天津地下直径线盾构施工对金刚桥的安全影响

王雪松，栗燕娜，郭 友

(1. 中国市政工程华北设计研究总院，天津 300074；2. 天津市市政工程研究院，天津 300074)

1 工程概况

天津西站至天津站的地下铁路直径线是天津铁路枢纽的重要组成部分，设计为铁路Ⅰ级双线动车组列车隧道.线路自天津西站途经河北大街快速路立交桥、泰达城规划小区，向南沿子牙河敷设，穿越慈海桥、南运河、金刚桥、狮子林桥后，下穿海河、胜利路、京山线，最后进入天津站.线路全长5005 m，其中盾构隧道长2146 m，结构断面形式为圆形，采用泥水平衡盾构机从天津站向天津西站方向掘进.

金刚桥1996年建成，为三跨中承式无推力钢管混凝土拱桥，桥梁全长600 m，桥宽15 m.盾构穿越金刚桥如图1所示有两个方案.

图1 穿越金刚桥桩基立面位置示意图

方案一(海河西岸方案)是从金刚桥大胡同侧的6号墩和7号墩之间穿过，6至7号墩间距25 m，隧道边缘与6号墩边桩桩尖最小水平净距2.02 m，最小垂直净距3.62 m；隧道边缘与7号墩边桩桩尖最小水平净距3.68 m，竖向位置在灌注桩的中部.隧道轨面埋深32.99 m，洞顶覆土24.93 m.方案二(海河东岸方案)是从金刚桥中山路侧的 9号墩和 10号墩之间穿过，9至10号墩间距20 m，隧道边缘与9号墩边桩桩尖最小水平净距2.08 m，最小垂直净距4.89 m；隧道边缘与10号墩边桩桩尖最小水平净距4.10 m，最小垂直净距离为4.29 m.隧道轨面埋深33.82 m，洞顶覆土25.77 m.

2 盾构施工对金刚桥桩基影响的数值模拟

2.1 模型的建立[1-4]

采用二维平面应变计算模型，计算区域水平取100 m，竖向取70 m.左右边界设置水平约束，底部边界设置垂直约束，上部为自由边界.

2.2 材料参数选取

根据工程地质勘察报告，在盾构穿越金刚桥桩基的有限元分析模型区域内，自上而下共分布23个土层.土体采用平面应变单元、Mohr-Coulomb弹塑性模型进行模拟，将桩、隧道衬砌简化为梁单元按弹性材料考虑.计算模型材料参数如表1，表2所示.

表1 土体材料参数

表2 模型材料参数

2.3 施工步骤模拟

根据相关资料，在施工过程中盾构整体状态控制较好的情况下，地层损失率可控制在 0.5%～1%，计算中考虑管片脱离盾尾，同步注浆完全填充管片和土体空隙前，土体应力释放率控制在15%以内，之后土体应力完全释放.

施工步骤考虑为3步：① 地层施加初始应力场，在地表作用地面超载，在桩上作用力；② 盾构推进过程中，管片脱离盾尾后，同步注浆完全填充管片和土体的空隙并达到强度前，土体应力释放率取15%；③ 壁后注浆达到强度后，管片充分发挥支撑作用，土体应力释放剩余的85%.

盾构穿越土层后在地面形成沉降槽，计算模拟数值显示盾构顶最大沉降值为-2.28 cm，见图2所示.

天津地区类似大直径盾构在推进过程中引起的地面沉降值一般为＋1 cm～(-3) cm，计算模拟数值与实际情况相符，因此所采用的地层参数和土体应力释放系数是合理的.

图2 地面沉降曲线

2.4 两方案数值模拟参数

方案1 (海河西岸方案)：盾构左上侧为4排方桩，群桩上作用力 12496 kN，模型中方桩上作用力取255 kN/m；盾构右侧为2排钻孔灌注桩，群桩上作用力 112235 kN，模型中钻孔灌注桩上作用力取2120 kN/m；地面超载20 kPa.

方案2 (海河东岸方案)：盾构左侧8号墩由2排直径 2 m的钻孔灌注桩组成，桩群上作用力112467 kN，模型中钻孔灌注桩上作用力取2130 kN/m；盾构左上侧和右上侧的9号墩和10号墩均由3排方桩构成.群桩上分别作用10305 kN，11778.36 kN力，计算模型中方桩上作用 238 kN/m的力；地面超载20 kPa.

3 计算结果及分析

3.1 方案一计算结果及分析

在盾构掘进过程中，会产生朝向盾构内的变形，使得其左右侧不同类型桩基的变形及内力也发生变化(见图3-8)，详见下述具体分析结果.

图3 6号墩右侧方桩水平变形图

图4 7号墩左侧方桩水平变形图

图3所示，方桩朝隧道方向产生水平变形，其中桩端最大变形1.14 cm.

图4所示，灌注桩由于受到隧道变形影响，产生扭曲变形，隧道轴线以上产生背离隧道的变形，最大值为 6.7 mm，轴线以下产生朝向隧道的变形，最大值为4.2 mm.

图5所示，方桩轴力增量均为负，说明方桩在桩顶力作用下产生的沉降大于桩侧土体的沉降，桩侧摩阻力沿桩长增加.

图6所示，灌注桩基本以隧道洞底为界，以上轴力增量为正，桩基沉降小于桩侧土体的沉降，桩侧摩阻力沿桩长减小；以下轴力增量为负，桩基沉降大于桩侧土体的沉降，桩侧摩阻力沿桩长增加.

图7所示，由于方桩整体产生朝向隧道的变形，但其弯矩变化不大.

图8所示，灌注桩在隧道影响范围内弯矩增量较大，最大正弯矩 573.6 kN·m/m，最大负弯矩-412.7 kN·m/m.

图5 6号墩右侧方桩轴力增量图

图6 7号墩左侧灌注桩轴力增量图

图7 6号墩右侧方桩弯矩增量图

图8 7号墩左侧灌注桩弯矩增量图

3.2 方案二计算结果及分析

方桩产生朝隧道方向的变形，其中桩端变形最大，9号墩右侧方桩达6.5 mm，10号墩右侧方桩达7.2 mm.灌注桩由于受到隧道变形的影响，发生扭曲变形，正负水平最大变形值均约6 mm.

9号墩、10号墩方桩轴力增量情况相似，大部分为负，仅在近隧道处出现了正的轴力增量，说明在桩顶力作用下发生的沉降大于桩侧土体的沉降，因此桩侧摩阻力沿桩长增加.

9号墩、10号墩方桩产生朝向隧道的变形，因此弯矩增量反对称，弯矩增量均不大.

3.3 土层加固计算结果及分析

为了进一步确定方案的可行性，对盾构周边4 m范围内土层进行注浆加固，根据调整后相关参数的变化情况进行计算分析显示：无论是方桩还是灌注桩，加固后桩基的变形减小十分明显，轴力增量变化不大，弯矩增量则有所减小，因此对盾构附近地层进行加固是改善盾构对桩基影响的有利措施.

4 桩基沉降对金刚桥的安全影响分析

运用 MIDAS对金刚桥主桥建模分析，共划分梁单元2586个、桁架单元106个；节点数量2715个；钢束数量84个；边界条件数量1697个.模型见图9所示.

4.1 主要材料和参数

混凝土：桩基：C20，承台：C25，墩柱：C30，边拱、拱肋：C40；预应力钢筋：1860钢绞线；普通钢筋：HRB335，R235；钢材：A3钢.

图9 桥梁整体分析模型

4.2 活荷载类型

车辆荷载：城-A级.二期荷载：槽型板：15.92 kN/m；桥面铺装：11.52 kN/m；栏杆：0.80 kN/m.系统温度：25.0 ℃，-25.0 ℃.吊杆张力：1241.71 kN；系杆张力：9356.68 kN.桩基沉降：综合盾构施工对金刚桥桩基影响数值模拟分析结果，桩基沉降数值确定如下：海河东路方案：8号灌注桩沉降14 mm，9号方桩沉降20 mm；海河西路方案：6号方桩竖向沉降 23 mm，相邻 7号灌注桩沉降23 mm.

4.3 主要分析结果及结论[5-6]

由于运营状态下金刚桥的受力状态无法准确测得，只能根据原有设计和施工过程资料，通过计算分析进行确定.因此，金刚桥的受力状态，即不考虑直径线施工可能造成桩基沉降的受力状态，以下面的组合为准：基准组合＝恒载＋温度＋活载.其中：恒载包括结构自重、二期恒载、混凝土的收缩、徐变、横梁的预应力效应、吊杆力和系杆力；温度包括体系升温和降温；活载为城-A级中的最不利结果.

通过把桩基沉降计算结果与基准组合结果相加，并与基准组合结果进行比较来评估直径线盾构施工对桥梁受力状态的影响.考虑基础沉降的桥梁受力状态与基准组合下桥梁受力状态的比较结果见表3.

表3 计算结果应力比较表

5 分析与结论

综合两个方案中的相关数据及分析，可以得出如下结论.

(1) 从盾构穿越桩基引起的变形可以看出：灌注桩刚度大、桩长长，其沉降量较小；方桩桩顶位于盾构上方，受隧道变形影响较大.

(2)方桩的轴力增量一般为负，即方桩的沉降大于周围土层，其桩侧摩阻力是增加的；灌注桩的轴力增量出现了有正有负的情况，这说明灌注桩的桩侧摩阻力会产生减小的情况，但减小的量值不大.

(3) 方桩的弯矩增量很小，两个方案相差不大；灌注桩的弯矩增量较大.

(4) 从分析结果可以看出，海河东路方案和海河西路方案对桥梁受力状态的影响结果大致相同，数值上相差很小，不会影响桥梁的结构安全.

(5) 盾构在无桩情况下的地表沉降在总的沉降量中占很大比重，因此首先要保证盾构在无桩情况下的地表沉降控制能满足变形要求；对盾构周边一定范围内土层进行注浆加固是改善盾构对桩基影响的有效措施.

综合以上结论：地下直径线从海河东、西岸方案穿越金刚桥在技术上皆是可行的.盾构施工对桥梁的地基承载力影响不大，桥梁承载力、安全性均可得到满足；盾构施工对桩基会产生一定的变形影响，宜采取一定的措施保证桩基及结构的安全.综合两个方案安全影响分析的结果并考虑桥梁的实际状态，采用海河西岸方案更为合理.

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