盾构法隧道近距离侧穿对桥梁桩基的影响

陈涛，吕勇刚（1.宁波市高等级公路建设指挥部，浙江　宁波　15192；2.宁波大学，浙江　宁波　15211；.中交公路规划设计院有限公司，北京　100088）

盾构法隧道近距离侧穿对桥梁桩基的影响

陈涛1，2，吕勇刚3
（1.宁波市高等级公路建设指挥部，浙江宁波315192；2.宁波大学，浙江宁波315211；3.中交公路规划设计院有限公司，北京100088）

以佛莞城际铁路长隆隧道盾构法近距离侧穿东新高速桥梁桩基工程为例，采用数值仿真对盾构法隧道近距离侧穿高速公路桥梁桩基的影响进行研究。研究表明：采用旋喷隔离桩保护既有桥梁桩基，大幅降低了盾构掘进对桥梁桩基的影响。

盾构法；侧穿；桥梁桩基；旋喷隔离桩

0　引言

盾构隧道掘进施工有可能会引起地层移动，对周围桥梁桩群、房屋、道路、管线产生危害，此类事故的情况时有发生。分析盾构掘进过程对周围既有构筑物如桥梁、高层建筑等的影响，以对设计、施工等关键参数进行有效控制，达到防治的目的。

本文以佛莞城际铁路长隆隧道的盾构法施工为例，通过数值仿真，分析了盾构掘进隧道近距离侧穿高速公路桥梁桩基，对桥梁桩基的影响，以及采用加固措施后对桥梁桩基的保护作用，可供类似工程设计、施工借鉴。

1　工程概况

佛莞城际铁路长隆隧道属于城市地下隧道，位于广州市番禺区，长为10 950 m（按双洞计），长隆隧道在DK0+225—+250段及YDK0+220—+260段以双洞盾构的形式侧穿东新高速桥梁工程桩基群，盾构隧道管片直径为8.50 m，厚为0.4 m，宽为1.6 m。隧道穿越桥梁工程段，隧道外墙距桥梁桩基水平净距比较小，其中隧道右线右侧墙距桥梁桩基最小水平净距为5.01 m，左线右侧墙最小水平净距为3.06 m，隧道右线左侧墙距桥梁桩基最小水平净距为4.4 m。隧道穿越东新高速桥梁工程段地层岩性主要为泥质砂岩，为Ⅲ、Ⅳ级围岩。

长隆隧道与东新高速桥梁桩基关系的平面和剖面如图1、图2所示[1]。

图1　长隆隧道与东新高速桥梁桩基关系平面示意图（单位：m）Fig.1　Plan relationship between Changlong Tunnel and Dongxin Highway Bridge pile foundation(m)

图2　长隆隧道与东新高速桥梁桩基关系典型剖面图（单位：m）Fig.2　Typical cross-sectional relationship between Changlong Tunnel and Dongxin Highway Bridge pile foundation(m)

2　盾构隧道侧穿桩基段保护方案

长隆隧道侧穿东新高速桥梁桩基为端承桩，且隧道洞身高度围岩主要为全、强风化泥质砂岩，设计采用旋喷隔离墙对既有桥梁桩基进行保护[1]。

1）旋喷采用φ800@600旋喷桩，3排啮合，如图3所示，加固体平面上距隧道净距0.5 m，下部至强风化泥质砂岩层不小于0.5 m。

2）旋喷加固采用42.5级以上普通硅酸盐水泥，根据需要加入适量外加剂及掺合料，用量通过实验确定，加固体水泥用量不少于600 kg/m3，水泥浆液的水灰比为1∶1～1∶1.5。旋喷桩加固后，土体28 d无侧限抗压强度不小于1.0 MPa。

图3　旋喷桩加固布置图Fig.3　Layout plan of jet grouting piles

3　数值模拟分析

建立三维数值模型，对该盾构侧穿既有桥梁桩基的影响以及采用旋喷隔离墙的保护效果进行分析。

3.1基本假定

计算分析基本假定[2]：

1）地层材料采用莫尔-库仑准则计算。

2）假定土层成层均质水平分布。

3）隧道开挖中管片结构采用壳单元模拟。

4）地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化。

5）不考虑隧道开挖对土体力学指标的影响以及地下水渗流影响。

6）模拟盾构法开挖时，为简化计算，假定刀盘对开挖面施加均布荷载，荷载大小根据盾构隧道埋深及地质情况确定。

3.2计算模型及计算参数

模型计算范围为80 m×57.6 m×50 m（长×高×宽），简化左右线盾构隧道走向平行，桩基与盾构隧道位置按实际距离模拟，模型包括193 716个单元和201 825个节点，计算模型网格划分如图4所示。模型采用位移边界作为边界条件，除上表面为自由边界外，各外表面均约束法线方向的位移。

整个模拟过程共分4步。

1）在未开挖隧道之前，模型在初始地应力下平衡。

2）清除塑性区以及位移归零，施作桥梁桩基计算。

3）清除塑性区以及位移清零，左线盾构隧道掘进。

4）右线盾构隧道掘进。

根据试验结果，计算中假定：注浆层1 d弹性模量为30 MPa，7 d弹性模量为80 MPa。

地层参数按地勘及相关资料取值[3-7]，见表1。

图4　模型网格图Fig.4　Model grid graph

表1　物理力学参数Table 1　Physical and mechanical parameters

3.3盾构施工过程模拟

3.3.1盾构机超挖量的模拟

在盾构机的设计中，为了减小推进的摩阻力以及转弯的灵活性，通常将刀盘设置一定的超挖量，计算中取该超挖量或锥形量为3 cm。计算中采用应力释放的方法来模拟该损失，即模拟时在盾构机到达前提取开挖轮廓线上的节点力F，当盾构机到达时，杀死盾构机所在空间的单元，同时在盾构机轮廓线处施加反向节点力荷载（1-a）F，其中a为应力释放率，参阅相关资料，计算中取应力释放率为8%[8]。

3.3.2盾尾空隙及注浆层硬化的模拟

盾尾空隙采用杀死注浆层单元来模拟。在杀死注浆层单元的同时，沿径向施加注浆压力，并且在下一个计算步中将注浆层和管片衬砌单元激活。考虑到注浆层的硬化有一个时间过程，计算中给不同位置的注浆层赋予了不同材料参数。

3.3.3步步掘进模拟的实现

当盾构机向前推进时，需杀死盾构机所在单元，同时在掘削面施加顶进压力，在盾尾处施加注浆压力和顶进反力。

3.4计算工况

为研究长隆隧道盾构掘进对东新高速桥梁工程的影响，分以下两种工况进行计算分析。

工况一：东新高速桥梁桩基未进行加固处理下长隆隧道盾构掘进过程模拟。

工况二：东新高速桩基采取旋喷隔离墙保护下长隆隧道盾构掘进过程模拟。

4　计算结果

4.1桩基变形分析

从计算结果可以看出，盾构隧道掘进引起桩顶变形，其中桩顶水平变形最大（垂直于隧道走向），其次为桩顶竖向变形。

从桩基水平变形云图可以看出，左洞贯通后6号桩基顶部产生倾向于左洞的最大水平变形，两洞贯通后1号桩基顶部产生倾向于隧道的最大水平变形，工况一：左洞贯通后为6.01 mm，两洞贯通后为5.52 mm（图5）；工况二：左洞贯通后为2.50 mm，两洞贯通后为2.16 mm。

图5　工况一两洞贯通后桩基水平变形云图Fig.5　Horizontal deformation of Piles after two tunnels are cut through in Working Condition 1

从桩基竖向变形云图可以看出，隧道开挖后在6号桩基顶部产生了最大沉降变形，工况一：左洞贯通后为2.13 mm，两洞贯通后为2.16 mm；工况二：左洞贯通后为1.41 mm，两洞贯通后为1.38 mm。

对比分析：工况二下6号桩基最大沉降变形较工况一减小了0.75 mm，减小34.7%，最大水平变形较工况一减小3.51 mm，即58.4%，可以看出通过在盾构掘进过程中对桩基进行有效的旋喷隔离墙保护可以较好地控制桩基变形，提高桩基在盾构掘进过程中的稳定性。

图6、图7为两种工况下6号桩基桩顶水平（竖向）变形与开挖步关系曲线图。当掘进至第6步时，左洞开挖面通过6号桩基所在横断面，当掘进至第24步时，右洞开挖面通过6号桩基所在横断面。

图6　6号桩基桩顶水平变形与开挖步关系曲线Fig.6　Relationship of No.6 pile top horizontal deformation and excavation

图7　6号桩基桩顶沉降与开挖步关系曲线Fig.7　Relationship of No.6 pile top settlement and excavation

从桩顶水平变形与开挖步关系曲线可以看出，在左洞掘进过程中，伴随着盾构机掘进，6号桩基桩顶水平变形逐步增大，工况一最大水平变形6.01 mm，工况二最大水平变形2.50 mm。盾构机掘进至第5步时桩顶水平变形达到3.1 mm，掘进至第6步时桩顶水平变形有一定程度减小达到1.5 mm，掘进至第10步水平变形达到最大值后趋于稳定，在右洞掘进时，桩基水平变形逐渐减小，掘进至第28步（即右洞掘进至第10步）时桩基水平变形趋于稳定，工况一水平变形5.52 mm，工况二水平变形2.16 mm。

通过上述分析认为，左洞开挖面到达6号桩基所在断面之前，由于左洞地层损失导致一定程度的桩基变形，当开挖面接近桩基所在断面，盾构机顶推力作用下，桩基变形产生一定程度恢复，开挖面通过后，由于盾构机超挖等过程，左洞地层损失进一步增大，故桩基桩顶变形随之增大。右侧隧道盾构掘进时，桩基右侧隧道地层损失，故桩基产生倾向于右侧隧道变形，水平变形在一定程度上减小。

从桩基桩顶沉降与开挖步关系曲线可以看出，伴随着左线盾构掘进桩顶竖向沉降逐渐增大，到第10步时趋于稳定，工况一桩顶沉降2.13 mm，工况二桩顶沉降1.41 mm，右线盾构掘进时，桩顶沉降有较小程度增长，后趋于稳定，工况一桩顶沉降2.16 mm，工况二桩顶沉降1.38 mm。

4.2桩基应力变化分析

根据初始应力状态与工况一、工况二下桩基最大主应力云图，可以看出，初始应力状态桩基最大主应力为-327.6 kPa，左洞贯通后工况一桩基最大主应力-326.6 kPa，工况二桩基最大主应力-326.8 kPa，两洞贯通后工况一桩基最大主应力-316.8 kPa，工况二桩基最大主应力-317.07 kPa（图8）。

图8　工况二两洞贯通后桩基大主应力Fig.8　Major principal stress of piles after two tunnels are cur through in Working Condition 2

对比分析：相对于初始应力状态下桩基最大主应力，左洞贯通后，工况一桩基最大主应力变化1 kPa，即0.31%，工况二桩基最大主应力变化0.8 kPa，即0.24%；两洞贯通后，工况一桩基最大主应力变化10.8 kPa，即3.3%，工况二桩基最大主应力变化10.43 kPa，即3.18%。可以看出，盾构机掘进过程中对桩基应力状态影响程度相对较小，左右洞贯通后最大主应力变化为3.3%，在盾构掘进过程中对桩基进行旋喷隔离墙保护，则可将桩基最大主应力变化幅度降至3.18%。

5　结语

本文结合佛莞城际长隆隧道侧穿东新高速桥梁桩基工程，采用数值计算方法分析了盾构推进及相应加固措施对桥梁桩基的影响，得出主要结论如下：

1）盾构机到达桩基所在断面之前，由于隧道开挖引起地层损失导致一定程度的桩基变形，当掘进面接近桩基所在断面，盾构机顶推力作用下，桩基变形产生一定程度恢复，掘进面通过后，桩基桩顶变形逐渐增大并最终趋于稳定。

2）盾构隧道掘进过程中对桥梁桩基采取旋喷隔离墙保护可以有效减小盾构隧道掘进对桥梁工程的影响。

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Influence of construction of side-crossing shield tunnel on adjacent bridge pile foundation

CHEN Tao1,2,LÜ Yong-gang3
（1.Ningbo High Grade Highway Construction Management,Ningbo,Zhejiang 315192,China;2.Ningbo University,Ningbo, Zhejiang 315211,China;3.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100088,China）

Based on the Changlong shield tunnel which is a part of Fo-Guan railway project,the numerical simulation method is used to investigate the influence of side-crossing on the adjacent highway bridge pile foundation at a close range.The research results show that it is an effective method to use jet grouting shelter piles to protect the pile foundation of the highway bridge and greatly reduce the influence of shield tunneling on the pile foundation.

shield tunneling;side-crossing;pile foundation for bridge;jet grouting shelter pile

U655.54；U455.43

A

2095-7874（2016）08-0020-05

10.7640/zggwjs201608005

2016-04-26

陈涛（1977—），男，河北沧州市人，高级工程师，隧道及地下建筑工程专业。E-mail：9350750@qq.com