地铁盾构隧道侧穿高铁桥群桩设置隔离桩影响分析

赵晓勇

(1. 中铁第一勘察设计院集团有限公司, 710043 西安；2. 陕西省铁道及地下交通工程重点实验室， 710043， 西安∥高级工程师)

1 工程概况

高铁桥桩对沉降变形的要求非常高，地铁盾构施工会引起临近土体的扰动，产生地层变形，在桩附近会引起桩侧摩阻力的减小，甚至可能产生负摩阻力，进而引起桥桩沉降、水平变形增大，因此，临近高铁桥桩施工风险非常高。目前,分析隧道施工对周边环境影响采取的方法主要有数值模拟和理论分析法。由于实际工程的复杂性，理论分析时一般需进行理想简化，计算跟实际工程差别较大。采用数值模拟方法可以依据实际工程建立模型，模拟实际开挖工况，研究临近地铁隧道的群桩沉降、水平变形等特征。

某地铁区间沿青峰路走行，采用盾构法施工，线间距14.6～15.0 m，覆土深约10 m。受车站站位影响，区间隧道出车站后约34 m处，区间右线侧穿兰新高铁仓房沟中路特大桥39号墩，距离最近桩基净距约5.1 m；区间左线侧穿40号墩，距离最近桩基净距约2.6 m。高铁桥与区间盾构隧道关系如图1所示。

图1 高铁桥与地铁区间盾构隧道关系图

2 模型和地层参数

2.1 模型建立

区间盾构隧道外径6.2 m，钢筋混凝土管片厚度0.35 m，盾构顶覆土约10 m。侧穿高铁桥39、40号桥墩的群桩桩基，每处桥墩设置11根桩基，4+3+4布置形式，桩径1.2 m，承台尺寸12.6 m×8.4 m×3.5 m，位于地面下1.5 m。承台长边与盾构隧道轴线夹角约35°，其中，39号墩桩长39 m，40号墩桩长40 m，均为钻孔灌注桩，桩基设计为摩擦端承桩。

在满足计算要求的前提下，对模型进行适当简化。模型上侧取至实际地表，下侧取至桩基以下15 m，模型前后、左右两侧取至39、40号桩基两侧不小于10 m。最终模型尺寸为90 m×72 m×60 m，如图2和图3所示。

桥墩、承台材料选择线弹性模型，桩基采用桩梁单元，盾构管片采用板单元。土层为弹塑性模型，摩尔-库伦破坏准则。前后、左右边界视为链杆支座，下边界条件视为铰支座。

图2 3D数值模型

图3 隧道与桩基承台空间关系

2.2 地层参数选取

土体采用弹塑性模型，强度准则采用Mohr-Coulomb屈服准则。土层中部分夹层，计算时适当进行简化。根据详细勘察报告，各土层参数如表1所示。

2.3 模型施加荷载

模型按土体自重施加重力荷载，以模拟隧道施工土体的初始应力。39、40号桥墩及承台均按照实际尺寸选取，考虑两处桥墩上部结构荷载，仅考虑其承受的竖向恒载标准值，桥墩顶施加荷载为：

P=19 853 kN/20.64 m2=962 kPa

3 计算分析

模拟实际盾构隧道开挖施工情况，先施工区间左线隧道，后施工区间右线。计算结果表明，桥桩、承台受隧道施工的影响，40号承台的最大沉降变形超过4 mm，不能满足运营期间高铁桥的沉降变形要求。考虑到本桥上部结构距离地面较高，桥下具备施工桩基条件，因此考虑采取设置隔离桩控制变形的措施。在其他条件相同情况下，分别对设置隔离桩和不设置隔离桩措施进行计算，分析对桥墩和桩基的影响。

表1 土层计算参数表

隔离桩采用φ 600 mm@1 500 mm钻孔灌注桩，为考虑尽量减小隔离桩施工对既有高铁桥桩的影响，钻孔灌注桩距离盾构隧道外侧净距为0.5 m，设置范围为既有高铁桥桩投影在隧道中线范围内两侧各1.5倍的盾构直径(39号墩距离个别桩基范围较远时，取近侧桩基)。隔离桩设置情况如图4所示。

图4 隔离桩设置图

3.1 桥桩、承台竖向沉降分析

设置隔离桩后，桩基、桥墩和承台最终竖向沉降云图如图5所示。

为了研究施工过程对桥墩的影响，选取桥墩关键点位进行分析，关键点位选择如图6所示。

以下以距离隧道施工距离较近的40号桥墩为例，提取设置隔离桩前后的计算结果，分析盾构施工期间其变形的影响，结果如图7和图8所示。

由图7可见，左、右线施工完成后，承台范围内的位移为-4.30～+1.31 mm，墩顶中心位置最大变形为-1.64 mm。由于承台和群桩基础与隧道轴线存在夹角，盾构施工过程中导致桩基和承台产生不均匀沉降，墩顶最不利位置位移-2.4 mm。距离盾构隧道近侧的桩基和承台位置变形大，远侧变形小。由于承台刚度比较大，在群桩效应作用下，近隧道侧桩基发生沉降，远离隧道侧承台则产生了一定的隆起变形。

图5 设置隔离桩后竖向沉降云图

图6 关键点位图

图7 不设隔离桩时40号墩关键点竖向位移

由图8可见，设置隔离桩后，承台的沉降变形为-1.36～0.75 mm，墩顶中心位置最大沉降变形为-0.41 mm。桩基承台沉降相比未设置隔离桩，变形减少了60%以上。设置隔离桩后，最终变形满足控制要求，这也表明采取隔离桩措施对控制群桩基础的变形效果非常明显。

图8 设置隔离桩后40号墩关键点竖向位移

3.2 桥桩水平变形分析

取桥桩垂直于盾构隧道轴线方向的竖向位移，计算结果如图9和图10所示。

图9 群桩水平变形云图

图10 40号墩距离盾构最近基桩的水平位移(A点)

由图9可见，群桩中距离盾构最近的基桩变形最大，距离越远的基桩变形越小，39号桥墩桩基(距离隧道6.2 m)比40号墩(距离隧道2.6 m)桩基，其水平变形普遍降低了32%以上，距离隧道直径1.0D净距时，盾构隧道施工对群桩桩基的平均影响降低40%以上。因此，条件允许情况下，在方案设计时，应尽可能增加盾构隧道与群桩桩基的净距。

由图10可见，未设置隔离桩时，基桩最大水平位移5.23 mm。设置隔离桩后，基桩最大水平位移3.16 mm。合理采取隔离桩措施，对高铁桥桩起到了显著的保护作用，使桩基最大水平位移降低了40%以上。

群桩受承台刚度及土体变形的影响，盾构隧道施工过程中基桩变形最不利位置位于盾构隧道中心部位附近，在盾构隧道底部以上位置的基桩变形相对较大，以下影响普遍较小。因此，应重点关注盾构底部以上部位基桩变形。从兼顾经济性角度出发，采取土体改良加固措施时，应重点针对盾构底部以上部分土体。

4 隔离桩设置范围合理性分析

为了研究隔离桩不同设置范围、设置距离和桩长起到的保护效果，以优化设计施工，达到安全、相对经济的效果，现对不同情况下设置隔离桩的效果进行分别研究。

4.1 隔离桩设置范围不同的影响分析

将高铁桥群桩基础垂直于隧道轴线投影，上文已经计算了投影范围以外1.5D时对桥桩的影响，为了研究不同隔离桩设置范围的效果，进行定量分析，将隔离桩设置范围分别调整为1.0D、0.5D进行计算，取较为典型的B点沉降变形为研究对象，计算结果如图11所示。

图11 隔离桩不同设置范围的影响分析

由图11可见，设置隔离桩后，隧道施工对桥桩的影响大大降低了。设置隔离桩范围越大，高铁桥受到的影响越小。隔离桩设置范围从0.5D增大到1.0D，高铁桥桩沉降变形相比减少了约31%。但是，桥桩设置范围继续增加到1.5D后，对桥桩的影响与1.0D相比基本稳定，变化不大。说明当隔离桩范围增加到1.0D以上时，对桥桩的保护作用变得有限。因此，从控制高铁群桩的变形角度来说，设置范围取1.0D～1.5D是比较合理的，可以有效发挥隔离桩的作用，超出此范围，则隔离桩起到的保护作用就比较有限，经济性差。

4.2 隔离桩设置距离不同的影响分析

盾构隧道距离39号桥墩群桩基础5.1 m，保持其他条件不变，将隔离桩距离隧道的距离设置为1.5 m、2.5 m、3.5 m，分别计算其对桥桩的影响，提取典型位置承台角部F点的沉降变形为研究对象，计算结果如图12所示。

图12 隔离桩不同设置距离的影响分析

由图12可见:不设隔离桩时，区间隧道施工对承台产生的最大位移为-1.58 mm;设置隔离桩后，产生的最大位移降低至-0.69 mm，减少了56%以上。隔离桩设置距离隧道越远，距离高铁桥桩越近，隧道施工对高铁桥桩产生的影响越大。所以，从设置隔离桩改善既有桥桩的变形考虑，在满足施工需要时，隔离桩的设置应尽量靠近施工隧道，这样对既有高铁桥基础的影响就越小。

4.3 隔离桩设置深度不同对桥桩影响分析

为了确定合理的隔离桩深度，分别考虑将隔离桩深度由隧道底部以下1 m，调整为隧道底部以下3 m、5 m，以及桩底设在盾构中心位置(隧道底部以上3.2 m)，分别进行计算，提取典型部位B点的沉降变形，计算结果如图13所示。

图13 不同隔离桩长的计算结果

由图13可见，隔离桩设置越长，关键点位B点的变形越小。当隔离桩深度设置在隧道中心位置时，对高铁桥桩的保护作用变得有限，说明此时隔离桩长度欠缺，未起到有效的保护作用。当设置在隧道底部以下1 m时，B点最大沉降变形为-1.36 mm，与设置在隧道中心处相比，沉降变形减少了65%以上。当设置在隧道底以下3 m时，变形趋势进一步减小，B点最大沉降变形为-0.57 mm，与设置在隧道中心和底下1 m位置处相比，沉降变形分别减少59%和85%，隔离桩作用效果较为明显。隔离桩继续加长至底部以下5 m时，控制沉降变形减小作用非常有限。从减小对既有桥桩沉降变形效果看，隔离桩设置在隧道底以下1 m及以上可以起到较好的效果，同时，设置在隧道底部以下3 m以上时起到的效果变得有限，再继续增加隔离桩长作用不大。因此，从工程效果和经济性综合考虑，隔离桩的合理深度应在施工盾构隧道底部以下1～3 m，不应设置在隧道底部以上，以免起不到预期效果；也不宜超出隧道底部以下3 m，以免造成浪费。

5 结语

本文结合工程实际，对地铁盾构隧道侧穿高铁桥群桩基础的施工过程进行了影响分析，在不满足变形要求时，通过采取隔离桩措施可降低对群桩的影响。对不同隔离桩参数设置进行了对比分析，得到如下结论：

1)当承台和群桩基础与隧道轴线存在夹角时，桩基和承台产生不均匀沉降，承台刚度会影响群桩的变形。距离盾构隧道近的基桩和承台一般为沉降变形，远侧由于群桩作用效应和承台刚度影响，可能会产生隆起变形，产生不均匀沉降。

2)盾构隧道施工过程中导致基桩变形最不利位置位于盾构隧道底部以上部位，而在以下部位基桩变形普遍较小。因此，施工中应重点关注隧道底部以上部位基桩变形。

3)隔离桩最优设置范围为桩基垂直于隧道轴线投影范围以外1.0D～1.5D(D为隧道直径)，桩基距离隧道距离远时取小值，距离近时取大值。隔离桩设置范围为1.0D时，可将隔离桩的作用充分发挥出来，又较为经济；增大至1.5D时，虽然也会进一步减小其影响，但起到的作用相对较小。

4)设置隔离桩距离隧道越近，距离高铁桥桩越远，隧道施工对高铁桥桩产生的影响越小。因此，在满足施工需要时，隔离桩的设置应尽量靠近施工隧道。

5)隔离桩设置深度宜取隧道底部以下1～3 m，效果最优。隔离桩长度再增大，作用效果不明显。隔离桩设置在隧道底以下1 m与设置在盾构中心处相比，引起的桥墩承台变形减少,效果明显。