双线盾构隧道侧穿对高铁桥梁桩基的影响研究

2022-01-19龚兴旺徐靖威

铁道建筑技术 2021年12期

龚兴旺龚伦钟建徐靖威

(1.西南交通大学土木工程学院四川成都 610031；2.交通隧道工程教育部重点实验室四川成都 610031)

1 引言

随着我国城市化进程的加快，未来地铁的修建趋势愈加强烈。地铁盾构隧道在修建时会遇到很多风险及困难，比如不良地质、溶洞，以及液化砂土等。除此之外，城市隧道下穿建筑群、铁路路基、桥梁桩基等重大建筑也会带来极大不便，需要采取一定的加固措施，防止新建工程对既有工程带来的沉降或开裂变形。

国内许多学者针对盾构隧道下穿桥梁桩基做了大量的研究。李海洋[1]通过数值模拟研究四线叠交小间距盾构隧道下穿桥梁，得出在未采取加固措施的前提下，盾构隧道下穿会对桥梁的稳定性造成较大影响的结论；杨征[2]结合现场监测数据，分析盾构施工对邻近桩基造成的影响，总结出盾构下穿桥梁所采取的施工保护措施；夏正茂等[3]通过有限元软件对盾构下穿桥梁的加固措施进行对比，得出两种加固措施对控制桩基位移均具有一定效果的结论；郭波[4]通过分析盾构施工过程中高铁桥墩的变形特征，指出地铁隧道周边采取加固措施后，能够降低左右线隧道掘进时相互之间的影响；贾少春[5]通过有限元计算方法对盾构下穿进行动态模拟，并对地表沉降、桩基位移、内力进行分析；陈聪等[6]通过数值模拟研究盾构下穿桥梁桩基时，发现在控制桩基位移沉降上，隔离桩防护比注浆加固效果更好；杨喜等[7]通过数值模拟得出隧道左、右线距桩基水平距离较远时(约2倍洞径)，对桩基承台变形影响较小的结论；阮雷等[8]通过研究盾构隧道埋深对邻近铁路桥梁的影响，发现在满足地表沉降限值的条件下可适当减少隧道埋深，以控制隧道开挖引起的上部桥梁、钢轨等结构物变形；赵江涛[9]通过对盾构隧道下穿既有桥梁精细化施工控制进行研究，建立了一套精细化一体施工的技术体系；高文华等[10]通过分析盾构下穿桥梁影响因素，对施工方法进行了改进；王体广[11]对盾构区间近距离下穿铁路桥梁影响进行分析，验证了设置参数优化试验段的必要性，并总结了施工过程的沉降变化特点；王霆等[12]通过现场监测和有限元计算，研究盾构下穿施工对桥梁上部结构的影响，指出当盾构埋深较大时，盾构施工对地层扰动较小，对桥梁下部结构影响很小；孙雪兵[13]采用有限元软件ANSYS对盾构施工全过程进行模拟，分析了不同桩隧净距下盾构施工对铁路桥梁结构变形及地表沉降的影响规律。

随着我国近年隧道交通运输快速发展，隧道下穿桥梁工程案例也越来越多。隧道下穿对桥梁桩基产生的影响已有大量研究，但是对于相关解决措施的研究还相对较少。本文以某隧道盾构法施工为例，分析盾构掘进下穿桥梁过程中，对桥梁桩基产生的影响，并基于该影响提出相应的处理措施。

2 工程概况

某隧道长1 020 m，其中DK0＋225～DK0＋250段以双洞盾构的形式下穿桥梁桩基群。盾构隧道管片直径为6.0 m，厚0.3 m，注浆层为0.5 m。其中，左线隧道右侧距离桥梁桩基水平净距为3.6 m，右线隧道左侧距桥梁桩基最小水平净距为5.7 m。桥梁桩基为钻孔灌注桩，桩长45 m，隧道下穿桥梁桩基段地层主要为砂土层。新建盾构隧道与既有桥梁位置关系见图1。

图1 盾构隧道与既有桥梁位置关系(单位:m)

3 盾构下穿桥梁数值模拟

3.1 模型建立

计算模型中，土体、桥梁结构、管片和注浆层均采用实体单元进行模拟，采用接触单元模拟土层与桩基、桥梁与桥墩之间的相互作用。隧道埋深为28 m。模型前后左右边界施加法向约束，底部施加竖向位移约束，顶部为自由面。根据隧道与既有铁路桥梁桩基的位置关系，建立三维数值模型，见图2和图3。

图2 三维整体模型

图3 隧道与桩基相对位置

根据圣维南原理，模型范围取3～5倍洞径，模型尺寸为112 m×70 m×68 m(L×W×H)，桥面结构尺寸为75 m×10 m×2 m(L×W×H)。地层参数根据实际勘测资料取值，并假定不同地层均按照相应厚度水平层状分布。计算模型土体材料服从摩尔－库伦准则，桥梁、墩台桩基等结构物则视为弹性体。

在计算前，对整个模型进行初始地应力平衡，保证模型在自重应力场下达到平衡，通过命令流模拟土体开挖、施作管片及注浆，通过调整注浆层参数实现浆液的凝结硬化过程，通过设置注浆层厚度模拟浆液的作用范围。设置隧道开挖步数，以管片宽度作为一个施工开挖步，采取边开挖边施作管片支护，最后盾尾注浆，以此循环往复。

在计算时，用pile单元模拟桩基，因桩基础上方承受桥梁及列车荷载，所以在桩基顶面设置1 000 kN的集中荷载作为等效节点荷载，桩近似考虑为轴向加载桩。

3.2 土体及结构参数选取

隧道覆土层从上向下分别为素填土、粉质黏土、砂土、卵石土。桩端主要位于砂土，隧道穿越土层主要为砂土层。双线隧道管片材料相同，注浆层厚度一致。结构及土层物理参数选取见表1。

表1 计算参数

3.3 盾构隧道下穿对桥梁的影响

3.3.1 对桩基位移产生的影响

在盾构隧道下穿桥梁桩基时，存在一个影响分区，即盾构掘进到一定程度后，会对邻近的桩基位移造成影响；当盾构掘进超过该范围后，默认影响很小。此时就存在一个影响区域，当盾构开挖到这个区域时，就会对相邻桩基位移及受力造成影响，且越靠近对桩基影响越大。

提取盾构掘进过程的四个阶段，即盾构开始掘进、靠近桩基2D(D为隧道直径)、远离桩基2D、开挖完成这四个施工阶段下的模型整体位移云图，研究从盾构掘进开始至隧道盾构完成整个过程中，隧道的开挖对土层位移的影响。需要特别说明的是，该位移是提取的模型整体位移，能反映变形的发生程度，仅从研究位移变形扩展情况来看，整体位移更直观与适用。图4为盾构开挖过程中整体竖向位移云图。

图4 整体竖向位移

从盾构开挖进程位移云图可以看出:盾构开始掘进时，地层－结构模型整体最大位移为3.81 mm；盾构掘进靠近桩基2D时，整体最大位移为4 mm；盾构掘进远离桩基2D时，最大位移为3.94 mm；盾构开挖完成后，最大位移为4.15 mm。随着盾构掘进，模型整体位移趋势在不断增大。因此在盾构开挖过程中，需要边开挖边注浆支护，保证模型整体位移在掘进过程中处于可控范围。四个阶段下桩基位移云图如图5所示。

图5 桩基位移

在盾构掘进过程中，通过设置监测点来对桥梁桩基位移沉降进行记录。取中间桩基顶部某节点作为监测点，每开挖5 m记录一次，模型宽度为70 m，故有14个监测数据。绘制相应的沉降曲线图，桩基单元ID从上往下依次增大。再取中间某根桩基研究各阶段桩基沉降变形，如图6、图7所示。

图6 监测点沉降曲线

图7 各阶段桩基竖向位移

从桩基监测点沉降曲线和各阶段竖向位移曲线可以看出:(1)随着盾构不断向前推进，桩基的位移也在不断增大，至开挖完成后，桩基的位移达到最大为1.34 mm，远小于高铁桥梁桩基沉降限值要求6 mm。(2)桩身竖向位移呈“上大下小”的趋势，这是由于桩身压缩量的累计，导致上部桩身位移总是大于下部，因此上部桩侧摩阻力先于下部发挥出来，直至达到极限后，才开始逐渐调动下部桩侧摩阻力。故在盾构掘进过程中，需时刻监测桩基的位移，尤其是桩基顶部的位移，防止桩基上部结构在开挖过程中出现过大沉降，给列车运行带来极大安全隐患。

3.3.2 对桥梁桩基内力产生的影响

当盾构掘进到桩基附近时，周围土体因某侧土体临空而对该侧土体挤压，造成桩基于一侧发生偏移，此时对桩基所受外力进行分析，研究盾构隧道施工对桥梁桩基内力造成的影响。提取盾构开始掘进、靠近桩基2D、远离桩基2D、开挖完成四个阶段下的桩基轴力云图，如图8所示。

图8 桩基轴力云图

在开挖过程中，各开挖阶段桩基的轴力变化如图9所示。

图9 桩基轴力变化曲线

通过对桩基轴力云图进行分析，发现在盾构下穿时，随着盾构不断掘进，桩基的最大轴力在不断变化，在前两个阶段，桩基轴力变化缓慢，待开挖到远离桩基2D后，桩基最大轴力从桩顶单元变化到与盾构水平距离最近的桩侧单元。由桩基轴力变化图可知:桩基轴力基本呈现桩顶大、桩端小的趋势，第一、二阶段桩身轴力随深度逐渐减小，第三、四阶段出现桩身轴力先大后小，是因为盾构穿越桩基后会对桩基轴力造成影响，尤其是与桩基水平净距越小的单元，轴力影响越大。由于盾构与桩基土体相互挤压，造成桩侧摩阻力增大，使得桩底单元轴力减小。整体来看，各阶段均符合桩身轴力随深度明显减小的趋势。

以各阶段桩身轴力最大值作为研究对象，前两个阶段和后两个阶段桩基最大轴力几乎没有变化。但第二阶段和第三阶段相比，轴力相差500 kN，说明影响桩基轴力的区域在这两个阶段范围内，即前后距桩基2D范围内，盾构开挖对桩身轴力影响很大。这两个阶段可作为施工影响分区阶段，即盾构靠近或远离距桩基2D时，该区域下盾构施工会对桩基轴力造成较大影响，为强扰动区，该区域以外的其他区域为弱扰动区。当盾构掘进至强扰动区时，需要对周围土体采取相应的加固措施，保证桩基及上部结构稳定。当盾构掘进至桥梁桩基影响区域时，需控制盾构掘进速度及掘进姿态，保证盾构平稳安全通过该区域。