深埋盾构隧道在岩层中穿越桥梁时隔离桩适用性研究

王长宁， 韩高孝

（1．南京地铁建设有限责任公司，江苏 南京 210017；2．同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

0 引言

当隧道穿越既有建（构）筑物时，隧道开挖不可避免地会引起周围地层产生一定的位移，这些位移又进一步作用在邻近的桩基础上，引起建（构）筑物桩基的各种反应并最终引起建（构）筑物的变形和受力的改变。为了建（构）筑物的安全和减小其变形，目前主要采取主动和被动两方面的措施。主动措施就是优化施工参数［1］；被动措施就是进行地基加固［2］（包括注浆加固、旋喷桩加固）或设置隔离桩，前者主要通过改善周围土体的力学性质来减小隧道施工对建（构）筑物的影响，后者通过隔断由于隧道施工引起的地层变形来减小隧道施工对建（构）筑物的影响。文献［3］分析了隔离桩的工作机理并提出了一种计算隔离结构及周围地层变形的算法。文献［4－6］通过数值模拟和对现场实测数据的分析研究了隔离桩的隔离效果。以上研究都针对浅埋隧道和隧道在一般土层中穿越的情况开展研究，但是对于深埋隧道在岩层中穿越时隔离桩的效果和适用性却鲜有研究。以南京地铁6号线下穿高铁桥梁为背景，研究深埋盾构隧道全断面穿越岩层时隔离桩的隔离效果和适用性。

1 工程背景

盾构隧道直径6．2 m，左右线隧道隧顶埋深均为28 m 左右。盾构穿越京沪高速铁路高架桥，穿越段桥梁上部结构为4跨（20 m＋34 m＋34 m＋20 m）预应力钢筋混凝土连续箱梁，桥上设正线2条和1条走行线，盾构隧道从中间两跨穿越。连续梁桥两端桥墩下设14根直径1 m 的钻孔灌注桩，中间3个桥墩下设14根直径1．25 m 的钻孔灌注桩，桩长自左向右方向分别为24 m、25．5 m、29 m、29．5 m 和25．5 m。左线隧道与桩基水平最小净距6．40 m，隧道底部高于桩端2．29 m；右线隧道与桩基水平最小净距8．58 m，隧道底部高于桩端7．24 m，如图1所示。

该范围内自上而下土层分别为人工填土、粉质黏土、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩，桩端位于中风化泥质粉砂岩中，盾构隧道也主要穿越该层，各土层参数见表1。

为了保证桥梁安全并减小桥梁的变形，在隧道两侧设置钻孔桩作为隔离桩（见图2），隔离桩桩端深入隧道底以下1 m。隔离桩直径采用1．0m，间距采用1．5 m，桩顶设置1．1 m×0．8 m 冠梁。

图1 盾构穿越桥梁示意图（单位：cm）

表1 土层参数

2 数值分析

2．1 计算方法

为了分析隔离桩的效果，利用Ansys分别进行了两个模型的计算。第一个模型计算无隔离桩时盾构隧道下穿施工引起承台的变形，第二个模型计算先施工隔离桩后施工盾构隧道时引起的桥台变形。为了计算方便，模型中只包括桥梁承台、盾构隧道、桩基和周围土体，桥梁上部结构以及列车运营的影响换算为荷载施加在承台上。在考虑列车运营的影响时，按照支反力影响线进行Z－K 活载的最不利布载，计算出在桥梁恒载和列车荷载作用下每一墩顶的最不利支座反力，然后计算桥墩的自重，最后将两者相加并除以承台面积便可计算出作用在承台顶面的荷载，荷载计算结果见表2。第一个模型计算时先在承台顶面施加荷载，然后通过杀死隧道范围内土体单元，激活管片单元，并进行应力释放来模拟盾构隧道的掘进过程。第二个模型计算时同样先在承台承台顶面施加荷载，然后通过杀死隔离桩范围内土体单元，并进行应力释放来模拟钻孔桩施工，最后杀死隧道范围内土体单元，激活管片单元，并进行应力释放来模拟盾构隧道的掘进过程。在进行隧道开挖模拟时，沿线路推进方向每一步开挖一个管片的宽度（1．2 m）。

图2 隔离桩及测点布置平面图

表2 承台表面荷载

隧道开挖周边的应力释放系数可按下式［7］计算

式中，φ 为内摩擦角；σ0r为开挖前的径向应力；σθ为开挖周边环向应力。计算得β＝0．2。钻孔桩施工周边的应力释放系数可按下式［7］计算

计算所得从上往下每层土的应力释放系数分别为：0．72、0．59、0．26、0．19。

2．2 计算模型

模型的计算土层区域取横向150 m，纵向50 m，深度方向70 m。隧道尺寸、桩基尺寸、隧道埋深以及隧道与桩基的位置关系如前所述。桥梁桩基、承台、隧道衬砌和中风化泥质粉砂岩为线弹性材料，其余土体采用Mohr－Coulomb弹塑性屈服准则，土层计算参数见表1。模型底部施加完全固定约束，两侧施加竖直滑动约束，模型表面为自由边界，桩顶和承台刚接。桥梁桩基、承台和隧道管片的弹性模量和泊松比均取30 GPa和0．2，计算模型网格如图3所示。模拟开挖时先进行左线隧道开挖，然后再进行右线隧道开挖。

图3 计算模型

2．3 计算结果

由于38号桥墩受施工影响最大，故提取38号桥墩（见图1）承台变形分析隔离桩对桥梁的影响及隔离效果。由表3可见，采用隔离桩方案时，隔离桩施工和盾构隧道开挖完成后，桥台顺桥向水平位移为－0．35 mm，向着隧道方向，桩顶沉降为0．94 mm；而未设隔离桩盾构隧道开挖完成后，桥台顺桥向水平位移为0．24 mm，背向隧道方向，竖向沉降仅0．54 mm。由此可知，钻孔灌注桩施工对桥梁的影响大于盾构隧道开挖的影响，且不设隔离桩时盾构隧道施工完成后桥梁的变形要小于设隔离桩时桥梁的变形，这说明隔离桩不仅没有起到减小桥梁变形的作用反而加大了桥梁的变形。

表3 桥台变形

3 实测数据分析

在隔离桩和盾构隧道施工过程中对桥墩的变形做了观测，观测点布置如图2所示，图4至图11为观测结果。由图4可以看出，桥墩沉降整体呈现逐渐增大的趋势并最终趋于稳定，最大下沉为0．7 mm。由图5可知，由于在38号桥墩（见图1）两侧都要进行隔离桩施工，桥墩顺桥向水平位移位移呈现出来回波动的特点，桥墩位移先向西发展达到最大值0．3 mm 后又向东发展达到最大值0．5 mm，接下来位移又向西发展达到最大值0．5 mm，最后位移又向东发展并最终稳定在0．1 mm。由图6可知，桥墩横桥向水平位移也呈现出波动的特点，位移先向南发展达到最大值0．3 mm 后又向北发展并最终稳定在0．2 mm 附近。由图7可知，桥墩先产生向东的倾角，但变化较小，最大倾角为5″，之后倾角逐渐向西发展并达到最大值为14．9″，接下来倾角又逐渐向东发展并趋于稳定，向东最大倾角为16．2″。总的来说隔离桩施工对于桥梁的影响较小。

图4 隔离桩施工引起的桥墩沉降

图5 隔离桩施工引起的桥墩顺桥向位移

图6 隔离桩施工引起的桥墩横桥向位移

图7 隔离桩施工引起的桥墩倾角

由图8可知，盾构隧道下穿施工过程中桥墩沉降也呈现逐渐增大的趋势并最终趋于稳定，最大下沉为0．5 mm。由图9可知，盾构下穿施工过程中桥墩顺桥向水平位移先向西发展达到0．2 mm 后向东发展并达到最大值0．5 mm。由图10可知，盾构隧道下穿施工过程中桥墩横桥向水平位移一直向南发展并稳定正在0．4 mm 附近。由图11可知，桥墩倾角一直向东发展，先达到最大值8″后逐渐减小，最终稳定2″附近。

比较隔离桩施工和盾构隧道施工引起的桥梁变形，同样也有隔离桩施工对桥梁的影响大于盾构隧道施工对桥梁的影响。

图8 盾构隧道施工引起的桥墩沉降

图9 盾构隧道施工引起的桥墩顺桥向位移

为了验证隔离桩的隔离效果，分别在隔离桩桩顶以及隔离桩两侧布设了沉降观测点，测点布置见图2。图12为盾构隧道下穿施工过程中的观测值。由图可知，沉降呈现出由隧道上方向桥墩递减的趋势，但是各测点间的沉降值差别不明显，这说明隔离桩效果不明显。所以当盾构隧道埋深较深且在岩层中下穿桥梁结构时，只需要做好施工参数的控制而不必另外采用被动保护措施。

图10 盾构隧道施工引起的桥墩横桥向位移

图11 盾构隧道施工引起的桥墩倾角

图12 盾构隧道施工引起的地面沉降

4 结论

数值计算和实测数据的分析均表明，深埋盾构隧道在岩层中下穿桥梁结构时，只需做好施工参数的控制便可以保证桥梁安全并将桥梁的变形控制在允许范围内。而采用钻孔桩作为隔离桩时，隔离桩的施工对桥梁的影响要大于盾构隧道的影响，且其效果也不明显。这主要是因为：首先，在岩层中采用盾构法开挖，围岩变形量一般均可控制在较小的范围之内；其次，下穿隧道标高大于原桥梁桩底标高，在这种情况下，隧道掘进施工所引起的围岩应力调整对既有端承桩承载性能影响较小。

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