盾构隧道施工对邻近立交桥地层及桩基的变形影响

汪云刚

（浙江明康工程咨询有限公司，浙江 杭州 310000）

引言

由于地面交通错综复杂，在城市建设过程中隧道不可避免地会侧穿既有立交桥桩基，当隧道与立交桥桩基距离较近时，可能会对既有桩基产生不利影响。因此，研究隧道施工过程中邻近立交桥桩基的变形规律以及如何采取防护措施具有重要意义。近年来，国内学者进行了一些研究，凤霞和赵俊等[1-2]采用理论分析与数值模拟相结合的方法，重点研究了盾构隧道开挖引起地表变形以及对邻近桩基的扰动影响，得到了不同情况下开挖面推进引起桩基顶部沉降，并利用有限元软件分析桩基轴线距隧道中心线之间的距离对不同桩身长度的影响；董必成和伍廷亮等[3-4]通过建立数值计算模型，重点研究了桥梁桩基施工对邻近地铁盾构隧道的影响规律，结果表明整个施工过程中隧道竖向位移和水平变形均满足相关变形控制的要求；陈发东和任建喜等[5-6]以某盾构隧道下穿既有机场线桥桩施工过程为研究对象，采用数值模拟的方法对盾构施工造成临近桩基及土体变形的响应进行了研究，重点分析了盾构掘进对既有桩基变形及沉降的影响机理，并对盾构引起周围土体变形破坏区变化规律和变化形态进行了详细研究。

1 工程概况

某地铁隧道工程下穿某立交桥桩基工程，隧道外径为6 m，衬砌厚度为0.3 m，隧道埋深为8.8 ～13.6 m，本研究段隧道埋深约11 m，采用盾构机施工。桩基长为42 m，该位置处立交桥断面上共有6 根桩基，分两排布置，每排3 根，两桩基之间水平距离为3 m，竖向距离为3.5 m，桩的直径为1.3 m，采用钻孔灌装法施工，其中最右侧桩基与隧道左线左边界距离4 m，两隧道中心间距为12.5 m，其中桩基采用C30 混凝土，隧道衬砌采用C50 混凝土。为了减小隧道施工对立交桥桩基的影响，拟采用袖阀管进行隔离施工，袖阀管设计长度取22.2 m，管径取1.6 m，间距为1.5 m，共设置9 根，隔离长度共13.5 m，位置关系见图1。

图1 位置关系

2 数值建模

采用大型有限元软件Midas/GTS 建立的数值模型见图2。

图2 数值模型

建模时，模型的长、宽、高分别取为80 m、50 m和55 m，研究断面的隧道的中心埋深约为11 m，隧道直径为6 m，除模型上边界外，模型左右、前后边界以及底部均进行位移和边界约束。研究区域内主要土质包括有填土、粉质黏土和灰岩层，厚度依次为2 m、5 m、11 m、13 m 和24 m。桩基长为42 m，桩的直径为1.3 m，袖阀管长度取20 m，管径取1.6 m，间距为1.5 m。承台尺寸长宽高分别为10 m、6.5 m 和4 m。衬砌厚度为0.3 m，衬砌背后注浆用注浆等代层模拟，等代层厚度取0.3 m。土体的本构模型均采用摩尔- 库伦本构模型，建模时各部件均采用实体单元。土体的物理力学参数见表1，衬砌、桩基以及注浆材料等相关参数见表2。

表1 土体的物理力学参数

表2 隧道衬砌及注浆材料力学参数

3 数值结果分析

3.1 地层竖向位移分析

采用袖阀管加固前后地层竖向位移见图3。

图3 加固前后地表竖向位移曲线

由图3 可知，隧道上部土体发生沉降，在拱顶位置处沉降量最大，下部土体发生隆起，最大隆起发生在拱底处。未采取加固措施时，土体最大沉降值为44.7 mm，为右侧隧道拱顶处；采用袖阀管隔离措施后，土体最大沉降值为36.6 mm，也在右侧隧道拱顶处，采用袖阀管隔离措施相比于未加固时土体最大沉降减小了18.1%，采用22.2 m 袖阀管注浆加固后，地层沉降曲线发生明显减小，说明采用袖阀管注浆加固隔离措施，可以一定程度上减小地层沉降。

3.2 地层水平位移分析

采用袖阀管加固前后地层水平位移见图4。

图4 加固前后地表水平位移曲线

由图4 可知，隧道两侧土体发生水平位移，在隧道拱腰右侧位置处发生向左方向水平位移，隧道拱腰左侧位置处发生向右方向水平位移，即隧道发生水平挤压变形。未采取加固措施时，土体最大水平位移值为24.8 mm；采用袖阀管隔离措施后，土体最大水平位移值为22.1 mm，采用袖阀管隔离措施相比于未加固时土体最大水平位移减小了10.9%。另外，在袖阀管注浆加固后，水平曲线发生明显的减小，对于左线和右线，最大水平位移分别减小了7.1 mm和2.7 mm，说明采用袖阀管注浆加固隔离措施后，可以一定程度上减小地层水平位移，尤其是左线隧道周围。

3.3 加固前后桥墩沿深度方向水平位移分析

由于隧道是侧穿立交桥桥墩，桥墩的水平位移对于立交桥的整体稳定性至关重要。图5 给出了采用22.2 m 袖阀管注浆加固前后桥墩沿深度方向水平位移曲线，桥墩取最靠近左线隧道1#桥墩。

图5 加固前后桥墩沿深度方向水平位移曲线

由图5可知，桥墩发生偏向隧道方向的水平位移。无加固措施时，桥墩最大正水平位移值为22.6 mm，而采用22.2 m 袖阀管注浆加固前后桥墩最大正水平位移值为12.1 mm；无加固措施时，桥墩最大负水平位移值为5.3 mm，而采用22.2 m 袖阀管注浆加固前后桥墩最大正水平位移值为3.7 mm。采用22.2 m 袖阀管注浆加固后，最大正水平位移值最大负水平位移值分别减小了46.5%和30.2%，说明采用袖阀管注浆加固后，可以明显地减小桥墩的水平位移，起到较好的隔离作用。

4 结语

（1）采用袖阀管注浆加固后，地层沉降曲线发生明显减小，最大沉降值减小了18.1%，说明采用袖阀管注浆加固隔离措施后，一定程度上减小了地层沉降。（2）采用袖阀管注浆加固后，水平曲线发生明显减小，最大水平位移减小了10.9%，说明采用袖阀管注浆加固隔离措施后，一定程度上减小了地层水平位移，尤其是左线隧道周围。（3）采用袖阀管注浆加固后，桥墩最大正水平位移值最大负水平位移值分别减小了46.5%和30.2%，说明采用袖阀管注浆加固后，明显减小桥墩的水平位移，起到较好的隔离作用。