土压平衡盾构近距离侧穿高架桥桥墩的受力与变形

布亚芳，孙 琳，刘 柳，李 磊

(1. 河北交通职业技术学院 土木工程系，河北 石家庄 050091； 2. 石家庄市环路绿化工程有限公司，河北 石家庄 050091)

0 引 言

城市地铁大多建设在建(构)筑物密集处，隧道的开挖常常会下穿(侧穿)房屋、高架桥、管道、涵洞等。盾构下穿(侧穿)既有建(构)筑物过程中会对地层产生扰动，施工风险非常大[1-2]，因此需要对其进行受力与变形分析。杨永平等[3]通过数值模拟分析了软土地区盾构进接桩基的受力与变形，得到由于建筑物的存在，隧道两边的地表沉降曲线呈现不对称状态；邱裕华等[4]通过超大直径泥水盾构近距离穿越桩基试验，结合盾构掘进施工参数，探究了减小盾构近距离穿越对桩基影响的措施；彭坤等[5]通过FLAC3D数值模拟盾构下穿桥梁桩基，对两种不同桩基加固方案条件下地表沉降和桥梁桩基变形进行分析，得出后开挖侧的桩身位移比先开挖侧大，桩和承台约束了地表沉降的结论。王炳军等[6]通过系统的数值试验来分析盾构法隧道开挖对建筑物桩基变形与承载特性的影响，但没有结合具体的工程实例；朱逢斌等[7]通过数值模拟与离心机试验结果的对比分析，验证了数值模拟研究盾构隧道开挖对临近桩基影响是可靠的；李树奇等[8]运用ANSYS数值分析软件研究了盾构施工对桥梁桩基的影响，但没有考虑桩顶工作荷载的影响。

隧道施工会引起隧道周围地层移动，其产生的自由土体位移场使得工作状态的结构产生附加弯矩和变形，对既有结构的安全使用产生风险。笔者以西安某地铁隧道土压平衡盾构下穿高架桥工程为背景，使用理论分析、数值模拟、现场变形监测等方法分析盾构侧穿桥墩的受力与变形。

1 工程地质概况

西安地铁四号线某区间隧道工程采用土压平衡盾构施工，此处洞顶土层主要为素填土、黄土状土、粉细砂，该区间地下潜水稳定水位埋深9.20～10.50 m，地下水高程介于364.12～366.9 m，水位年变幅2～3 m。隧道左右线在239～245环、240～246环时分别穿越北三环南、北高架桥辅道，下穿长度均为8.06 m，盾构区间隧道洞顶覆土14.26～17.30 m，此处路面和桥面的车流量较大，南辅道高架桥处左线隧道边线距离桥桩的最小距离为8.49 m，右线隧道边线距离桥桩的最小距离为4.49 m，北辅道高架桥处左线隧道边线距离桥桩的最小距离为8.39 m，右线隧道边线距离桥桩的最小距离为4.96 m。以盾构下穿南辅道为例，剖面见图1，桥墩直径1.5 m，此区间车流量较大，地表沉降控制要求严格，右线隧道距离桥墩不足一倍洞泾，盾构侧穿高架桥期间容易造成地表沉降过大，桥墩沉降、变形过大甚至出现裂缝，影响上部结构车辆运行。

图1 盾构下穿北三环南辅道剖面Fig. 1 Profile of shield passing underneath North Third Ring South auxiliary road

2 下穿过程动态数值模拟

根据现场的工程概况，对该工程采用MIDAS/GTS NX建立有限元模型分析隧道开挖地表沉降和高架桥桥墩的变形情况，模型建立如图2、图3。模型尺寸为120 m×33 m×60 m，共40 186个单元、20 396个节点；模型围岩物理力学计算假定服从摩尔-库伦屈服准则，不考虑地下水的影响，且初始应力场设置为自重应力。为了符合实际的施工，将盾构推进简化成一个非连续的推进过程，盾构推进实际上是盾构刚度及荷载的迁移，用改变单元材料类型和参数的方法反映盾构的推进过程，而每一次向前推进的过程中，盾构周围土体受力状态也发生变化。模拟计算前，先在模型里预设隧道开挖土体、盾壳单元、管片单元及注浆体单元。盾构推进时假设盾构一步一步跳跃式向前推进，每次向前推进一定长度，隧道土体开挖后及时改变相应单元的材料模型和参数来模拟管片拼装和同步注浆，模型不考虑盾尾空隙的存在，亦不考虑地面和桥墩的行车荷载。边界条件为：除了上表面，其余面均法向固定。

图2 盾构下穿风险源模型网格划分Fig. 2 Mesh partition of risk source model of shield passing underneath

图3 桥墩与盾构隧道位置关系Fig. 3 Relationship between pier and shield tunnel

该模型的模拟采取两环管片的长度为一个循环，即3 m/循环，模型受力状况见图4，模型的计算参数见表1。

图4 位置1、2、3示意Fig. 4 Schematic of position 1, 2 and 3

土层厚度/m天然密度/(g·cm-3)粘聚力/kPa内摩擦角/(°)泊松比素填土3.0—10120.31黄土状土7.01.9520210.28中砂20.01.890320.32粗砂30.01.870300.31管片0.32.50——0.20盾壳0.27.80——0.25注浆0.22.00——0.20桥桩1.52.40——0.20

3 数值模拟分析

3.1 地表沉降分析

对数值计算模型选取3个断面进行横向地表沉降的研究，3个断面的横向地表沉降曲线见图5。从图5可以看出：位置1和位置3较位置2处的沉降较大，横向地表最大沉降为2.55 mm，位于两条隧道的中间位置，沉降槽宽度约为80.0 m，远离隧道位置处的地表有微量隆起；位置2横向地表最大沉降为2.03 mm，相比位置1和3，沉降值降低了20.39%；由于桥墩的存在，位置2处桥墩内侧均有较明显的地表土体隆起，且右侧隆起值大于左侧的隆起值；桥墩外侧的土体扰动较位置1和3扰动较小，可见盾构施工挤压周边土体，由于桥桩的存在，限制了桥桩周围土体下沉，由于土体相互挤压的作用，导致桥墩周围呈现微隆状态。

图5 位置1、2、3横向地表沉降曲线Fig. 5 Lateral surface subsidence curve of position 1, 2 and 3

3.2 桥墩变形分析

左右侧桥墩横向变形曲线如图6。从图6中可以看出：左线隧道贯通时，左侧桥墩最大水平位移为2.74 mm，发生在与盾构隧道平行位置，右侧桥墩的最大水平位移为1.52 mm；右线隧道贯通后，左侧桥墩最大水平位移为3.04 mm，增加了0.30 mm，右侧桥墩最大水平位移变为3.73 mm，增加了2.21 mm，位于地面以上的桥墩变形量较小。可见同样标高的桥墩变形，距离盾构机近距较小的变形量较大，且最大变形量发生在隧道埋深处附近。

图6 左右侧桥墩横向变形曲线Fig. 6 Lateral deformation curve of left and right side piers

左右侧桥墩纵向变形曲线如图7。从图7可看出：桥墩整体均存在纵向沉降，桥墩标高在盾构机顶部到盾构机底部段沉降较大，变化较为明显，且随着施工的进行，沉降量逐渐增大，左侧桥墩最大沉降为1.08 mm，右侧桥墩的最大沉降为1.82 mm。

图7 左右侧桥墩纵向变形曲线Fig. 7 Longitudinal deformation curve of left and right side piers

3.3 桥墩受力分析

随着盾构的掘进，桥墩会产生一定的内力变化，图8和图9是计算模型中桥墩的轴力和弯矩变化曲线，其中轴力以受拉为正，受压为负，弯矩为正表示桥墩内侧受压外侧受拉。

图8 左右侧桥墩轴力变化曲线Fig. 8 Axial force variation curve of left and right side piers

图9 左右侧桥墩弯矩Fig. 9 Bending moment of left and right side piers

从图8可以看出：左右侧桥墩均处于受拉状态；盾构机所在位置桥墩所受轴力最大，随着盾构施工的进行，左右侧桥墩的轴力均逐渐增大，最终左侧桥墩的最大轴力为175 kN，右侧桥墩桩身最大轴力为225 kN，均发生在与盾构机平行位置；由于盾构机离右侧桥墩较近，右侧桥墩轴力的增加量明显高于左侧。

从图9可以看出：左右侧桥墩在桩顶部均是负弯矩，桥墩顶部表现为内侧受拉，外侧受压；在盾构机所在位置两侧桥墩均为正弯矩，左侧桥墩最大正弯矩365 kN·m，右侧桥墩最大正弯矩413 kN·m；相同深度右侧桥墩的弯矩要大于左侧桥墩的弯矩。

4 实时监测

本段地表监测点的横向布点沿隧道中心线正上方开始，在依次间距4、5 m的位置对称布置，每隔10～15 m 布设一个监测断面。已设断面点孔埋设于原状土中(深度10 cm)，如图10。

图10 地面监测布置Fig. 10 Ground monitoring layout

盾构侧穿高架桥期间应严格控制掘进参数，及时注浆，并增加桥墩即地表的沉降监测频率。侧穿高架桥结构期间的沉降控制标准见表2。

表2 侧穿高架桥期间沉降控制标准Table 2 Settlement control standard for passing alongside viaduct mm

将位置1与位置3的实际沉降值与数值计算的沉降值进行对比，如图11。位置1和位置3实际最大沉降分别为2.85、2.14 mm，可见实际沉降值与数值计算得出的沉降值较为吻合，使用上述计算模型可较好的分析盾构侧穿高架桥所引起的桥墩变形和受力情况。

图11 数值计算结果与实际沉降对比曲线Fig. 11 Comparison curves between numerical calculation and actual settlement

桥墩的监测点布置如图12，对6个点的最终沉降做点，如图13，可见左、右侧桥墩的平均沉降分别为2.01、2.73 mm，略大于数值计算结果。

图12 左右桥墩监测点位置Fig. 12 Location of monitoring points of left and right piers

图13 监测点实际沉降Fig. 13 Actual settlement of monitoring points

5 结 论

通过数值模拟、现场监测等方法分析盾构侧穿高架桥桩所引起的受力与变形，并将数值计算得出的沉降值与实际监测值进行对比，可以得到：

1)盾构在砂层环境下穿既有建(构)筑物时，由于砂性土层的性质使得土压力的大小对地表沉降的影响较大。

2)桥墩外侧的土体沉降较小，且桥墩周围的土体沉降相比其他地方小的多，可以看出是桥墩对地表沉降有一定的约束作用。因此盾构机在穿越既有建(构)筑物中，为保证安全，可以在合适的地方布置桩基，能有效减小既有结构的沉降。

3)盾构机在下穿既有结构过程中，应做好加固措施，避免长时间的停机，减少盾构的方向纠偏，严格控制好掘进参数，及时做好二次补浆、加密监测点的布置。