桥梁桩基被盾构隧道近距离穿越的影响研究

张 强 郑茜茜

0 引言

近年来，随着社会经济的高速发展与地下空间资源的开发利用，盾构法隧道工程技术得到了快速的发展。尤其是随着国内各大城市轨道交通项目的广泛开展，盾构法施工已经积累了相当丰富的经验，在通常情况下已经能够较好地预测并控制盾构掘进对周围环境的影响。但是，当隧道近距离穿越地下既有构筑物时，如何确保构筑物与隧道自身的安全，减少盾构隧道近距离穿越施工时的相互影响问题，给设计和施工带来了极大的挑战，已经引起了地下工程界和岩土工程界甚至包括地铁承包商在内的高度重视。

近年来，国内外学者对盾构近距离穿越构筑物施工开展了广泛研究，王占生等人［1］提出了盾构通过建筑物时的施工控制参数和常见的工程处理措施，李永靖等人［2］得到了地铁及基础围岩的应力与位移变化规律，衡朝阳等［3］提出了地铁隧道周边建筑物地基基础的变形控制标准，李国成等［4］分析了武汉长江隧道施工对周围建筑的影响。但是，大部分学者的研究都是从盾构施工参数与施工工艺的角度出发，提出相应的施工控制措施，而对既有构筑物在被穿越过程中的力学行为的研究则相对不足。

基于此，本文以广州地区某地铁隧道近距离穿越桥梁桩基为工程背景，借助于MIDAS有限元软件，研究桥梁桩基在被穿越过程中，隧道与桩基的相互作用，为工程的顺利开展奠定理论基础，并为类似工程的设计与施工积累经验。

1 工程地质概况

工程所在范围自上而下地层依次为:素填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、砂质黏土与全风化花岗岩，根据该标段勘测围岩自上而下地质情况，可以将其综合归并为4层材料性质岩土体，具体如表1所示。

表1 地层相关参数

另外，隧道管片与桩基的物理力学参数也示于表1中。盾构外径6 340 mm，内径6 200 mm，管片厚度35 cm，采用C50钢筋混凝土，桥梁桩基直径1 500 mm，采用C25钢筋混凝土。

2 有限元数值模拟分析

2.1 有限元模型的建立

分别选用板单元与梁单元模拟混凝土管片与桥梁桩基，土体采用实体单元进行模拟。同时，为简化计算，模拟中假定管片紧跟开挖面，以每米为一个开挖步，有限元模型如图1所示，模型尺寸为60 m×60 m×38 m，桥梁桩基位于模型中部，模型采用位移边界条件。

2.2 数值模拟关键技术

1)实际工程中，地层受到刀盘的切削与振动，盾壳通过时的剪切以及向盾尾建筑空隙位移趋势等因素的影响，在管片与地层有效接触前，地层应力会出现一定的释放，因此，在开挖后管片添加前，释放5%的地层荷载。

2)实际施工中，为了有效抑制盾构通过时对桩基的不利影响，对桩基四周地层进行了注浆加固，加固范围为距离桩基中心2倍桩径范围，因此，本文将桩基四周加固地层的力学参数进行了相应的调整，进一步分析地基改良情况对桩基位移趋势的具体影响。

3)考虑到管片接缝对衬砌整体刚度的影响，分别采用管片刚度折减系数η=0.7与η=0.8模拟通缝拼装与错缝拼装，进一步分析管片拼装方式对桥梁桩基的具体影响。

2.3 计算结果分析

为了充分了解桩基与隧道之间的相互作用，分别对穿越过程中隧道结构的内力、位移，以及桩基的位移等进行分析。

1)隧道结构内力分析。

表2 隧道最大横向弯矩及其相应轴力情况

对隧道安全有重大影响的是结构的横向内力及其变化，不同管片刚度折减系数下，隧道结构的最大横向弯矩值及其相应轴力见表2。

由表2可见，由于桩基的存在，垂直方向的最大横向内力出现在隧道拱底处，弯矩与轴力分别达到-71 kN·m与358 kN，而水平方向的最大横向内力则出现在与桩基相邻一侧的管片边墙处，分别达到71 kN·m与352 kN。同时，提高刚度折减系数，结构内力出现相应的增大，主要体现在弯矩的变化上。

2)隧道位移分析。

以管片刚度折减系数为0.7为例，隧道的位移情况如图2，表3所示。

由图2可知，在邻近桩基附近，隧道的水平位移出现了突变。在远离桩基一侧，隧道的最大水平位移发生在拱腰处，达到1.56 cm，表明桩基的存在，导致隧道相应位置处的水平位移增大。

表3 隧道最大位移情况 cm

由表3可知，由于桩基的存在，使得隧道沿水平方向的变形出现左右不对称现象，其中靠近桩基一侧隧道边墙的水平变形要大于远离桩基一侧的位移。

另外，从隧道具体的位移数值上看，整体变形不大，最大相对变形发生在垂直方向，为2.9 cm。

3)桩基变形分析。

盾构近距离穿越施工，必将加剧桩基的水平位移趋势，不同的管片刚度折减系数与不同的地基条件下，桩基的水平变形情况如表4所示(表4中桩基1距离隧道相对较近，而桩基2则距离隧道相对较远)。

表4 桩基的最大水平位移情况 cm

由表4可知，地基加固后，桩基1的水平位移减少了1.01 cm (占总位移量的40.2%)，同时桩基2的水平位移也相应减小了0.73 cm(占总位移量的48.3%)，桩基的水平位移趋势得到了明显的改善。同时，当管片刚度折减系数从0.7增大到0.8，发现桩基的水平位移几乎没有任何变化，因此从隧道对邻接桩基的影响看，可以认为改变管片拼装方式，对邻接“建筑物”几乎没有影响。

3 结语

通过桩基被盾构隧道近距离穿越过程中，桩基与隧道结构的内力、位移的变化情况，可以得到以下几点结论:

1)邻近桩基施工，将会导致隧道自身结构，特别是靠近桩基一侧边墙内力(弯矩)增大，将会加剧相应位置的变形，对隧道的整体稳定不利。同时，管片刚度折减系数的增大，将会导致隧道内力的相应增大，表明错缝拼装时，隧道结构的安全性将会出现相应的降低。

2)桩基的存在，将会加剧相应位置处隧道的位移趋势，越靠近桩基，位移趋势越大，尤其体现在隧道拱腰处的水平位移上。

3)从桩基的变形角度看，盾构隧道近距离穿越施工将会引起既有桥梁桩基产生偏向隧道方向的“拉伸”变形，距离隧道越近，“拉伸”变形越大。

4)不同的管片刚度折减系数对桩基的水平位移几乎没有影响，表明改变管片的拼装方式，对隧道附近地下构筑物影响不大。

5)桩基附近地基的加固处理，将会显著减小桩基向隧道方向的水平位移，而且越靠近隧道，对桩基水平位移的限制作用越明显。因此，为了确保桩基的安全，建议采取地基改良措施，增大桩基与周边地层的整体刚度，限制向隧道方向的水平位移趋势。

［1］ 王占生，王梦恕.盾构施工随周围建筑物的安全影响及处理措施［J］.中国安全科学学报，2002，12(2):45-49.

［2］ 李永靖，张向东.城市地铁开挖对地表建筑物影响研究［J］.地下空间与工程学报，2006，2(8):1326-1329.

［3］ 衡朝阳，藤延京，陈希泉.地铁盾构隧道周边建筑物地基基础变形控制研究［J］.地下空间与工程学报，2006，2(8): 1336-1340.

［4］ 李国成，李炜民.长江隧道施工对周围建筑的影响分析［J］.铁道工程学报，2007(7):52-55.