叠线盾构隧道下穿既有桥桩体系的影响分析

王明明， 张 天， 贺荣流， 刘尚旭

(1.中国水利水电第四工程局有限公司，广东深圳 518052；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重实验室，四川成都 610031)

近年来，我国城市建设发展迅速，造成城市地下空间越来越拥挤。城区内存在大量高层建筑和高架桥，建筑和桥梁桩基础深入地下，难免对隧道施工产生一定的干扰。当地铁隧道线路与既有桩基础位置冲突时，往往采用桩基托换技术进行处理[1-3]。即施作托换桩和托换梁并对既有桩基础作截桩处理，使得隧道顺利通过新的桩基托换结构。

对于隧道穿越既有桥梁桩基问题，国内学者开展了大量研究工作。杨国宝等[4]针对某双线盾构隧道近距离侧穿铁路高架桥的工程实际，采用围护桩加固方案并分析其加固效果；沈建文等[4]研究了盾构隧道施工对临近桥桩的影响，结合现场监测分析了数值方法对预测隧道施工引起桥桩沉降和桩体侧移的有效性；袁胜祥[6]分析了隧道开挖对于托换桩剩余承载力的影响；廖晨等[7]以上海长江西路越江工程为依托，研究了穿越过程中相邻单桩的位移影响。

目前学界关于地铁穿越桩基的研究大多依托于左右双线盾构隧道的工程实际，针对叠线盾构隧道开挖对桥梁桩基的影响研究较少，叠线盾构隧道多采用先开挖下洞后开挖上洞的施工顺序，且下洞开挖后上洞隧道开挖会对桥梁桩基的侧摩阻力产生二次扰动，受桩基础承载区的影响，桩基础附近的隧道结构将产生一定的应力集中效应[8]。鉴于此，本文以深圳地铁7号线笋岗站～洪湖站叠线盾构隧道侧穿桥梁桩基为工程依托，基于ANSYS有限元软件对盾构隧道穿越桩基础施工进行模拟，以研究盾构顶进施工对桥桩托换体系的影响，同时对比不同顶推力作用下桩基础的变形情况，论证新建的桥桩体系的合理性和安全性。

1 工程概况

1.1 桩基托换概况

深圳地铁7号线三期工程笋岗站—洪湖站区间双线盾构隧道，在DK26+968—DK27+052处沿彩虹桥西侧引桥下穿过，受其影响，彩虹桥引桥有2处桥台，6处桥墩承台，共计16根桩基被托换，采用主动托换方式处理，托换桥墩(台)与区间线路的位置关系见图1。深圳彩虹桥为下承式系杆拱桥，被托换的桥梁桩基础长26m，桩径φ1.6m，承台尺寸为5.2m×5.2m×2.2m，承台处采用4根φ1.5m钻孔灌注桩作为托换桩，桩长25.9～29m，托换梁采用“井字形状”结构，主托换梁(简支)为13m×2.5m×2.5m，次托换梁(固接)为9.4m×2.5m×2.0m。

图1 托换桥墩(台)与区间线路平面位置关系

盾构隧道区间DK26+725.9～DK27+230段为小净距重叠段，分上下两线掘进，管片衬砌外径6m，两线相距5m，在穿越桩基托换体系位置处，上下两线隧道距离最近的桩基3m，盾构隧道下穿桥梁桩基纵断面位置关系如图1所示。

1.2 工程地质与水文地质条件

根据地质资料显示，本工程地层从上至下依次为素填土、粉质黏土、砂质黏土、全风化混合岩、强风化混合岩、中风化混合岩、微分化混合岩。地下水主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水。孔隙水主要赋存在表层人工填土层、冲洪积砂层和残积的砂质黏性土中，略具承压性，基岩裂隙水赋存于强风化及中等风化岩中，具承压性。地下水位埋深1.6～3.6m。

2 计算模型与参数确定

2.1 模型建立

实际工程中，托换施工涉及4处基坑(0#、1#、2#、3#)，为简化模型节省计算资源，仅分析2#基坑30m跨的标准墩台模型。根据圣维南原理，模型范围取3～5倍洞径。根据深圳地铁7号线与桩基托换后桥桩体系的位置关系，建立三维数值模型，见图2。

图2 三维数值模型

计算模型中，土体、桥梁承台、托换结构、管片、注浆层均使用带中间节点SOLID95实体单元进行模拟，土体材料服从Drucker-Prager破坏准则，其余单元采用线弹性本构模型。由于实际工程中桩体和土体有接触，所以将桩基础设置为摩擦端复合桩，使用接触单元模拟桩土作用，单元为Contact170和Target173。

对模型前后两面施加z方向约束；对模型左右两侧施加x向约束；对模型底部施加y向约束，地表为自由面。

2.2 荷载步与工况设置

被托换结构为深圳市彩虹桥，由于数值模型为简化模型，未建立桥梁上部结构，将其等效为集中荷载并施加于桥墩柱，经计算后施加到单个墩柱上的平均荷载为2 717.3kN/m2。按照工程实际，数值模型采用“先下洞后上洞”的掘进方法，通过控制单元生死来模拟盾构的掘进，在掌子面施加面压力来模拟盾构机顶推力，比选的顶推力为0.1MPa、0.3MPa、0.6MPa、1.0MPa，共计4个工况，通过研究不同顶推力作用下桥梁桩基础的变形情况，论证新的桥桩体系的合理性和安全性。

每个工况设置10个荷载步，包括初始地应力平衡、施加桥梁上部荷载以及8个开挖步，荷载步设置详情见表1。

表1 荷载步设置情况

使用ANSYS“单元生死”的功能模拟隧道开挖，开挖进尺为6m，每个开挖步里设置2个计算步，第一个计算步模拟开挖、施加盾尾注浆压力；第二个计算步模拟管片衬砌和注浆层硬化。

2.3 计算参数选取

施工中盾尾注浆压力为0.15MPa，注浆层厚度0.2m，地层参数、托换桩等结构的物理力学参数见表2。

表2 材料物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 既有桥桩变形

以顶推力为0.3MPa的工况为例，分析隧道开对既有桥桩体系的影响情况.为了更直观地研究桩基托换完成后重叠段盾构隧道开挖对新的桥桩体系的影响，提取彩虹桥未作截桩处理的A、B、C、D4根原桩以及承台的位移和应力数据， 从原桩基顶面竖向位移、竖向应力、承台顶面竖向位移3个角度进行对比分析。

桩基承台标号详情见图3，其中桩A、C位于距离盾构始发(Z=0处)较近的一侧，桩B、D位于较远一侧。

图3 桩基承台编号示意

3.1.1 桩顶竖向位移

盾构隧道施工会对桩基产生以沉降为主的附加变形，最大沉降往往发生在桩顶处[9]，提取桩基顶面竖向位移如图4所示。随着桥梁上部荷载的施加(TIME2)，桩顶位移发生突变。下洞掘进过程中，桩顶竖向位移逐渐增加，桩基产生约2mm的竖向沉降；上洞掘进过程中，桩基平均下沉1.50mm，同下洞开挖相比所造成的沉降较小，天桥原桩沉降量接近3.5mm，小于5mm的沉降控制标准值[10]。

图4 桩基顶面竖向位移

3.1.2 桩顶竖向应力

天桥原桩A、B、C、D不同施工阶段下桩基竖向应力变化趋势见图5，从图中可以看出：

(1)接近盾构始发(Z=0m)一侧的桩A、C应力值大于远离盾构始发一侧的桩B、D，差值约为0.4MPa，经分析认为，过大的盾构推力对开挖面土体产生挤压，并扩散至邻近桩基，对其应力有限制影响[10]。

(2)下洞掘进过程中桩基竖向应力值变化较为明显，开挖完毕后平均每根桩基竖向应力增加0.47MPa，而上洞开挖完毕后4根桩基竖向应力平均增加0.14MPa，表明下洞隧道施工对桩基造成的扰动影响较大。

图5 桩基顶面竖向应力

3.1.3 承台顶面竖向位移

不同施工阶段下承台顶面竖向位移如图6所示，施工过程中承台顶面竖向位移逐渐增加，下洞和上洞开挖完毕后承台顶面竖向位移分别增加了1.72mm和1.50mm，下洞隧道的开挖对承台沉降的影响较大，叠线隧道开挖完成后承台总沉降值为3.22mm，满足桥墩变形控制标准要求。

综上，叠线盾构隧道施工过程中，相比于上部隧道，下部隧道开挖对桩基变形、承台竖向位移的影响更为显著。

图6 承台顶面竖向位移

3.2 不同顶推力下桥桩体系变形

在分析隧道开挖对桥梁桩基和承台具体影响的基础上，研究顶推力对既有桥桩体系的影响，对于优化盾构施工参数具有重要的意义。盾构隧道开挖过程中造成的地层损失会降低地基土体的地层抗力，从而桥梁桩基会在隧道一侧产生水平位移[7]。

以天桥原桩A为分析桩基，仅分析桩身某处在不同顶推力下的水平位移变化规律。原桩A上点E靠近上下2条隧道的中间位置，周围土体受隧道开挖扰动影响较大，故选该点为参考点，提取水平位移，见图7。

图7 不同顶推力下桩身水平位移

从图7可知，在不同顶推力作用下，随着盾构隧道的掘进，桩身水平位移逐渐增加，隧道开挖完成后桩身最大水平位移为0.8mm，满足桥桩变形控制标准要求。隧道穿越桩基附近(TIME5、TIME13)，才会对桩身的水平变形产生明显影响，可以看出桩基水平位移受与隧道开挖面的距离控制，且顶推力越大，相应的桩基水平位移越大，隧道开挖通过桩基础后，桩基上的水平位移变化趋向稳定。

提取不同顶推力作用下的承台顶面竖向位移、承台上两桥墩柱的竖向位移差值，以及桩身的竖向应力，见表3。从表上数据可以看出，随着顶推力的增大，承台竖向位移越大，4个工况下位移相差不超过1mm；由于未建立上部桥梁结构，从两侧桥墩柱的竖向位移可分析出桥梁横向倾斜情况，在不同顶推力作用下，左右两侧桥墩柱竖向位移差相差不大，说明顶推力对桥梁侧倾的影响较小。

表3 不同顶推力下桥桩体系变形情况

综合分析，顶推力增大后既有桥桩体系的沉降以及上部桥梁的倾斜会有微小增加，隧道开挖时顶推力参数的变化对既有桥桩体系的影响较小，实际施工时掘削面的顶进压力为0.3MPa。

4 结束语

本文针对深圳地铁7号线盾构隧道穿越既有桥桩体系这一典型工程案例，研究了重叠盾构隧道施工对桩基托换后的桥桩体系的影响，得到主要结论：

(1)深圳市彩虹桥经桩基托换后形成的桥桩体系的变形以沉降变形为主，在根据实际工程参数模拟的工况下(即顶推力为0.3MPa)，彩虹桥原桩以及桥墩承台发生了不同程度的沉降，桩平均下沉量为3.5mm，承台沉降值为3.22mm。

(2)通过分析叠线盾构隧道开挖过程中桩基和承台的变形情况发现：相比于上部隧道，下部隧道开挖对既有桥桩体系的影响更为显著，因此下部隧道开挖时，应加强对上部桥梁及桥桩变形的监测。

(3)盾构顶推力分别为0.1MPa、0.3MPa、0.6MPa、1.0MPa时，顶推力越大桩基水平位移越大，桥墩柱的竖向位移差随之增加，从位移和沉降大小来看顶推力参数的变化对既有桥桩体系的影响较小，实际施工中顶推力为0.3MPa，既符合工程实际，又满足上部桥梁和桥桩的变形控制要求。既有桥桩体系的变形值均在允许范围内，说明本次托换结构和盾构隧道的设计方案合理可行。