隧道盾构施工对邻近桩基群影响的数值分析

（1招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2国家山区公路工程技术研究中心，重庆 400067；3公路隧道建设技术国家工程实验室，重庆 400067；4西南交通大学 土木工程学院，四川成都 610031）

0 引言

当隧道近邻桥梁时，开挖隧道会影响桥梁结构的安全稳定进而影响桥梁的运营安全。而盾构隧道穿越邻近桥梁时首先影响桥梁的桩基础：随着隧道的开挖，岩体原有的地应力平衡状态被打破，盾构开挖面造成地层损失及应力扰动，引起围岩变形，并作用于桥梁桩基上，使得桩基产生了不利变形和内力，降低了其安全稳定性。

目前对隧道穿邻近桥梁桩基的研究方法主要有三种：模型试验法、解析法及数值方法等[1-4]，其中数值方法大多采用有限元法。通过有限元数值分析，Mroueh[5]发现隧道施工对桩基础的影响与两者的位置关系、两者间距离等因素直接相关。柳厚祥[6]采用ANSYS软件研究了不同条件下隧道开挖对桩基的影响，如桩长、桩的类别及邻近隧道的距离，认为隧道施工主要使桩基发生倾斜，且主要受隧道与桩基间距离及桩基持力层土强度的影响。王占生[7]对隧道盾构施工对相邻桩基的影响进行了系统的阐述，研究了邻近桩基与地层土体之间的相互作用，并给出了减小桩基变形，保证桩基安全稳定的措施。杨晓杰[8]基于广州地铁二号线工程，研究了隧道开挖与邻近桩基承载力之间的关系，认为隧道开挖下桩侧摩阻力及桩端反力直接导致了桩基承载能力的改变。Maosong Huang[9]采用两阶段法（位移控制法），研究了在不同地层损失比下，隧道施工开挖对邻近桩基础（单桩及群桩）的影响。刘枫[10]采用ABAQUS软件对隧道穿越桩基础的具体工程实例进行分析，研究了单桩及群桩下隧道开挖影响的差异性，一定程度上指导了隧道工程施工。基于整体分析法，王丽[11]等对隧道盾构施工进行了数值模拟分析，认为盾构开挖影响范围为三倍隧道直径。朱逢斌[12]等通过建立三维模型，分别研究隧道在均质土及分均质土中的盾构施工过程，分析了其对周围桩基的影响规律。高伟[13]等采用FLAC3D软件对广州地铁穿越立交桥工程进行了数值仿真模拟，分析了桥梁承台及桩基的变形规律，并与实测结果进行对比。李宁[14]等研究了地铁隧道开挖对不同区域桩基的影响，分析了围岩变形规律及桩变形的影响因素。芮勇勤[15]等采用FLAC程序进行了数值计算，研究了隧道开挖对建筑物桩基力学特性的影响。

综合来看，目前大多数研究是针对平面范围，且多半研究将数值模型进行了大量简化，与实际差距较大。实际上盾构隧道施工对桩基的影响因素众多，是复杂的三维问题。

本文以乌鲁木齐地铁一号线下穿乌准铁路桥工程为背景，建立三维数值模型，研究隧道盾构施工对领近桥梁桩基的影响规律。并对比注浆加固前后桥梁桩基的沉降规律，进而对加固效果进行评价：经数值计算分析，认为采取注浆加固措施能够有效控制因盾构施工引起的桥梁桩基沉降。

1 数值模型

1.1 隧道与桥梁位置关系

研究区域位于宣仁墩-大地窝站区间，该区间盾构隧道主要穿越地层（自上而下）为：杂填土、粉土、卵石。根据详勘报告，勘察期间勘探深度40m内未见地下水，可不考虑地下水影响。其中隧道侧穿乌准铁路桥时，盾构穿越地层为卵石地层。

本次模拟的施工区域位于乌鲁木齐市新市区，施工点位于安宁渠路与城北主干道交界西侧300m左右的城北主干道上。区间隧道采用盾构法施工，盾构将侧穿乌准铁路桥桩。乌准铁路设计标准为国家I级，为双线桥，隧道下穿范围桥梁结构型式为5墩4跨连续箱梁，梁支座为钢支座。桥梁设计荷载P=9930kN，桥梁墩台下设尺寸为11m×11.6m×3m的矩形承台，承台下有8～9根直径1.5m的桩基，桩长为30m，承台距隧道顶部约5.5m。盾构隧道穿越乌准铁路桥时加强对桥墩的监测，监测预警值为±10mm。

隧道顶部埋深约9～22m，隧道内径Φ5500mm，外径Φ6200mm，管片厚度为350mm。衬砌采用预制钢筋混凝土管片，错缝拼装。隧道距离桩基最小水平距离为4.6m。桥桩与区间隧道剖面位置关系如图1所示。

图1 桥桩与区间隧道剖面位置关系图

1.2 模型参数

本次数值计算采取三维模型进行分析，根据详勘资料，地层分为三层，表层为杂填土，表层以下为粉土及卵石土，因重点关注盾构隧道对邻近桥梁桩基沉降位移的影响，土体本构模型采取莫尔库伦模型，各层土体及相关材料参数见表1、表2所示。

表1 模型土体参数

表2 相关材料参数

模型的建立参照设计图纸，采用通用有限差分软件FLAC3D进行计算。模型长180m，宽114m，高45m，包含18万节点和58万单元。地层由实体单元模拟，分上、中、下三层，分别为杂填土、粉土和卵石，整体模型如图2所示。承台由实体单元模拟，桩由桩单元模拟；加固区和衬砌由壳单元模拟，隧道与桩基础结构关系图如图3所示。

图2 整体模型图

图3 隧道与桩基础结构关系图

2 计算工况

工程现场属于地表浅层区域，上部为杂填土，下部为粉土、卵石土地层，由于模型应力场较为复杂，在初始应力场的计算中需要考虑桥桩及承台的自重。在计算模型地应力时首先施加重力及桥桩承台上的压力，求出模型的应力，然后进行地应力平衡计算，从而得到满足平衡条件的模型初始应力场。

隧道的开挖根据工程实际，首先完成右线开挖，等模型隧道右线全面贯通后，再开挖隧道左线，掘进进尺为1.5m，开挖采取循环步骤。

为了评估桥桩加固对隧道周边围岩及桩基变形的影响，分两种工况进行分析：（1）未对桥桩进行注浆加固；（2）对桥桩进行加固。

2.1 工况一：未对桥桩进行注浆加固

计算过程采用分步模拟，隧道左右线均采取盾构法进行开挖，具体如下：

（1）将开挖围岩材料改为null实现开挖；

（2）对掌子面施加土仓压力100kPa；

（3）施加盾构机重量压力180kPa；

（4）运算20步模拟隧道瞬时沉降；

（5）施加壳单元模拟盾构管片的安装；

（6）继续运行程序模拟隧道开挖引起的后续变形过程。

图4右线隧道开挖后不同时步下桥梁桩基的沉降云图

图4 为右线隧道开挖后不同时步下桥梁桩基的沉降云图，从图中可以看出，由于右线隧道开挖引起的卸载作用导致靠近隧道的桩基发生沉降位移，且随着开挖时步的逐渐增加，沉降值逐渐增大，最大位移值为1.66mm，远离隧道一侧的桩基发生向上位移，最大值为1.05mm。这是由于隧道埋深较浅，隧道开挖时土体的卸荷效应相对明显，隧道上方土体发生沉降，隧道下方土体产生隆起，近隧道一侧桩基随土体变形发生沉降，远离隧道一侧由于受下方土体隆起影响较大，产生一定隆起，此现象说明隧道开挖引起领近桩基倾斜，给隧道工程安全带来一定风险。

计算结果显示桩基础最大沉降值为1.66mm，发生在右线掘进通过后承台靠近右线隧道测，最大隆起量为1.05mm。现场实测墩柱沉降量如表3所示，对比数值计算结果和监测数据，可以发现两者分布范围相同，且桩基沉降最大值和隆起量差距很小，说明数值模拟很好地模拟了实际地层变形过程，具有工程指导意义。

表3 墩柱沉降监测值

图5左线隧道开挖后不同时步下桥梁桩基的沉降云图

图5 为左线隧道开挖后桩基的沉降云图，从图中可以看出，左线隧道开挖后，领近桩基沉降规律同右线隧道开挖相似：临近桩基发生沉降位移，且沉降值随开挖时步的增加逐渐增大，最大值为1.66mm；远离隧道一侧桩基向上位移最大为1.03mm。

在隧道施工开挖过程中，由于桩基、承台、土的相互作用，会引起临近桩基内力发生变化，产生附加弯矩进而影响桩基稳定。

为研究盾构施工对临近桥梁桩基的影响，分析了隧道开挖引起的临近桩基附加弯矩随桩基深度的变化规律。为使结果具有代表性，本次分析共选取4根桩：3#承台下离左线隧道最近的桩（编号1）、5#承台下离右线隧道最近的桩（编号4）、4#承台下离左、右线隧道最近的桩（编号2、3）。模型承台底部高度为-7m，桩底部高度为-35m，隧道中轴线高度为-15m；沿桩身深度方向共取8个点，分别标高-35m，-31m，-27m，-23m，-19m，-15m，-11m，-7m。

桩基附加弯矩随桩基深度的变化规律如图6所示。从图6可以看出，隧道开挖造成的桩基附加弯矩随深度呈现出相似的规律：先随着桩基深度的增加，附加弯矩逐渐增大，且均在隧道中轴线处达到最大值，其中1号和4号桩桩基附加弯矩达到120kN·m，2、3号桩桩基附加弯矩达到80kN·m。后当桩基深度超过隧道中轴线时，桩基附加弯矩随深度的增加逐渐减小，最小值达到6kN·m。可以发现3号桩呈现出与1号桩相同变化趋势，右线隧道开挖后引起围岩应力释放，造成了临近3号桩桩基应力变化，左线隧道开挖后，围岩应力调整程度小于先开挖的右线隧道，因此桩基受右线隧道开挖影响程度较大，使得3号桩附加弯矩与1号桩变化规律相同。

图6 临近桩基附加弯矩随桩基深度的变化规律

从图6桩基附加弯矩图可知，隧道开挖对临近桩基产生了明显的影响：在该工程里，桩长度较长，在盾构施工过程中，桩基的上半部分受隧道开挖扰动影响大，而桩基下半部分受开挖影响很小，并受到周围土体的限制，因此整个桩基产生了弯曲变形。

2.2 工况二：对桥桩进行注浆加固

盾构从乌准铁路桥桩边穿过，距离桥墩基础很近，为确保桥桩稳定，保证隧道施工的顺利进行，在相应桥墩周围施打复合锚杆桩对原有桥桩进行加固注浆，维护整体结构的稳定。

复合锚杆桩加固范围宽度为1m，距离隧道水平距离最小为1m，孔径150mm，孔内安装锚杆（3根直径20螺纹钢），并采用注浆管进行压密注浆操作。

岩土加固范围及位置同设计资料相同，模型各结构尺寸均按设计参数选取，所建立的三维有限元模型如图7所示。

为了研究注浆加固对桩基群的保护效果，给出了左、右线隧道开挖后桩基群的沉降云图，如图8所示。从图中可以看出，右线隧道开挖引起的卸载作用导致临近一侧桩基发生沉降，远离隧道一侧发生上浮，其中最大沉降值为1.31mm，沉降值较未对桥梁施加保护措施时有所减小，说明采取的加固措施取得了较好的效果。

图7 桩基加固数值模型

图8 注浆加固后隧道开挖引起的桩基沉降云图

同样，左线隧道开挖后，临近隧道一侧桩基发生沉降，最大值为1.32mm，远离隧道一侧桩基位移向上，最大值为0.9mm，说明加固措施减小了桩基的挠曲变形，降低了隧道开挖引起的桥梁倾斜安全风险，保证了桥梁的运营安全。

图9给出了左、右线隧道开挖过程中地表沉降云图。当右线隧道开挖完成时，如图9（a）所示，隧道顶部土体由于开挖卸载作用发生沉降，且影响范围一直扩散到地表，导致地表发生沉降，沉降最大值为0.76mm。

图9 盾构隧道开挖引起的地表沉降云图

当左线隧道开挖完成时，如图9（b）所示，隧道上方地表位移沉降进一步扩大，沉降位移达到0.79mm。说明左、右线隧道开挖均引起了地表发生沉降，但是最大值增长较小，说明右线隧道开挖过程完成时地层应力调整已经基本完成，左线隧道继续开挖时，应力卸载作用较小，相应引起的地表沉降增量较小。

桩基内力在不同开挖步会表现出不同特征，为了研究桩基时效内力分布特性及加固措施对内力分布特性的影响，给出了加固前后不同桩基桩身弯矩随开挖时步的变化规律，盾构施工对近隧道轴线处桩基影响最大，同样选取了3#承台下离左线隧道最近的桩（编号1）、5#承台下离右线隧道最近的桩（编号4）、4#承台下离左、右线隧道最近的桩进行分析（编号2、3），如图10所示。从图中可以看出，同一位置的桩基加固前后桩身弯矩变化规律类似，但加固后桩基受到隧道开挖的影响有所减小，达到的最终弯矩值较加固前较小：对1号桩基，由于180步之前隧道未开挖至桩基处，因此对桩基影响很小，桩身弯矩基本未发生变化，从180步开始，受盾构施工影响，桩身弯矩迅速增大，且最终达到稳定值；对4号桩基，规律同1号类似，但由于4号桩基受右线隧道开挖影响，弯矩方向同1号恰好相反，且由于右线隧道先开挖，打破最初的地应力平衡状态，对地层造成的扰动最大，因此4号桩达到的弯矩值最大；对于2、3号桩基，可以看出受首先开挖的右线隧道影响较大，桩身弯矩随开挖步变化规律与1号桩基类似，但由于2、3号桩基同时受左、右线隧道开挖影响，当左线隧道开挖至近2、3号桩基时，受开挖影响，桩身弯矩值有所减小并最终保持稳定。

图10 加固前后不同桩基桩身弯矩随开挖时步的变化规律

3 结论

采用有限元软件较好地模拟了盾构隧道对邻近桥梁桩基群的影响，通过对比注浆加固前后桩基的沉降云图，认为采取注浆加固措施能够有效地减小隧道施工对桥梁桩基群的影响。主要得到以下结论：

（1）基于设计勘察等资料，考虑盾构施工对临近桥梁桩基运营安全的影响，建立了完整的三维数值模型。

（2）盾构隧道开挖过程中，临近隧道一侧桩基发生沉降，远离隧道一侧发生上浮，桩基受应力卸载作用存在倾斜安全风险。

（3）隧道开挖引起临近桩基产生附加弯矩，且弯矩随桩基深度的增加而增大，并在隧道中轴线处达到最大值。

（4）采取注浆加固措施后，桩基最大沉降值减小，说明注浆加固措施能够较好地维持桩基的稳定，进而保证近隧道开挖的桥梁的运营安全。

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