顶管隧道施工对桥梁桩基的影响

高骏 孟小伟 刘鸿 余云翔 杨浩

【摘要】文章以昆明4号线菊华站地铁车站过街通道矩形顶管近接高架桥施工为背景，通过数值模拟的方法，分析在采用桩侧土体注浆预加固及超灌触变泥浆两种措施下顶管隧道施工全过程中邻近桥梁桩基的安全性。结果表明：（1）顶管顶进施工对桥梁桩基的受力影响不大;（2）顶进完成后，桥梁桩基将产生指向顶管隧道的横向变形，较近侧桩基产生沿顶进方向的变形，且横向变形大于纵向变形，离顶管越近的桩基变形值也越大;（3）采用桩侧土体预加固结合超灌触变泥浆的方式能有效将桩基在顶管施工的全过程中的受力及变形控制在安全限值之內。

【关键词】顶管隧道; 近接桥梁; 变形控制; 注浆预加固; 超灌触变泥浆

【中国分类号】U455.47【文献标志码】A

顶管隧道施工作为一种非开挖的浅埋隧道施工方法，其基本原理是通过在工作井内安装支座及掘进机，通过主顶油缸及中继间等产生的推力，将顶管管节和掘进机从工作井一直推至接收井内完成施工。顶管法隧道施工技术最早于1896年被美国应用在北太平洋铁路铺设工程的施工中[1]，我国自1953年引入顶管法后，在之后的几十年间大量应用到了实际工程当中，进而逐步形成了较为先进且具有自主知识产权的顶管隧道设计、制造与施工一体化技术[2]。

由于顶管隧道具有施工对环境影响小，施工期间无须进行道路封闭等优点，在周边环境较为复杂的某些浅埋通道施工中，特别是在紧邻周边建筑物施工或下穿既有线路的通道施工中，常常选择顶管法隧道施工。然而，顶管隧道的施工难免会影响这些邻近建构筑物的正常使用，甚至会危及他们的结构安全。为此大批学者对顶管隧道施工的环境影响开展了研究。施成华等[3]首先将顶管施工隧道周边岩土体看作一种随机介质，将隧道开挖所引起的土体移动看作一随机过程，应用随机介质理论，对顶管施工隧道开挖引起的扰动区土体的移动与变形进行分析，得到了相应的扰动区土体下沉（隆起）、倾斜、水平移动、水平变形及弯曲曲率计算公式。吴勇等[4]通过建立数值模型，对注浆压力和机头作用的模拟方法进行了讨论和改进，分析了顶管施工对周边环境的影响，其结果表明了矩形顶管施工引起的地表沉降槽同样符合Peck公式，土体损失在地层位移的形成中起主导作用。刘航军等[5]采用有限差分法并考虑流固耦合的作用，分析研究了顶管顶进施工对周边地表变形、土体内部位移、孔隙水压力及土体主应力的影响规律，得出顶管顶进过程中沿顶管纵向地表位移在机头前方约1D（D为顶管直径）处隆起值最大，横向地表受顶管施工扰动影响较大的区域为其轴线两侧3D范围内。刘波等[6]以南京某顶管法施工的地下步行通道近距离穿越既有地铁区间隧道及城市主干道为依托，通过数值分析及现场监测，发现下覆既有隧道的竖向位移在施工过程中表现为初始下沉、隆起增强和隆起稳定3个阶段，在施工完成后由于通道内出土卸荷导致最终隧道竖向位移表现为隆起，并表明采用微欠挖工艺可有效控制下覆隧道的最终隆起。郭曙光[7]以雨水干线穿越既有桥梁顶管工程实例，采用空间有限元程序MIDAS/GTSNX建立的三维模型模拟顶管法施工过程，计算桥梁桩基础附近土体沉降数值，对既有桥梁的安全性进行了评估。

综上所述，可以看出针对顶管隧道施工的环境影响，前人已做了一定研究，也得到了一些规律性的成果。然而，顶管隧道近接穿越对既有建构筑物的影响与地质条件、既有建构筑物条件、顶管隧道开挖断面大小与形状、顶管隧道施工方案及既有建构筑物保护方案等因素密切相关，需针对具体问题做具体分析。昆明轨道交通4号线菊华站地铁车站部分过街通道采用矩形顶管进行施工，且施工在近接高架桥桩基的情况下进行，具有较大的施工风险。在此背景下，本文以该地铁车站过街通道近接桥梁桩基施工为依托，研究在特殊保护方案下进行顶管施工对既有桥基的影响，评估顶管施工全过程中桥基的安全性，以为实际工程提供理论指导。

1 工程概况

昆明市轨道交通4号线菊华站为地下二层2×7 m侧式单停车线并与6号、8号线菊华站通道换乘的车站。该站共设置3个出入口，其中的B号出入口及A2号出入口采用顶管法施工，顶管外部轮廓为4.9 m×6.9 m（长×高），每节管节长1.5 m，顶管段总长46 m。两矩形顶管隧道均近接既有高架桥桥桩施工，桥梁桩基为钻孔灌注桩，承台混凝土型号为C30（抗拉强度设计值为1.43 MPa）。本文仅研究A2号出入口施工对既有桥梁桩基的影响问题，B号出入口对既有桥梁桩基的影响已另文分析[8]。A2号出入口顶管隧道与桥梁桩基最近距离仅3.8 m，与桥桩相对位置关系如图1所示。

由于顶管小净距近接桥梁施工以及顶管所处地层较为软弱，施工过程中既有桥梁结构将受到相应的扰动，由此带来的施工风险较大。为保证施工过程中既有桥梁的安全，严格控制施工过程中桥桩的变形量，结合当地相关规范确定桥桩横、纵向变形量控制值均为6 mm。为保证顶管施工过程中桥梁的安全性，本出入口施工拟采用顶管隧道与桥梁桩基间土体注浆预加固结合超灌触变泥浆顶进的保护方案，其中土体的具体加固范围如图2所示。显然，为了确保施工的顺利进行及施工过程中桥梁的安全性，有必要对A2口顶管施工全过程对桥梁桩基的影响进行研究。

2 数值模拟

采用有限差分软件FLAC3D，对菊花站出入口通道A2口建立数值模型，分析在土体注浆预加固结合超灌触变泥浆的保护方案下，菊华站地铁车站A2口过街通道矩形顶管施工全过程对邻近高架桥桩基受力以及变形的影响。建立的顶管隧道模型尺寸为横向70 m（x方向）×纵向46 m（y方向）×垂向44 m（z方向），模型的四周和底部边界条件为法向约束，地表为自由边界。数值模型中的土层、桥梁桩基、承台以及桥墩均采用实体单元进行模拟，且土层及桥梁结构分别采用摩尔-库伦弹塑性本构和线弹性本构描述其力学行为特征。为了简化计算，本模型不考虑桥面结构，而是通过将桥面荷载施加于桥墩上的方式模拟桥面结构对下部结构的影响。此外，桩侧土注浆预加固采用提高相应区域内土体的力学性能进行模拟。据此所建立的具体模型见图3，模型材料参数见表1。

顶管隧道的施工过程采用文献[8][9]的方法进行模拟，其中，顶管施工引起的地层损失通过在地层开挖轮廓线上沿轮廓法线并指向开挖土体的方向施加强制位移的方式来实现模拟，具体针对本地下通道注浆加固情况及顶管机超挖情况，地层损失参考文献[8]取为20 mm，并在顶管机前端到达时刻和第一节管节前端到达时刻分两次等量输入;超灌触变泥浆的效果主要是减小顶管顶进过程中的管土摩阻力，在数值模拟中，通过在顶管顶进时刻施加比正常减摩措施更小量值的摩擦力进行模拟，超灌触变泥浆情况下的管土摩擦力取为4.9 kPa[8]。

3 计算结果分析

图4为A2口矩形顶管过街通道在桩侧土体注浆预加固结合超灌触变泥浆两种控制措施下，采用上述数值方法模拟施工过程中不同施工步下的邻近桩基的横纵向变形云图。

从图4中不同施工步下的桩基变形云图可以看出，在刚开始施工时，即顶管机前端未通过桥梁桩基时，桩基产生背离顶管的横向变形，随着顶管的顶进，横向变形的方向逐渐趋于指向顶管的方向，在顶管顶进完成后，顶管隧道两侧的桩基都产生了指向隧道中轴线的横向变形。产生上述现象的主要原因为刚开始顶进时桩基的变形主要由顶管顶进时对土体的挤压导致，桩基由此产生背离顶管的变形，而在顶管通过桩基的过程中，导致桩基变形的地层损失逐渐趋于主导地位，桩基变形遂逐渐趋于指向顶管的方向。由于右侧的桩基离顶管更近，右侧桩基的横向位移也明显大于左侧桩基。最大横向变形产生于与隧道中轴线同一高度处且离隧道最近的桩基点上，并沿着桩基长度方向沿上下递减。桩基的纵向变形规律與横向变形类似，其中距顶管较近侧（右）产生与顶进方向一致的变形，距顶管较远侧（左）产生的变形量值相对较小。

从图4中还可以看出，顶管顶进的过程中横向变形值大于纵向变形值，且随着顶管顶进的过程，横纵向变形值均在增大;顶管顶进的整个过程产生的变形最大量值为顶进完成后的横向变形值，可达3.85 mm，最大纵向变形值为2.61 mm，均小于6 mm的控制值。由此可知在顶管顶进的整个过程中，无论是横向变形还是纵向变形，其变形值均在控制值之内。

图5为A2口矩形顶管过街通道在桩侧土体注浆预加固结合超灌触变泥浆两种控制措施下顶进完成时邻近桩基的最大及最小主应力云图。从图5中可以看出，桩基最大主应力的最大量值为0.137 MPa，出现在桥梁承台与桥墩桩基连接处附近，低于C30水泥抗拉强度设计值1.43 MPa，处于较低水平;桩基最小主应力的最小值约为1.07 MPa，出现在桩基底部。实际上，在顶管的其他典型施工步下，桥梁桩基的最大及最小主应力分布及量值与图5类似，由此可见，在土体注浆预加固及超灌触变泥浆顶进的保护方案下，顶管顶进施工对桩基受力的影响不大。

4 结论

本文以昆明市轨道交通4号线菊华站地铁车站A2口过街通道矩形顶管近接高架桥施工为背景，研究在同时采用桩侧土体注浆预加固及超灌触变泥浆顶进两种保护方案下，顶管隧道施工对邻近桥梁桩基受力与变形的影响，并评估了桥梁桩基的安全性。通过研究，主要得到了以下结论：

（1）在顶管隧道开挖完成后，桥梁桩基将产生指向顶管隧道的横向变形，较近侧桩基将产生与顶进方向一致纵向变形，且离顶管越近的桩基变形值越大。

（2）顶管顶进的过程中横向变形值大于纵向变形值，桩基变形最大量值为顶进完成后的横向变形值，达3.85 mm，但仍低于控制值6 mm。

（3）在土体注浆预加固及超灌触变泥浆顶进的保护方案下，顶管顶进施工对桩基受力的影响不大。

（4）采用桩侧土体注浆预加固及超灌触变泥浆顶进的保护方案，完全可以保障顶管施工全过程中邻近桥梁的安全。

参考文献

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[9] 黄宏伟，胡昕.顶管施工力学效应的数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2003（3）：400-406.