盾构隧道近距离侧穿高架桥桥桩风险分析

赵丽雅

(海峡交通工程设计有限公司, 福建福州 350000)

城市地铁盾构隧道的掘进经常无法避免会下穿(侧穿) 房屋、高架桥、管道、涵洞等。盾构下穿(侧穿)既有建(构)筑物过程中会对基础周围地层产生扰动，从而影响桩基变形以致建(构)筑物上部结构产生变形影响正常使用，施工风险非常大[1-2]。因此对地铁隧道开挖过程中既有建(构)筑物桩基结构的变形进行研究是十分必要的，尤其是在小净距施工时如何保证二者的安全成为研究的重难点。王炳军等[3]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; 朱逢斌等[4]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[5]运用ANSYS 数值分析软件研究了盾构施工对桥梁桩基的影响。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。笔者以福州某地铁隧道复合式土压平衡盾构下穿高架桥工程为背景，使用数值模拟方法分析盾构侧穿桥墩的受力与变形。

1 工程概述

福州地铁某区间隧道工程采用复合式土压平衡盾构施工，区间在里程右DK16+769.686～右DK16+869.510(主桥墩中心里程)侧穿上下店路高架桥，区间右线距高架桥旧桥桩最小净距3.06 m，左线距高架桥新桥桩最小净距2.89 m。区间在里程左DK16+908.310、右DK16+899.127(主桥墩中心里程)侧穿妙峰路高架桥，区间右线距高架桥桥桩最小净距15.89 m，左线距高架桥桥桩最小净距仅2.84 m。下穿高架桥洞顶土层主要为杂填土、填石、淤泥、粉质黏土、强风化花岗岩、微风化花岗岩。盾构区间隧道洞顶覆土19.8～ 22.2 m，此区间车流量较大，地表沉降控制要求严格，隧道距离桥墩不足一倍洞径，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。区间隧道与高架桥相互关系见图1～图3。

图2 区间隧道与上下店路高架桥剖面关系

图3 区间隧道与妙峰路高架桥剖面关系

区间隧道采用2台复合式土压平衡式盾构机进行掘进。隧道结构采用预制C50管片，外径为6.2 m，内径为5.5 m，管片厚度为350 mm。

2 数值模拟计算建模

2.1 几何模型

根据地质资料、工程经验和理论分析，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桩及承台的沉降变形情况，所取土体范围为250 m×398 m×106 m(X×Y×Z)，在此区域模拟一个土层及区间隧道模型。地层采用实体单元模拟，三维有限元计算模型共61 815个单元，10 759个节点。模型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。计算模型底部约束水平和竖直方向位移；模型两侧约束水平位移。

区间盾构隧道与高架桥位置关系计算模型见图4～图6。

图4 三维几何模型及单元划分

图5 上下店路桥桩与盾构隧道位置关系

图6 妙峰路桥桩与盾构隧道位置关系

2.2 力学模型及参数选取

计算时，地层采用Mohr-Coulomb塑性模型；管片采用各向同性弹性模型。

土层参数及荷载按以下原则选取：

(1)粘聚力、内摩擦角、重度按岩土详勘报告中的物理力学指标进行设置。

(2)当地下水位较高，按土层饱和状态考虑。

(3)弹性模量以过往工程经验，以岩土详勘报告中土的压缩模量进行设置。

(4)盾构刀盘推力按静止土压力的1.1～1.2倍进行设置，取160 kPa。

(5)桥梁自重及行车荷载等效为静力均布荷载施加于承台。

土层参数力学参数见表1。

表1 土体力学参数

管片材料混凝土强度设定为C50。桥梁桥桩材料混凝土强度设定为C30，具体参数见表2。

表2 管片及复合地基参数表

2.3 计算工况

模型中忽略构造应力将初始应力场视为土体自重应力场，只施加自重荷载，土体处于平衡状态后位移清零。假定在隧道开挖施工前，土体自重及上覆土层固结沉降已完成。桥梁自重和行车荷载在初始应力场前施加。

3 计算结果及分析

3.1 计算结果分析

图7～图10为区间左线、右线在模拟范围内分别贯通后桥梁承台的水平位移及竖向位移云图。图11为沿铁路路基纵断面竖向位移云图。

图7 上下店路高架桥承台水平位移

图8 上下店路高架桥承台竖向位移

图9 妙峰路高架桥承台水平位移

图10 妙峰路高架桥承台竖向位移

经计算，区间隧道施工时引起的上下店路高架桥梁承台行最大水平位移0.54mm<3mm，最大沉降位移为3.37mm<15mm，纵向相邻桥梁墩台最大差异沉降值1.42mm<2mm，满足要求。区间隧道施工时引起的妙峰路高架桥梁承台最大水平位移1.37mm<3mm，最大沉降位移为0.16mm<15mm，纵向相邻桥梁墩台最大差异沉降值1.79mm<2mm，满足要求。

3.2 施工建议

根据以上数值分析结果，提出如下施工建议：

(1)目前国内盾构施工技术能够保证在铁路运营与安全不受影响的前提下顺利完成下穿铁路隧道的施工。

(2)该盾构隧道采用复合式土压平衡盾构，在穿越桥桩前建议100 m试验段，根据试验段制定穿越桥桩的最佳施工参数，优化最佳施工参数，保证开挖面稳定，加强同步注浆与必要的补压措施，来控制桥梁桩基的沉降。

(3)施工中应注意对盾构机姿态进行控制，确保盾构按照设计线路推进，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，降低地基土横向变形施加于桩基上的横向力。

(4)采用同步注浆，减少盾尾通过后隧道外周围形成的空隙，减少隧道周围土体的水平位移及因此产生的对桩基的负摩阻力，及时进行二次注浆。

(5)采取一切必要的技术措施，确保盾构在通过桥桩段过程中不停机或更换刀具。

(6)加强监测，采取相应措施，包括对高架桥桩基的变形、沉降的监测，如桥桩或土体发生较大变形应及时反馈设计、施工单位以调整施工参数或采取必要的地面加固措施。

4 结论

以复杂的工程实际为出发点，通过Midas有限元程序建立三维模型，模拟盾构开挖的施工过程，得到盾构侧穿高架桥所引起的桥梁承台沉降结果：

(1) 盾构在全风化、强风化岩层层环境下穿既有建(构)筑物时，对周围土层扰动的影响较小。

(2)高架桥桥梁承台的沉降较小，均在控制要求以内，在不采取加固措施情况下，通过选取合理的盾构推进参数，盾构隧道可以安全侧穿高架桥桥台桩基。

(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。