软弱滨水地层盾构隧道近穿路桥变形控制与机理分析

张晓丽 罗章波 郭璇

1.中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600； 2.北京交通大学 土木建筑工程学院， 北京 100044

盾构隧道工程经常面临近穿既有构筑物产生的附加变形及其控制问题。

工程界对软弱围岩地层条件下因隧道开挖产生的附加变形问题进行了系统理论分析及试验研究。张晓丽［1］研究了浅埋暗挖下穿既有地铁构筑物的关键技术。陶连金等［2］研究了矿山法隧道下穿既有盾构隧道微变形控制技术。马栋等［3］针对柿子园隧道分析围岩大变形程度、速度、持续时间等破坏机理及形式特征。林峰［4］分析了软土地区深基坑开挖对既有地铁隧道衬砌水平位移的影响，凹槽形地表沉降曲线特征，衬砌水平位移与加固区宽度、强度、水平间距的负相关关系。吕昌怀等［5］分析了明挖与盾构隧道下穿铁路桥的变形影响及隔离桩的显著效果。郭璇等［6］通过正交模型试验法研究软弱围岩隧道管棚预支护开挖土压的分布特征。房倩、张成平、王占生、姚海波等［7-10］研究了地铁隧道、车站浅埋暗挖法下穿既有地铁或其他构筑物的特殊施工技术。

本文依托一座铁路盾构隧道近穿高速公路的典型工程，进行盾构下穿高速公路搅拌桩加固路基段加固设计参数验证和旁穿桥桩的变形控制分析。

1 工程概况及加固设计

京津地区一座铁路盾构隧道下穿高速公路A与高速公路B交叉口及二者之间的排污河（图1），桥路工况复杂。隧道最大埋深23.00 ~ 25.81 m，最大坡度约22.5‰。盾构隧道穿越地层主要为滨海区粉质黏土、粉土、砂、圆砾、素填土及杂填土。隧道下穿既有高速公路B路基（设计采用搅拌桩加固），旁穿高速公路A匝道桥桥墩桩基础，隧道施工中须要密切关注设计加固措施条件下地层及支护结构变形情况，计算桩隧变形控制措施的合理参数，以满足工程变形控制标准。

图1 交叉工程平面位置关系

分析盾构隧道下穿河道、下穿高速公路路基水泥搅拌桩加固段、旁穿桥桩三种工况，对比其变形控制参数。选取测点1用于监测滨河地表沉降，测点2用于监测高压旋喷水泥搅拌桩加固高速公路路基段地表沉降，测点3用于监测盾构旁穿高速公路匝道桥桥墩墩顶位移。各测点断面如图2所示。

图2 各测点断面（单位：m）

设计对盾构隧道管片进行深孔注浆和壁后注浆加固，管片注浆孔每环9孔，上五下四左右对称沿衬砌周圈均布。洞内深孔注浆每个注浆区宽度1.0 m，上五孔设计注浆深度3.0 m，下四孔设计注浆深度1.5 m。

测点2处［图2（b）］为盾构隧道下穿高速公路的路基加固区。高速公路路基采用5排、每排各13根水泥搅拌挤密桩加固。桩长8.0 m，桩径0.5 m，桩间距1.5 m。

测点3处［图2（c）］盾构隧道埋深19.7 m，衬砌中心与桥墩桩基水平间距5.9 m；桥墩桩基直径1.5 m，入土深度43.0 m。

研究对象为2017年3月～2018年7月于西安交通大学第二附属医院行超声乳化联合IOL植入术的老年性白内障患者44例（44眼），男（26例），女（18例）。纳入标准：老年性白内障患者（晶状体核LOCSⅢ分级Ⅱ～Ⅳ级）。排除标准：患者有眼部疾病史如糖尿病视网膜病变、青光眼、角膜瘢痕、圆锥角膜、外伤、严重全身疾患、其他眼部手术史等。研究对象根据其术后透明角膜切口距离角巩膜缘的实际距离分为两组，A组距离为1～1.5 mm，B组距离为0.5～1 mm，每组各22例。本研究通过西安交通大学第二附属医院伦理委员会审批（审批号：（2017）伦审-研第（004）号）。

2 模型计算分析

2.1 计算模型

依据实际工程尺寸和地层参数，对各测点分别进行GTS/NX有限元整体建模分析。地层计算参数按实际选取，见表1。

表1 地层计算参数

衬砌及注浆加固计算参数见表2。水泥搅拌桩和既有桥桩结构参数见表3。

表2 衬砌及注浆加固计算参数

表3 桩结构参数

2.2 变形控制标准

DG/TJ 08‐2041—2008《地铁隧道工程盾构施工技术规范》表8.2.4给出不同覆土深度的盾构施工地面变形允许值。该工程盾构覆土深度14.3 m时，地表变形最大沉降允许值Δ = 12.1 mm，最大隆起允许值δ=4.1 mm；覆土深度19.7 m时，Δ = 9.2 mm，δ= 3.1 mm。

JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》5.7.2条给出桩顶水平位移允许值为10 mm。

2.3 计算结果分析

2.3.1 测点竖向位移

各测点竖向位移计算结果见图3。

图3 测点所在断面竖向位移云图（单位：mm）

由图3（a）可知：隧道施工引起衬砌上方围岩沉降，下方隆起，围岩整体挤压隧道，向洞内收缩。加固后测点1地表沉降4.6 mm，满足地表沉降不大于12.1 mm的规范要求。

由图3（c）可知：隧道施工产生附加变形，通过主动土压力作用在桥墩基桩，由于既有桥墩基桩的挡土效应，衬砌拱肩附近变形最大，仰拱隆起；测点3地表沉降6.9 mm，满足要求。

2.3.2 衬砌弯矩及变形

图4为盾构隧道侧穿有无桥墩基桩的衬砌弯矩对比，变化量可考虑为桥墩基桩的挡土阻断效应，弯矩值约增加了10%。

图4 衬砌弯矩

盾构圆形衬砌外径变化率（μ）可用式（1）反映

式中：ΔL为圆形衬砌外径变化量；L为圆形衬砌外径。

根据GB 50157—2013《地铁设计规范》11.6.5条的条文说明，一般情况下衬砌结构径向计算变形在3‰D~ 4‰D（D为隧道外径）。由图3（c）可计算得，测点3衬砌最大水平位移和最大竖向位移分别为2.3、43.8 mm，对应水平与竖向直径变形率分别为0.2‰、3.3‰，两者均满足要求。

2.3.3 桥桩位移及内力

隧道施工过程中桥墩基桩的位移及内力见图5。设定工况参数下，桩顶最大位移控制在±10 mm以内，满足规范要求，桩顶剪力、弯矩接近0。可见隧道通过桥桩时桥桩是安全的。

图5 既有桥墩基桩的位移及内力

3 隧道施工侧穿桩基的理论分析

3.1 侧穿安全施工最小间距分析模型

大直径盾构隧道侧穿既有构筑物的最小间距需考虑施工产生的附加荷载及桩-隧-围岩相互作用。盾构隧道施工影响范围半分析模型如图6所示。隧道施工通过桥桩段的竖向变形主要位于拱顶、仰拱及45°附近滑裂区。

图6 隧道施工影响范围半分析模型

大直径盾构隧道施工变形的影响区域主要划分为5个区域。Ⅰ区为盾构上覆土地层隆沉滑动易变形区，即主要的地层加固设计区，地层隆沉对地下结构产生主被动挤压力，是变形主控区。Ⅱ、Ⅳ区是桥墩基桩和盾构衬砌-地层相互作用的影响区域，决定最小安全施工距离。Ⅱ、Ⅲ、Ⅰ区变形叠加主要引起沿45° ±φ/2附近滑裂面的错动变形。Ⅲ、Ⅴ区为桩隧系统的约束限位区及计算边界。Ⅱ、Ⅳ区是隧道施工影响及变形加固的主要波动区。Ⅴ、Ⅳ区应考虑河道水位等水文地质影响，将围岩等级弱化。1倍洞径范围为注浆加固区，也是隧道安全施工的最小桩隧距离。

桩-隧-围岩相互作用分析模型见图7。

图7 桩-隧-围岩相互作用分析模型

为了得到合理的桩隧距离与隧道直径比例和安全施工最小间距，在分析桩-隧-围岩的相互作用时需要考虑各区域荷载和附加变形。图7中侧向拟三角形抗力荷载分布反映了附加荷载的传递形式，也是加固地层进行结构变形控制需满足的平衡条件。

3.2 S/D的附加作用影响分析

考虑桩隧水平距离S（参见图7）与隧道直径D之比S/D的附加作用进行计算分析，图8为S/D= 1.0时盾构隧道施工近穿既有桥墩基桩的水平位移矢量云图，最大红色位移矢量显示，桩隧系统的计算临界S/D为1.0。

图8 盾构隧道施工近穿既有桩基水平位移（单位：mm）

从S/D= 1.0开始，随S/D增大桩最大水平位移减小，桩最大弯矩变化趋势与之相似呈快速减小趋势。通过对比桥墩桩基变形及内力变化发现，在S/D <1.0时附加荷载影响显著，S/D>1.00附加荷载影响急剧下降。

图9为测点地表沉降。地表沉降计算值与区域地表实测沉降量［11］（4.8 mm）接近且满足沉降控制要求，说明了计算参数选取合理。

图9 测点地表沉降

综上，根据实际地勘和几何参数计算分析了盾构隧道施工近穿高速公路路基揽拌桩加固段和桥墩基桩的工程措施。对比不同S/D的附加变形，一倍洞径范围以内为桩隧相互作用的显著影响范围，需加强附加荷载和变形监测，重视隧道施工的保护措施。

4 结论

1）通过盾构隧道下穿高速公路路基水泥搅拌桩加固区、旁穿桥墩基桩等工况计算分析，验证了地层加固方案和所选参数可行。

2）推荐桥桩与隧道水平距离与隧道直径之比为1的最小桩隧间距。旁穿桥墩基桩产生的地层沉降和基桩顶变形在±10 mm以内，均小于规范限值。

3）针对软弱滨水地层盾构隧道穿越既有敏感构筑物变形影响，提出隧道施工影响范围半分析模型，给出盾构安全施工应满足的最小桥桩与隧道距离和沉降控制分区的划分方法。