破碎泥岩地层盾构超近距侧穿桥梁影响分析

杨小兵

兰州铁道设计院有限公司

1 引言

盾构穿越桥梁桩基时，不可避免地会扰动周围土体[1]。地层应力及变形传递到既有桩基，引起桩基承载力的损失，导致上部结构发生不均匀沉降，影响既有桥梁的安全使用，严重时可导致结构出现失稳破坏。同时，上部桥梁结构自重和荷载，会加大桩基的变位，并影响着桩身的变位模式及内力变化规律。隧道开挖引起洞周收敛，造成土体水平位移，使得桩基表现为偏向隧道的倾斜或弯曲，影响桩身截面强度。

2 工程概况

解放门立交桥为双层立交桥，跨越雷坛河断层。桥上部结构为20m跨的箱型连续梁，基础为双桩承台，桩径1.5m。雷坛河断层北起雷坛河黄河入河口，向南经解放门、伏龙坪，过八里窑北后开始顺雷坛河发育，构成兰州七里河凹陷盆地的东边界。根据资料显示，该断裂为早中更新世活动。虽然其构造活动不会对地铁工程造成直接的断错，不需要进行抗断设防，但根据钻孔揭示，下部淡土黄色略具胶结的沙砾石层，岩芯较疏松，均已破碎。

兰州地铁1号线文～西盾构区间侧穿该立交桥，隧道与桥桩最近距离仅为0.583m，多处净距小于1d（d为桩基直径）。平面关系如图1所示。区间采用内径5.5m，外径6.2m管片，管片环宽1.2m。该掘进断面地层跨越卵石、泥岩、砂岩三种地层，卵石最大粒径30cm，抗压强度≥100MPa；砂岩抗压强度2MPa左右，遇水或扰动极易软化呈散沙状。地质条件的多样性，周边环境的复杂性，均给盾构掘进、周边建筑物保护、监控量测等带来了很大的难度。

图1 盾构隧洞与解放门立交桥平面关系图

3 盾构侧穿立交桥风险分析

盾构侧穿桩基将引起的桩基周围土体位移和附加应力会引起桩基变形和内力变化，桩基周围土体的沉降对桩基产生拖曳作用引起桩基沉降，降低其承载力[2]。为保证施工期间既有建筑物的安全，根据城市桥梁重要性等级、城市桥梁控制指标参考数值以及各地经验，综合确定有以下几个因素。

（1）桥梁基础产生的最大沉降量不超过15mm。

（2）纵向相邻桥梁墩台间差异沉降控制值为2mm，横向相邻桥梁墩台间差异沉降控制值为3mm，承台水平位移控制值为3mm。

4 计算分析

利用Midas GTS对立交桥建立模型进行计算。地层模型尺寸取120m×120m×40m。桥梁参数取自设计图，盾构穿过地层为非线性材料，其变形随荷载的大小而变化，且与加载路径有关，应力-应变呈明显的非线性关系，采用邓肯E-B模型，桥梁为钢筋混凝土结构，采用弹性模型，建立实体单元模型进行控制网格划分。

分别选取立交桥整体、直行桥以及左转桥进行计算提取，得出了立交桥整体与个体结构的沉降值和应力值，对数值大小及变化规律进行分析研究，并判断盾构掘进对立交桥结构安全性的影响程度[3-4]。

4.1 位移分析

结合图2、图3，结果分析如下。

图2 直行桥整体DZ方向沉降图

图3 左转桥整体DZ方向沉降图

（1）南北向直行桥结构沉降量约为-1.44mm～-2.34mm，相邻支座最大沉降差为0.37mm，最大沉降量并不在隧道拱顶位置，而出现在左右线隧道影响叠加区中间位置，呈中间大两端小现象。

（2）西南向右转桥结构沉降量约为-0.52mm～-2.80mm，沉降值自西向南依次增大到右线隧道拱顶位置开始减小，且受左线隧道的影响，西边沉降量大于南边沉降量，相比之下，盾构掘进对顺向桥比垂直横跨桥整体位移影响略大。

（3）通过对计算值和实际施工监测值对比分析，监测值整体比计算值偏小，但两者的变化规律基本吻合，并符合沉降变化基本规律，从而验证了计算值的准确性。

4.2 应力分析

结合图4、图5，结果分析如下。

图4 直行桥整体SXX方向应力图

图5 左转桥整体SXX方向应力图

（1）南北向直行桥沿桥梁横截面方向支座处应力大小约-0.2Pa～+0.66MPa，紧邻隧道处2、5号墩支座下沉导致出现了正值，其余均为负值，跨中处应力大小约为1.42Pa～2.80MPa，呈中间大两端小现象，与沉降规律完全相符。相比之下，盾构掘进对南北向直行桥结构横截面方向影响远远大于轴线方向。

（2）西南向左转桥沿桥梁横截面方向支座处应力大小约-0.03Pa～-1.63MPa，跨中处应力大小约为-0.15Pa～-1.14MPa；沿桥梁轴线方向支座处应力大小约-0.03Pa～-3.39MPa，跨中处应力大小约为-0.58Pa～-2.59MPa。

（3）整体应力大于直行桥应力，由于左线隧道相对位置较远，支座处未出现正值，隧道穿过局部位置影响小于直行桥，与沉降规律相吻合，符合应力变化基本规律。

5 结束语

文中对盾构隧道在破碎泥岩地层条件下，近距离侧穿立交桥桩基的施工引起的沉降变形进行了深入探讨，分析了盾构施工过程中桩基承载力、桥桩结构沉降、结构应力的变化情况，并与实际监测值进行了对比分析，研究表明：

（1）在桩基作用下，立交桥整体位移小于地层位移，仅仅考虑地层整体沉降量对立交桥采取加固措施偏于安全，不经济。

（2）由于立交桥应力变化规律与沉降变化规律完全相吻合，可见应力是由沉降所致，加固可从基础着手，可不考虑上部结构位移或受力情况。

（3）盾构掘进对顺向桥整体影响较大，只存在整体沉降的可能，不存在上部结构受力破坏，而对垂直横跨桥局部相邻支座处影响较大，整体影响小，局部沉降很有可能引起上部结构支座处应力过大导致破坏。

（4）无论从沉降还是应力分析，上部结构自身的位移应力值都比较小且变化不大，而地层的沉降量比较大，因此，盾构掘进对立交桥上部整体结构影响较小，主要影响在地基基础方面。建议加固从基础尺寸方面控制沉降，可不考虑上部结构自身的位移或受力情况。