地铁盾构隧道侧穿城市桥梁桩基数值模拟分析

王宏宇

(陕西省交通规划设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

随着城市地下轨道交通建设的蓬勃发展[1-2]，隧道掘进过程中常遇到地铁盾构隧道下穿或侧穿城市桥梁桩基的情况，目前国内已有较多类似案例[3]，北京地铁14号线侧穿大望桥桩基，最小水平净距为5.7 m，兰州地铁1号线侧穿解放门立交桥桩基，最小水平净距为0.67 m，深圳春风隧道下穿春风立交桥桩基，竖向最小净距为8.8 m，天津地下直径线侧穿狮子林桥，水平最小净距为2.9 m，石家庄2号线侧穿建和桥，水平最小净距为0.7 m，合肥2号线下穿五里墩立交桥，竖向最小净距7.5 m。城市隧道修建过程中，周围土体受到不同程度的扰动，土体应力重新分布，进而引起附近地面和既有桥梁桩基的变形，桩基变形过大，桥梁上部结构内部应力重分配，引起结构安全问题，研究盾构隧道施工时对附近桥梁桩基的影响具有重要的实际意义[4-7]。

本文依托西安地铁16号线一期工程区间盾构隧道侧穿新西宝高速XX高架桥桥梁桩基工程，采用大型有限元软件MIDAS GTS NX模拟分析盾构隧道施工过程中对临近高架桥梁桩基的影响。

1 工程概况

地铁16号线起于铁路南客站，向北经过昆明池、能源金贸中心，跨渭河向北串联秦汉新城、空港新城至泾河新城，形成一条南北向的快速客运通道，16号线一期工程为沣东小镇至能源三路段，其均为地下线，一期工程区间盾构道张旺渠—沣东大道区间在YCK28+205.480～YCK28+241.366范围内左、右线侧穿新西宝高速高架桥桩，位于复兴大道与沣明路交叉口附近。本段高速桥为阿房宫高架桥，桥梁为双向八车道。新西宝高速2011年改扩建完工通车后为双向八车道，穿越段桥梁上部结构型式为6×25 m预应力混凝土(后张)先简支后连续小箱梁结构，桥面全宽42 m，桥高约为20 m，下部结构形式包括柱式墩、肋板式台、钻孔桩基础，桩基型式为摩擦桩，桩长40 m，正线区间采用盾构法施工，线路与新西宝高速夹角约为73°，区间隧道距离高速桥桩净距最小约3.2 m，穿越段盾构隧道覆土20.1 m，主要位于中砂地层中，地下水位埋深17.627 m。本段侧穿新西宝高速桥桩初始风险源等级为Ⅱ级。高架桥与区间隧道的相对关系如图1～图3所示。

盾构法隧道采用C50钢筋混凝土平板型预制管片拼装而成，预制管片衬砌参数：内径5 500 mm、外径6 200 mm，管片厚度350 mm、环宽1.5 m。衬砌环由1块封顶块、2块邻接块、3块标准块组成，采用错缝拼装的拼装方式。

2 有限元模型建立

为了充分论证盾构隧道侧穿新西宝高速高架桥桩过程对既有桥梁的变形影响，采用有限元分析软件MIDAS GTS NX对16号线盾构隧道侧穿新建立模型进行地层-结构模型计算。MIDAS中文名迈达斯，是一种结构设计有限元分析软件，是针对土木结构，可以做非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析。

2.1 模型范围

根据以往既有类似盾构隧道侧穿结构物的工程实例、科研报告以及监控量测数据，盾构隧道下穿既有桥梁桩基的主要影响范围为盾构直径的3倍～5倍。盾构隧道外径为6.2 m，其中离左线盾构隧道最近的桩基，最小距离约为3.2 m，故本次模型计算边界沿X方向取75 m宽，Y方向均取70 m宽，Z方向取50 m深，如图4所示。

2.2 本构模型及单元模型

Mohr-Coulomb 弹塑性模型常被应用于数值模拟中土体部分的本构关系的选择，土体单元采用摩尔-库仑(M-C)弹塑性本构模型，采用MIDAS/NX内置混合网格生成器生成单元；盾构隧道衬砌管片，桥墩桩基采用梁单元，同时考虑摩擦桩与土体的摩擦力和刚度差异，采用软件内置的桩界面单元，桩单元的行为是指主体单元与桩单元，如梁或桁架单元之间的界面行为。桩界面行为可分为两个法向行为和一个切向行为。与界面单元相同，定义模拟界面行为的剪切或法向刚度，但在这里假设两个法向(正交)行为与桩单元和主体单元的切向(剪切)遵循非线性弹性运动的刚体行为一致，采用最终剪力和法向刚度来模拟桩与土体的接触关系，进而模拟桩土间的相对变形。

2.3 荷载及边界条件

桥墩桩基荷载：新西宝高速该段落桥梁为25 m跨径小箱梁，根据JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范对其上部荷载及汽车活载进行计算得出每个桩基顶反力模拟时，在桩顶施加集中力，同时考虑地面超载，对上层土顶面施加15 kPa的面压力，边界条件为模型四周施加横向的水平位移约束，模型底部施加固定约束，地表为自由，为了方便提取相应桩基变形，对模型中桩基进行编号布置监控点，监控点布置如图5所示。

2.4 参数取值

结合上述内容及既有规范和工程经验，结构材料参数取值见表1，另外，预制管片衬砌参数：内径5.5 m，外径6.2 m，管片厚度0.35 m，环宽1.5 m，桥墩桩基：长度40 m，直径1.7 m，共12根。

表1 结构材料参数

根据既有工程地质勘探报告，土层参数取值见表2。

表2 地层物理力学参数

2.5 施工模拟步骤

本次计算模型模拟实际盾构隧道开挖的施工过程如下：

根据施工图纸要求，该段盾构隧道从大桩号向小桩号侧开挖，贯通一个区间后(长度为侧穿桥墩段长度)，再贯通另一个侧穿桥墩盾构区间，通过钝化该部分土体单元实现盾构机前进一环(1.5 m)，激活管片单元，如此往复模拟施工过程，如图6所示。

3 数值计算结果

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》规定：桥梁监测项目控制值应在调查分析桥梁规模、结构形式、基础类型、建筑材料、养护情况等的基础上，结合其与工程的空间位置关系、已有沉降、差异沉降和倾斜以及当地工程经验进行确定，并应符合现行行业标准CJJ 99城市桥梁养护技术规范的规定。桥梁的沉降、差异沉降和倾斜控制值宜通过结构检测、计算分析和安全评估确定。根据既有资料，结合目前盾构施工水平，区间隧道侧穿新西宝高速桥桩施工，西宝高速限值可参照表3执行。

表3 西宝高速限值 mm

西安地铁16号线一期工程区间隧道穿越新西宝高速桥墩桩基影响分析如下：

离盾构隧道最近的桥桩为1号、5号、8号和12号，4根 桩基在盾构隧道下穿施工过程中位移变化情况如下所示，其中横轴为施工步骤，纵轴为位移值。

根据图7～图10的计算结果，从大桩号侧向小桩号侧盾构隧道施工时，沉降较大的桥墩桩基出现在1号和5号桥墩，1号桥墩桩基最大沉降值为7.14 mm，5号桥墩桩基最大沉降值为6.2 mm。盾构施工过程中桩顶水平位移较大的桥墩桩基出现在1号和5号桥墩。本文现以1号和5号墩桩基的沉降和水平变形进行分析，盾构施工过程中，1号桥墩桩基桩顶最大水平位移值为2.56 mm，5号桥墩桩基桩顶最大水平位移值为1.68 mm。左右线盾构隧道贯通后，纵向相邻桩基不均匀沉降最大值为1.3 mm，贯通后横向相邻桩基不均匀沉降最大值为1.5 mm，均满足控制标准要求，影响可控。1号桩基距离隧道最近，开挖引起土体的扰动对1号桩基变形影响最大。从沉降方面分析，随着盾构隧道左右线开挖，1号桩基沉降值一直呈现增大趋势。而从5号桩基的沉降曲线可以看出，左线隧道开挖前段桩基沉降逐渐增大，开挖后段桩基沉降逐渐减小，后因右线隧道开挖桩基沉降又呈现先增大后减小的趋势。从水平位移，两个桩基均存在先增大后减小的趋势，开挖左线隧道时，两桩基的水平变形值和趋势基本一致，但随着右线隧道的开挖，两桩基变形规律呈现出不同规律，1号桩基的水平变形是单一方向的变形，但是对于5号桩基水平变形方向是双向变化的，双线贯通后，两桩基水平变形方向是相反的，但两桩基变形值大小基本相当。 综合以上分析可知，后开挖隧道(本文中指右线隧道)对先开挖隧道(本文中指左线隧道)的临近桩基和后开挖隧道的临近桩基的影响规律是不同的，开挖隧道顺序与临近桩基变形存在一定的时空效应，施工中应考虑施工顺序，采取合理的措施来布置监控点。

4 侧穿桩基实施方案

为保证新西宝高速在盾构施工过程中安全运营，采取实施方案如下：

1)做好地下勘探工作，防止推进过程中意外情况发生。2)掘进前，认真对刀盘、注浆系统、密封系统、推进千斤顶及监控系统等设备检查，确保穿越过程中设备无故障，进行连续施工。3)加强泥土塑性改造，合理设定目标压力、严格控制排土量、均衡推进，使开挖面处的土体受到的干扰最小。4)严格控制盾构掘进参数，盾构通过后及时同步注浆，并注意控制同步注浆的量与压力。严格控制地层损失率，通过质量与体积双控指标，将地层损失率控制在1%以内。5)盾构穿越西宝高速前开展试验段(200 m)进行试掘进，以确定盾构合理参数，从而保证施工过程西宝高速安全运营。6)盾构隧道施工过程中，进行系统、全面的监控测量，实行信息化施工，若发现异常，立即通知相关单位并采取相应的应急预案。7)临近桥桩侧(净距小于6 m)进行盾构隧道洞内注浆，用于加固土体，补偿由于盾构掘进可能导致的桩侧摩阻力损失，注浆期间需严格控制注浆压力，避免注浆对桥桩的二次影响，加固长度为穿越点桥桩前后各5 m，加固范围为盾构管片以外2 m。8)采取同步注浆控制措施，制定详细的监测控制措施，对桥梁和附近地面进行监控，做到“动态设计、动态施工”，并制定详细的监测预警及设计预防措施预防突发事件的发生。

5 结论

文中以西安地铁16号线侧穿城市高架桥桩基工程为背景，采用有限元软件Midas GTS NX分析盾构隧道侧穿桥梁桩基引起的桩基变形规律，得出的结论如下：

1)盾构隧道开挖对临近桩基的变形影响最大，距离越近影响越大，1号桩基最大沉降值为7.14 mm，5号桩基为6.2 mm；1号桩基桩顶最大水平位移为2.56 mm，5号桩基桩顶最大水平位移为1.68 mm，纵向相邻桩基不均匀沉降最大值为1.3 mm，贯通后横向相邻桩基不均匀沉降最大值为1.5 mm，均满足控制标准。2)后开挖隧道对先开挖隧道的临近桩基和后开挖隧道的临近桩基变形的影响规律是不同的，先开挖隧道的临近1号桩基沉降会随着后开挖隧道的施工，其沉降持续增大，而后开挖隧道的临近5号桩基的沉降呈现出先增大后减小，随着右线隧道开挖，又呈现出先增大后减小的趋势，1号桩基的水平变形方向是单一的，而5号桩基的水平变形方向是双向的。3)施工中应加强对段落的控制保护措施，尽可能减小施工扰动。同时加强监控量测，根据监测数据及时反馈，调整盾构姿态控制和注浆工艺参数，同时加强同步注浆，制定施工应急预案，与相关单位密切配合，发现异常及时采取处理措施，降低施工危险因素，保证盾构的安全穿越，确保新西宝高速的正常运营。