盾构隧道施工对临近交叉口桥梁的影响分析

侯泽辉，顾进友

（广东省冶金建筑设计研究院有限公司 广州 510080）

0 引言

某电力隧道拟建于广州市白云区、荔湾区及越秀区境内，项目全长5 642 m，均处于中心城区。项目对满足中心城区用电需求，完善电网结构，提高供电可靠性等方面起到积极的作用。

因中心城区建筑密度高，城市空间有限等原因，隧道一般沿现状道路敷设。而中心城区为解决地面交通拥堵，常修建大量立交、跨线桥、城市高架桥等，因此隧道路线不可避免临近、下穿城市高架［3］。

本项目施工约1 600 m 临近内环高架桥，且在某立交节点位置，线路另一侧存在较多民用房屋作为控制条件，导致隧道选线空间受限。复杂的周边环境，对项目实施提出更高的要求。在立交节点位置，隧道与D、G 匝道交叉口桩基净距最小仅0.8 m，且交叉口桥梁为异形连续箱梁，桩基均为摩擦桩，对隧道施工的影响最敏感。本文以此为例，分析隧道施工对临近交叉口桥梁的影响，为后续类似项目提供参考。

1 工程概况

1.1 隧道概况

盾构隧道管片为圆形断面，外径4.1 m，内径3.5 m，壁厚0.3 m，宽0.8 m。涉桥段隧道埋深8～10 m，土压平衡盾构法施工，所受荷载主要为四周土压力。

1.2 交叉口桥梁概况

D、G 匝道交叉口桥梁设计车速60 km/h，荷载等级：汽-20设计，挂-100验算。

交叉口桥梁全长132 m，跨径组合6 m×22 m，普通钢筋混凝土连续箱梁。G8～G12为单箱单室，桥宽6.55 m，D2～D5 为单箱双室结构，桥宽9.95 m，结合部D6～D8为单箱三、四室结构，桥宽16.55 m，梁高均为1.4 m。典型断面如图1、图2所示。

图1 典型分离横断面Fig.1 Typical Separate Cross Section （cm）

图2 典型整体横断面Fig.2 Typical Overall Cross-section （cm）

桥墩有φ1 m圆形墩、1 m方形墩，桩基直径有1.2 m、1.5 m，均为摩擦桩。

盾构隧道与桩基净距0.8～1.23 m，具体平面位置如图3所示。

图3 桥梁桩基与隧道平面位置Fig.3 Plane Position between Bridge Pile Foundation and Tunnel

2 地质条件

根据钻孔揭露情况，涉桥段隧道穿过地层为强风化泥质粉砂岩、全风化泥质粉砂岩层。桥梁桩基地层从上到下为杂填土、粉质粘土、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩。

3 盾构隧道施工对桥梁的影响分析

3.1 主要思路

盾构隧道施工距离桥桩最小净距仅0.8 m，且桥桩均为摩擦桩，隧道施工易诱发桩基下沉。且交叉口桥梁为异形连续箱梁，桥梁结构受力对桩基变形较为敏感［3-4］。

为分析盾构隧道施工对桥梁结构受力影响，本文首先通过模拟隧道施工过程，量化施工诱发的桥梁桩基变形，然后再根据计算结果及参建单位提出的控制值［5-6］对桥梁结构进行复核验算。

3.2 有限元模型

采用MIDAS/GTS建立“盾构隧道-桥梁下部结构”三维实体模型，模拟盾构隧道施工，模型尺寸长×宽×高=170 m×70 m×30 m，具体如图4 所示、盾构隧道与桩基立面关系如图5所示。土体模拟采用实体单元，本构关系为莫尔-库伦准则［7］，具体特性如表1所示。

表1 土体材料特性Tab.1 Geotechnical Material Characteristics

图4 整体模型Fig.4 Overall Model

图5 盾构隧道与桥梁立面关系Fig.5 Facade Relationship between Shield Tunnel and Bridge

3.3 计算结果分析

隧道临近桥桩施工，将诱发桥桩竖向沉降及水平位移。桩基竖向沉降对梁体受力影响较大，对桩基内力影响不大。而桩基水平变形，对桩基内力影响较大。本文从盾构施工对桥桩的影响分析着手，对桥梁结构承载力、桥桩结构的承载力及裂缝宽度进行验算分析。

3.3.1 桥梁桩基变形分析

⑴竖向沉降：桥桩均为摩擦桩，隧道开挖将造成桩摩阻损失，易诱发沉降变形。盾构到达前后桩基沉降如图6、图7所示。

图6 工况1桩基沉降变形（盾构到达前）Fig.6 Condition 1 Settlement of Pile Foundation（before the Arrival of Shield）

图7 工况34桩基沉降变形（盾构通过后）Fig.7 Condition 34 Settlement of Pile Foundation（after the Shield Passes）

根据有限元结果，盾构到达前，桩基最大沉降3.03 mm，隧道通过后，桩基最大沉降4.70 mm。其次根据模型数据统计，相邻墩台工后最大差异沉降为1.21 mm（D4 与D5）。可知，桥梁最大沉降及工后最大差异沉降均小于控制值10 mm，可满足文献［1］要求。

⑵水平位移：桩基在盾构位置水平位移较大，盾构到达前后桩基水平方向位移如图8、图9所示。

图8 工况1桩基XY方向位移（盾构到达前）Fig.8 Condition 1 Pile Displacement in XY Direction（before the Arrival of Shield）

根据有限元结果，盾构到达前桩基最大水平位移0.62 mm，盾构通过后，桩基最大位移为4.29 mm，小于水平位移控制值6 mm，满足文献［1］要求。

3.3.2 桥梁梁体承载力及裂缝宽度验算交叉口桥梁为连续梁，桩基沉降将导致梁体产生次内力。本次验算针对盾构隧道施工前桩基沉降3.03 mm，施工后沉降4.7 mm及控制沉降10 mm进行分析。

⑴正截面抗弯承载力验算

针对不同沉降工况，将模型典型截面内力弯矩及抗弯承载力验算结果进行汇总，具体如表2所示。

表2 典型截面弯矩及抗弯承载力验算结果汇总Tab.2 Summary of Typical Section Bending Moment Capacity Results

结合图纸内容，正截面抗弯最不利为G8～G9跨中，在沉降10 mm 工况下，跨中弯矩7 888.8 kN·m，抵抗弯矩8 645.9 kN·m，抗力富余8.8%，满足文献［2］要求。

其次由表2 可知，不同沉降工况下，梁体端部次内力弯矩增加较大，而跨中变化幅度较小，其中端部D5变化幅度最大。在沉降10 mm 工况下，D5 端部弯矩为-17 112.8 kN·m，小于20 911.1 kN·m。梁体弯矩内力相对于隧道施工前增加44.1%，富余度18.2%，可满足要求。

⑵抗剪承载力验算

根据计算结果，梁体跨中位置剪力逐渐接近0，剪力最不利位于端部。针对上述情况，将端部典型断面的剪力及抗剪承载力验算结果进行汇总，具体如表3所示。

表3 典型端部截面抗剪承载力结果汇总Tab.3 Summary of Typical End Section Shear Capacity Results

根据表3可知，不同沉降工况，端部剪力变化幅度变化小。斜截面抗剪最不利位置为D7 端部，在沉降10 mm 工况下，剪力为5 623.0 kN，抗剪承载力为7 202.2 kN，富余度21.9%，满足文献［2］要求。

⑶裂缝宽度验算

根据文献［2］，对梁体结构裂缝宽度进行验算，沉降10 mm 工况下，组合Ⅰ条件下，裂缝宽度最大值为0.17 mm，文献［2］限值0.2 mm，组合Ⅱ条件下，裂缝宽度最大值为0.21 mm，小于文献［2］限值0.25 mm。

3.3.3 桩基内力及裂缝宽度验算

考虑到隧道与桩基净距小，管片拼装后，与土体仍存在一定间隙，桩基按最不利工况，即单侧土体挖空考虑。经计算，桩基最大弯矩为232.6 kN·m，抗弯承载力为3 120 kN·m，满足文献［2］要求。正常使用极限状态下，桩基处于受压状态，裂缝宽度为0，小于文献［2］限值0.2 mm，满足要求。

4 结论与建议

本文依托实际项目，分析了盾构隧道施工对桥梁影响，根据相关计算结果，盾构隧道临近交叉口桥梁的方案是可行的，具体结论与建议如下：

⑴盾构机通过桥梁桩基后，引起桩基最大沉降4.7 mm，小于10 mm。其次在沉降10 mm工况下，梁体正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力及裂缝宽度均满足文献［2］要求，10 mm 沉降值可作为桩基的控制性沉降。

同时根据计算结果，桩基沉降对梁体剪力、跨中弯矩影响较小，对端部负弯矩影响较大，建议对桩基周边土体采用预注浆或跟踪注浆方式加固，减少施工对桥梁端部的影响。

⑵盾构通过桥桩，引起桩基最大水平位移4.29 mm，小于控制值6 mm，水平位移满足要求。其次按最不利工况，即桩基一侧土体挖空验算，桩基抗弯承载力、裂缝宽度满足文献［2］要求。

⑶桩基与隧道净距较近，根据对沿线桥梁资料的核对，部分桥桩竣工图与施工图存在差异，建议类似项目做好桩基资料的核查工作，降低实施过程中的风险。

⑷本文计算结果为实施项目提供理论支持，今后类似项目仍需对桥梁位移进行必要监测［8］，并做好突发情况应急预案，提高对突发情况的应对和处理能力，保证盾构建设安全和桥梁的运营安全［9-10］。