0.2MPa；3、在下一个开挖步开挖时，“钝化”第一个掘进步的盾构外壳，激活第一开挖步管片单元，并同时在管片外进行注浆，激活管片外的土体，并激活改变属性边界条件，将土体改成注浆体模拟注浆，并施加注浆压力0.18MPa；同时在管片端头施加千斤顶力，选取120KN/m，方向为X轴负向。

(三)盾构近接施工对桩基位移沉降的影响性分析

1.桩基位移沉降控制标准。根据桥梁相关检测报告，桥梁对于位移沉降敏感，根据相关设计规范及制定的近接桩基的沉降控制标准，取用允许位移值作为控制要求。根据地铁设计规范(GB50517-2003)桩顶承台的沉降量不能大于50mm，且相邻桩基差异沉降不能大于20mm。因此结合相关已有工程实际经验及本工程实际，为有效控制桩基的沉降，选取10mm作为单桩沉降允许值。另外根据建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)，桩基的地面水平位移允许值为10mm，对控制要求高的建构筑物可取6mm，因此本工程实际中取水平位移允许值为6mm。

2.桩基变形分析。伴随地铁盾构的施工，土体由于受到盾构的扰动会产生纵向沉降槽，包括了地表的沉降及隆起，但在此工程盾构施工过程中我们主要关心的是桩基的沉降和位移值是否达到控制标准。因此，本文选取四种工况分别分析盾构到达三排桩基及通过桩基后的桩基位移沉降规律，分别是：工况1盾构到达第一排桩基；工况2盾构到达第二排桩基；工况3盾构到达第三排桩基；工况4盾构施工完成。根据数值计算结果，不同工况下桩基的沉降位移云图如图.2～图.5所示。根据云图可知，隧道盾构施工后对桩基的位移沉降影响不大，仅当桩基位于隧道拱顶上方时，桩基的位移沉降较大，盾构施工对桩基的位移影响较明显；桩基的位移沉降在盾构远离桩基超过2倍纵向桩基间距后才最终到达稳定。

图2 工况1盾构到达第一排桩基

图3 工况2盾构到达第二排桩基

图4 工况3盾构到达第三排桩基

图5 工况4盾构完成

五、结论

本文通过GTS NX三维有限元模拟，依托轨道交通1号线某盾构区间下穿桥基的工程背景，分析了隧道盾构施工对所下穿的桥梁桩基的位移沉降影响，并得出如下结论：

(1)地铁隧道盾构施工导致桥梁桩基的位移影响主要表现为：盾构达到前，盾构施工引发桩基桩身的位移较小；当盾构到达各单桩位置时，桩身位移均达到最大值。

(2)盾构施工过程中，桥梁各单桩沿隧道轴线的位移变化规律相似，但位移值相差较大且与隧道与桩基的相对位置有关：对盾构侧穿的桩基，其主要的影响表现在垂直于盾构掘进方向的位移，即水平位移，竖向位移值较水平较小；对盾构隧道正下方下穿的桩基，其位移值大于侧穿桩基，且正下穿桩基在跟随盾构掘进方向的位移更明显。

(3)通过模拟分析，盾构隧道施工引发桩基的最大沉降值仅为1.9mm，根据地铁设计规范以及满足沉降控制要求。但根据盾构区间设计说明本区段隧道下穿风险等级为 I级，为保证施工的安全性，后期盾构施工前应对桥梁采取适当的加固措施，且后期施工随时调整盾构施工参数，减少盾构的超挖和欠挖，以改善盾构前方土体的坍落或挤密现象，降低地基土变形，同时加强现场监测。

(4)盾构施工盾构下穿时应控制好土压平衡，保证开挖面稳定，优选最佳施工参数，加强盾构的掘进参数管理和姿态控制，并及时进行同步压浆和二次注浆。

[1]Sagaseta C. Analysis of undrained soil deforrnation due to ground loss.Geotechnique, London, England,37: 301-320.

[2]Verruiijt, J.R. Booker. Surface settlements due to deformation of a tunnle in an elastic half plane[J].Geotechnique,1996,46(4):753-756.

[3]李汶京.地铁车站隧道群邻近桥桩施工关键技术研宄[J].铁道标准设计,2009,(10):85-89.

[4]徐明,谢永宁.盾构隧道开挖对邻近单桩基础的影响[J].华南理工大学学报:自然科学版,2011,39(4):149-155.

[5]王梦恕,董新平.地铁路道盾构法施工引起的地表沉降分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(8):1298-1301.

杨博(1993-)，男，汉族，重庆市开州区人，研究生在读，重庆交通大学土木工程学院，研究方向隧道及地下工程设计；黄阳(1993-)，男，汉族，四川省广安市人，研究生在读，重庆交通大学土木工程学院，研究方向岩土工程。