超大直径盾构下穿河流桥段影响研究

姚晓励 刘飞 张伟

北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

引言

伴随着城市建设飞速发展，地上可利用空间日益缩减。盾构法隧道由于对地面交通影响较小，施工过程中噪音和扰动较小等优点，已成为解决城市核心区交通拥堵的主要途径。由于隧道选线受多方因素，有时不可避免需穿越河流桥段。隧道掘进将对河流地层造成扰动，进一步使得地层、桥梁基础以及其他市政建构筑物的变形和应力发生变化，进而影响河流桥段建构筑物的安全运营。

陈孝琼［1］基于实测数据和数值模拟分析了地铁盾构隧道下穿河流时，覆土深度以及掘进参数对地层变形的影响。白杨［2］结合郑州地铁5 号线工程实例，分析了盾构在富水砂层中下穿河流的沉降原因，并提出了相关措施。郭涛［3］提出了盾构隧道在穿越江河时覆土层最小埋深的改进计算方法，考虑了隧道掘进过程中，土体自身剪切作用对抗浮的贡献。易小明［4］通过地层变形实测与三维流固耦合数值模拟分析了地下水作用和地层变形的机制，说明围岩、地下水与施工控制是海底隧道的核心要素。晏胜荣［5］分析了大直径土压平衡盾构下穿河流的施工风险，对其进行风险评估并提出相应控制措施。吴世明［6］分析了水底盾构隧道下穿堤防时的风险源，并提出了合理可行的风险控制及处理措施。彭坤［7］建立三维数值计算模型，模拟了盾构下穿立交桥梁桩基的过程，对地面沉降以及桩基的变形进行了分析。郑熹光［8］采用数值分析方法研究了盾构隧道对邻近桥梁桩基的变形和应力影响。郭玉海［9］通过数值模拟建立了盾构下穿高架桥的计算模型，并通过室内试验和实测数据得出适用于盾构下穿高架桥的掘进参数。对于超大直径泥水平衡盾构下穿包含河流、箱涵及桥梁的复杂河流桥段时所引起的变形及应力研究较少。

1 工程概况

该工程为城市公路隧道，上下双向4 车道，设计时速为60km。隧道采用直径15.8m 的泥水平衡盾构机进行修建。管片外径为15.2m，内径13.9m，环宽2m，采用7 ＋2 ＋1 分块形式，错缝拼装。

盾构隧道下穿河流、既有箱涵以及桥梁桥桩。河流宽约45m，河底标高－1.86m，距离盾构顶约22.5m ～23.5m。既有箱涵底部深约8m范围内采用搅拌桩加固，桩底标高为－10.88m，距离盾构顶约13m。斜穿桥梁桥桩处隧道覆土约29m，直接下穿的桥桩有20 根，近距侧穿有8根，桩径均为1.2m，最不利位置处桥桩至盾构结构顶距离为3.8m。

既有建筑物与盾构隧道的平面位置关系如图1 所示。盾构隧道与既有箱涵的竖向位置关系如图2 所示。盾构隧道与桥梁部分桩基础的竖向位置关系如图3 所示。

图1 隧道与河流桥墩平面位置关系图Fig.1 The relationship of plane position between shield and river bridge

图2 Ⅰ-Ⅰ剖面隧道与既有箱涵竖向关系图（单位： m）Fig.2 Profile of the relationship between shield and existing box culvert（unit：m）

图3 Ⅱ-Ⅱ剖面隧道与桥梁桥桩竖向关系图（单位： m）Fig.3 Profile of the relationship between shield and bridge pile foundation（unit：m）

根据地勘结果，该段场地地层自上而下主要为素填土、细粉砂①、淤泥质黏土、粉细砂②、硬塑状残积土、硬塑状残积土、全风化变质砂岩和强风化变质砂岩。

2 数值分析

2.1 模型简介

根据隧道与河流、桥梁以及箱涵之间的相互位置关系，结合场地地质条件，利用Midas GTS NX建立了该段影响区域的三维有限元模型。其中盾构隧道共下穿两个桥台和两个桥墩的桩基础，为简化计算模型，只建立下穿影响范围最大的西侧桥台和桥墩桩基础和承台，忽略桥梁上部结构。所建模型如图4a所示。各建构筑物相对位置关系见图4b。为避免边界效应的影响，模型中地层的左右边界取的都是隧道边线加3.5 倍的开挖直径，下边界为隧道边线加2 倍开挖直径，上边界是河床面，纵向前后边界均取距离既有结构边线约40m。故模型尺寸为x×y×z＝120m×100m×80m，除地层顶面（河床面）与桥桩承台顶面为荷载边界条件外，其余均为位移边界。地层底面施加固定约束，其余四个侧面均施加法向位移约束。

图4 建筑区域模型及网格划分图Fig.4 Building model and mesh diagram

2.2 材料参数设定

土体采用弹塑性本构模型，屈服准则满足Mohr-Coulomb强度准则。隧道衬砌为C60 混凝土预制管片，桥桩基础和截流箱涵均为C30 混凝土结构，混凝土、盾壳钢材和注浆体材料均采用弹性本构模型。地层、箱涵以及注浆体均采用实体单元模拟，桥桩采用梁单元并与地层间建立接触单元，桥台与桥墩承台、管片以及盾壳均采用壳单元模拟。为简化计算模型，模型将箱涵底部水泥搅拌桩处土层参数（黏聚力、内摩擦角）提高20%以模拟水泥搅拌桩。模型所用各材料物理力学参数见表1。各种材料参数根据地质勘探报告和同地区已有类似研究文献选取。

表1 材料物理力学参数表Tab.1 Physical and mechanical parameters of materials

2.3 施工参数模拟

1.盾构掘进参数

掌子面掘进推力P根据如下经验公式计算：

式中：K0为静止土压力系数，取0.5；γ′是土的有效重度；H为隧道拱顶上覆土厚度（m）；pw为水压力；20kPa为波动压力。

考虑盾构掘进过程中进浆比重为1.2t／m3，故掌子面压力梯度为12kPa。盾尾注浆压力视作掌子面支护力的1.2 倍。计算得：掌子面掘进推力约为470kPa，盾尾注浆压力为564kPa。

2. 结构荷载参数

水压力按河流设计水位自动计算。考虑桥梁上部结构传递给桥梁基础的荷载，经计算取桥台和桥墩的桩基础承台荷载分别为21.48kPa 和86.81kPa，同时施加自重荷载。

3.土体损失

由于地质条件不同，盾构掘进过程中所引起的地层损失率不同，数值分析控制在0.1%到0.3%之间。其中，岩性较好的地层中的地层损失率较低。此模型中考虑盾构隧道穿越强风化变质砂岩，岩性较差，因此地层损失率可取0.3%。

2.4 掘进过程模拟

通过钝化开挖区土体和激活支护单元的方式模拟盾构掘进的开挖与支护。以每一环作为一个施工步骤，共50 环，管片宽度为2m。具体施工步骤见表2。

表2 数值模拟主要施工步骤Tab.2 Construction steps of numerical simulation

3 模拟结果分析

3.1 地表沉降

盾构隧道掘进通过河流且地层变形趋于稳定后，沉降云图如图5 所示。由图可知，隧道掘进通过后的土层沉降具有明显的三维特征。隧道上方土体产生不同程度的沉降，隧道下方土体由于土体的开挖卸荷而产生回弹变形。并且土体的竖向变形随着距隧道轴线距离不同和沿隧道轴线方向的位置不同也有所变化。

图5 整体沉降云图（单位： m）Fig.5 Deformation nephogram（unit：m）

盾构隧道轴线正上方地表的最终沉降曲线如图6 所示，从图中可以看出：桩基区域地表最终沉降要大于其余区域地表沉降，表示盾构穿越过程中桥梁桩基础对地表沉降具有一定的影响。且桥台桩基础位置处的地表沉降较桥墩桩基础处的地表沉降大，两处最终沉降值分别为8.30mm和5.70mm。

图6 隧道轴线正上方地表最终沉降Fig.6 Surface settlement above the tunnel axis

图7所示为桥台桩基位置处横断面（图5 中Ⅲ-Ⅲ剖面）地表的最终沉降曲线。曲线显示地表最终沉降最大值发生在隧道轴线正上方，随着距隧道轴线距离增大，沉降逐渐减小。沉降影响范围为隧道轴线左右两侧各约20m，共40m（2.5 倍盾构直径）。

图7 桥台桩基位置横截面地表最终沉降Fig.7 Surface settlement at the cross section of abutment pile foundation

3.2 桥梁桩基分析

1.桥梁桩基应力分析

图8所示为桥桩基础最终应力云图，从云图中可以看到桩基础最大压应力发生在墩3 承台基础中部，最大压应力值为8.57MPa。

图8 桩基础最终应力云图（单位： kPa）Fig.8 Stress nephogram of pile foundation（unit：kPa）

图9所示则为桩基础最大压应力所在位置附近节点所受压应力在施工过程中的变化曲线，曲线显示初始桩基所受压应力比较稳定，当盾构隧道下穿至其下方时，压应力开始增大，通过后则渐渐趋于稳定。

图9 桩基最大压应力随施工过程变化曲线Fig.9 Variation of maximum compressive stress of pile foundation with construction process

2.桥梁桩基竖向位移分析

盾构掘进通过后的桥梁桩基础最终沉降云图如图10 所示。以每个桥梁桩基承台四个角点的竖向位移平均值作为相应承台的沉降值，得到各承台的沉降值随施工变化曲线，如图11 所示。

图10 桥梁桩基础最终沉降云图（单位： m）Fig.10 Settlement nephogram of bridge pile foundation（unit：m）

从图7和图10 中可以看处：盾构下穿过程中桥梁桩基承台会发生竖向位移。结合图1 可知最大沉降发生在隧道轴线上方，且随着距隧道轴线距离增加而逐渐减小。台1 ～台4以及墩1的竖向位移都是随着盾构的推进先期有略微的向上隆起，随后又发生沉降，最终又会有略微的向上隆起。该过程中最大沉降发生在台2，其值为7.34mm，而墩2 ～墩4 在施工过程中始终都是向上隆起，最大隆起发生在墩4 上，其隆起值为1.67mm。

3.桥梁桩基水平位移分析

同样，以承台四个角点的水平位移表示相应承台的水平位移，并计算得到各承台的总水平位移，如图12 为各承台总水平位移值随施工过程的变化曲线。从图12 中可以看出施工过程中最大水平位移发生在台4 上，其值为2.31mm。

图12 桥梁桩基承台水平位移随施工过程变化曲线Fig.12 Variation of horizontal displacement of bearing platform of bridge pile foundation with construction process

3.3 箱涵分析

1.箱涵应力分析

图13所示为箱涵最终应力分布云图，从图中可以看到盾构下穿过程中箱涵所受最大压应力出现在最北端截面上部，其压应力值为2.52MPa。

图13 箱涵最终应力分布云图（单位： kPa）Fig.13 Stress nephogram of box culvert（unit：kPa）

2.箱涵位移分析

如图14 和图15 所示分别为箱涵最终沉降和最终总位移云图，云图显示箱涵最大沉降和总位移均发生在箱涵中部，最大沉降量和总位移分别为5.55mm和5.91mm。从图15 中还可看出箱涵两端略有隆起，最终隆起值为3.38mm，由此可以计算得到箱涵的倾斜率为0.15‰。图16 为箱涵最大位移随施工过程的的变化曲线，给出了各个阶段箱涵的最大位移。

图14 箱涵最终沉降云图（单位： m）Fig.14 Settlement nephogram of box culvert（unit：m）

图15 箱涵最终总位移云图（单位： m）Fig.15 Displacement nephogram of box culvert（unit：m）

图16 箱涵最大位移随施工过程变化曲线Fig.16 Variation of maximum displacement of box culvert with construction process

5 结语

本文依托于某大直径泥水平衡盾构下穿河流桥段工程，通过建立地层-隧道-建／构筑物三维有限元模型，分析了盾构掘进对地表、桥梁桩基以及箱涵的位移影响，同时对桥梁桩基和箱涵的应力进行了分析研究，得到以下结论：

1.施工引起地层最大沉降点分布在隧道拱顶，最大沉降值约为17.0mm；地表最大沉降发生在桥台桩基础所在位置河床面，最大沉降值约为8.30mm。

2.隧道下穿过程中桩基础最大压应力逐渐增大至盾构通过，最大压应力值为8.57MPa，发生在墩3 承台基础中部；桥梁基础承台最大沉降发生在盾构轴线上方，位于台2，其值为7.34mm，最大隆起发生在墩4 上，其隆起值为1.67mm。桥梁基础承台最大水平位移发生在台4 上，其值为2.31mm。

3.施工引起的箱涵所受最大压应力出现在最北端截面上部，其压应力值为2.52MPa；箱涵最大沉降和最大总位移均发生在箱涵中部，最大沉降量和总位移分别为5.55mm 和5.91mm。箱涵两端略有隆起，最终隆起值为3.38mm，由此可以计算得到箱涵的倾斜率为0.15‰。［1］ 陈孝琼.盾构隧道下穿河流引起的地层变形规律研究［D］.北京交通大学，2018