基于有限元模拟的盾构隧道侧穿引起桥梁桩基础变形分析

黄志增

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530200)

0 引言

目前，我国城市化进程不断加快，城市人口逐渐增加。城市人口的增加在一定程度上可以推进城市的经济发展，但同样也会加剧城市的负担[1]，最为明显的就是城市交通的压力增大，道路出行越来越难。为了改变这一现状，人们将目光转向地下空间与桥梁空间，建设了众多交通桥梁与地下隧道，减缓了地上交通的压力，延长了地上交通用地的使用寿命[2]。盾构隧道是较为常见的一种隧道施工类型，在一个金属外壳下进行施工作业，不仅可以隔绝周围土体，还可以在金属外壳保护下将隧道掘进变得更加简便。

根据盾构的截面形式，可以将其分为单圆、复圆和非圆三种形式。顾名思义，单圆盾构就是一个圆形的金属外壳结构；复圆盾构就是两个或三个圆形连接在一起的金属外壳结构；非圆盾构就是除了圆形之外的椭圆、矩形和马蹄形等金属外壳结构[3]。随着城市地下空间的建设，盾构隧道侧穿与地下空间相结合的现象越发普遍，由此引起的桥梁桩基础变形与地面沉降问题逐渐凸显[4]。针对上述问题，本文研究了基于有限元模拟的盾构隧道侧穿引起桥梁桩基础变形这一课题，通过对桩基承载力和地层等方面的分析，研究隧道侧穿对桥梁上部结构的影响，为隧道与桥梁的研究提供理论依据。

1 工程概况

本文以某工程盾构隧道为例，对盾构隧道侧穿引起桥梁桩基础变形情况进行分析。该工程是一个地下隧道区间，位于两个市中心站点的街区下方，呈南北走向，侧穿同街区的高架桥匝道桥。该盾构隧道的起止里程为DM3+662.321～DM4+342.658，线路全长1 266.124 m[5]。该隧道埋深为15.6～16.1 m，隧道拱顶处地层主要以粉质黏土与细砂组成。拱顶处的施工建设较难，承载力需要尽可能地加大。在盾构隧道DM3+852.143处设置了一个联络通道，可以在信号较弱的情况下，发出联络信号，沟通地面与隧道，保证隧道内的人员安全。

该隧道采用盾构法进行施工，采用土压平衡盾构机，将钢筋混凝土管片衬砌，管片内径、结构厚度和宽度等参数根据实际建设情况进行调整，以减少施工材料对隧道建设的影响[6]。盾构隧道侧穿同街区的高架桥匝道桥为Ⅰ级风险源。该桥桩基础的桩长为27.5 m，桩径为0.7 m，桩顶距离地面约4.5 m，承台高约1.5 m。桥梁桩基处为砾石层，隧道建设主要会影响砂土和粉质黏土等区域，使桥梁桩基下的地层出现失稳现象，影响桥梁的稳定性。盾构隧道中心线距离桥墩的距离为2.0 m，隧道拱顶距离桩顶约6.26 m，易出现桥梁桩基础变形情况。

2 试验准备及过程

盾构隧道侧穿高架桥施工过程中，依次会经过杂填土、素填土、粉质黏土、粉细砂、中砂、细砂、粗砂、粉土、卵砾土、中粗砂和中细砂等层面，且盾构隧道在中砂层-粉土层区域施工。相关地层的参数如表1所示。

表1 某工程盾构隧道地层参数表

由表1可知，该工程盾构隧道地层岩土类型较多，其中，杂填土和砂土的粘聚力较差，重力较轻，在施工过程中是较难处理的问题[7]。由于中砂、细砂和粗砂的粘聚力为0，在施工过程中，更容易分散隧道承载力。该工程盾构隧道在此区域施工，侧穿高架桥匝道桥的结构主要为桩基础、承台、桥墩、桥板、管片以及盾壳。侧穿施工前，对相关参数进行计算：

(1)

(2)

(3)

式中：P(t)——结构材料的弹性模量(GPa)；

Pmax、Pmin——相关材料的最大承载力与最小承载力；

t——常数；

s、i——结构材料的宽度与厚度(m)；

Ss——结构材料的泊松比；

Gv——地面沉降量；

Fz——结构材料的重度(kN/m3)；

fz——隧道中线到桥梁结构之间的力学参数；

δv、δT——隧道到桥梁结构的中心深度与时间系数。

将隧道施工的相关数据带入式(1)～(3)中得出：桩基础的弹性模量为30.02 GPa，桩径厚度与宽度保持一致，均为1.20 m，重度为23.12 kN/m3；承台的弹性模量为34.28 GPa，厚度为2.01 m，重度为26.52 kN/m3；桥墩的弹性模量为34.25 GPa，厚度为1.20 m，重度为26.68 kN/m3；桥板的弹性模量为34.31 HPa，厚度约为1.00 m，重度为23.32 kN/m3；管片的弹性模量为30.12 GPa，厚度为0.31 m，重度为25.55 kN/m3；盾壳的弹性模量为250.08 GPa，厚度为0.05 m，重度为78.12 kN/m3。由此得出，桥梁结构主要材料的泊松比一致，均为0.21，盾壳的承受力最大，弹性模量相对较高。在此条件下，本文利用有限元模拟方法，将盾构隧道进行网格划分，如图1所示。

图1 盾构隧道的网格划分云图

由图1可知，地层是半无限土体，模型与实际隧道情况基本一致，其自重、掘进压力、注浆压力等边界条件均考虑在实际网格划分的范围内，可以对有限元模型各个方向的边界施加约束作用。当施工环境改变时，可以通过改变网格划分，实现施工前属性变化的目的，进而保证对盾构隧道的全方位掌控[8]。在隧道施工阶段，每掘进一个开挖段需要激活下一处开挖段，通过模拟掘进压力的迁移，即可了解盾构推进过程中桥梁桩基础的变形情况。

3 试验结果与讨论

在上述试验条件下，本文对盾构隧道掘进方向的最大偏移值进行分析。一般情况下，盾构隧道侧穿施工过程中会引起桩基水平位移、承台竖向位移的情况，需要对二者进行动态监测。根据有限元模拟的数据，桩基水平位移的变化情况如表2所示。

表2 桩基水平位移变化情况表

由表2可知，桩基深度从0 m开始逐渐加深，深入到45.642 m后停止。在此过程中，桩基的水平位移从0.028 m开始增加，随着桩基深度的加深，桩基的水平位移也逐渐增加。桩基深度达到45.642 m时，水平位移为0.062 m。在相同条件下，承台的竖向位移情况如表3所示。

表3 承台的竖向位移变化情况表

由表3可知，开挖距离为0 m时，承台的竖向位移为5.521 m，此时的竖向位移为承台的基础值。开挖距离开始从0 m向120 m推进时，竖向位移也开始增加，当开挖距离达到120 m时，承台竖向位移与基础值之间相差4.347 m，承台更容易出现不均匀沉降的现象。此时，地层损失与桥梁稳定系数之间的关系式为：

(4)

Sm=εi·Mc

(5)

式中：Mc——地层损失数据；

Ms——隧道支护压力；

Ns——隧道竖向压力；

Sm——结构材料的竖向位移基数；

εi——结构材料的水平位移系数。

由式(4)～(5)可知，桥梁桩基础变形与桩基水平位移、承台竖向位移有关，故减少位移变化，就是减少地层不均匀沉降的过程，进而减少桥梁桩基础变形情况。

4 结语

在盾构隧道侧穿施工的过程中，桥梁桩基础部位会产生较大的水平位移与竖直位移。随着桩身的加深以及盾构开挖距离的不断推进，桩基的水平位移会不断增加。同样，随着盾构开挖距离的加深，承台的竖向位移也会相应增加。由于水平位移与竖向位移的变化，会导致桩基和承台发生不均匀沉降的现象，进而导致桥梁桩基础变形。因此，在盾构隧道施工的过程中，需要对桥梁相关结构的水平位移与竖向位移进行全周期监测，减少桩基、承台发生不均匀沉降的现象，进而减少桥梁桩基础变形的情况。

近些年来，在广泛使用地下空间的趋势下，盾构隧道侧穿与地下空间相结合的建设方式越来越普遍，桥梁桩基础变形的问题也越来越严重。基于此，本文研究了基于有限元模拟的盾构隧道侧穿引起桥梁桩基础变形分析这一课题。通过分析某工程的实际情况，了解桥梁桩基础变形的原因，并找出相关解决方案，为城市隧道工程与桥梁工程的建设提供研究方向。