盾构近接立交桥基础安全影响三维数值分析*

赖金星，刘厚全，汪　珂，冯志华，向　阳

(1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安710043)

0　引言

随着城市的快速发展，地铁成为缓解城市交通压力的重要而有效的途径。盾构法凭借其施工快、安全和对周围影响小等优点，成为地铁建设的主要施工方法[1-2]。然而，在城市进行盾构施工时，不可避免要遇到下穿或近接既有结构。其中，盾构施工对土层的扰动导致近接的桩基础承载力降低，并且施工中的附加荷载使桩基础产生较大的变形，从而导致桩基础内力发生变化，因此，盾构下穿或近接既有桩基础是城市建设中面临的一个重要的难题[3]。

目前，在盾构近接桩基础工程方面的研究已取得了较丰富的成果，总结起来可以分为理论分析、模型试验与数值仿真分析3个方面。Cheng等[3]提出了一种模拟隧道开挖的DCM法，并基于此进一步探索了隧道施工对桩基的影响；Loganathan等[4]提出了计算盾构施工引起的地层位移场的解析解，并对在该位移场作用下的邻近桩基的内力和位移进行了分析；王明年等[5]基于有限差分法和最小二乘法原理，对盾构近接高架桥桩基的影响分区进行了研究，并确定各类桩基沉降集中区；Motorn[6]最先采用常规模型试验方法对盾构施工对邻近桩基的影响进行研究； Jacobsz等[7-9]开始采用离心模型试验对盾构引起的地层与桩基础变形以及桩基承载力的变化规律等进行了研究。而国内这此方面的研究主要以数值模拟方法为主，袁海平等[10]基于有限差分方法研究了邻近桩基的结构受力、水平变形以及地层沉降随盾构推进过程的变化规律；郭一斌等[11]基于有限元方法研究不同盾构深度对邻近的立交桥超长桩承载特性、变形和内力的影响；郑熹光等[12-14]采用数值分析方法研究了盾构隧道施工对邻近桩基的应力与位移以及承载力的影响；何海健等[15]采用数值分析对地铁施工过程主要不确定因素对邻近桥桩沉降的影响进行了研究；方勇等[16]在数值模拟中对盾构掘进参数对邻近桩基位移的影响进行了研究。

上述研究对盾构邻近桩基的施工起到了重要的指导作用。然而，随着地铁的发展，近期的盾构近接工程规模越来越大，而且与既有地下结构物的间距更小，穿越的桩基础由常规的桩基础越来越向立交桥与高架桥等超长桩基础发展，盾构施工对邻近桩基的影响问题越来严重。因此，在如此严峻的工程环境下，以往的研究成果远远不够，对于理解盾构开挖与邻近桩基础之间复杂的相互作用需要做进一步的探索。鉴于上述原因，本文以天津7号线左右双线近距离穿越中石油立交桥匝道的大规模群桩基础的复杂工程为背景，采用有限元软件建立三维数值分析模型，对盾构掘进的各个阶段对邻近桩基的位移以及地层沉降造成的影响进行分析，进一步丰富了盾构近接群桩基础的研究，为该工程施工提供借鉴与依据。

1　工程概况

1.1　地质概况

1.2　近接群桩基础概况

天津市地铁7号线丽江道～肿瘤医院区间穿越中石油桥匝道群桩基础工程位于右线设计里程YDK21+134.382和左线设计里程ZDK21+224.596附近。桥梁结构为墩柱式，桥面为混凝土连续箱梁，桥面宽7 m。区间采用土压平衡式盾构掘进，盾构直径为6 m，管片厚度为0.3 m，管片材料采用C50混凝土，盾尾注浆采用C30混凝土材料。区段的上覆土层深度在18 m左右。盾构在中石油立交桥的匝道处从群桩基础中穿过，距离桩基础的最小距离仅有0.8 m，还有几处较近距离分别为1.18 m，1.24 m与1.64 m。群桩基础为钻孔灌注桩，桩底位于上更新统第五组陆相冲积层的粉质黏土层中，属于摩擦型桩，直径为1 m，桩长40 m，桩间距为2.6 m。钻孔灌注桩采用C25混凝土浇筑，在承台下20 m范围内主筋采用16φ20，承台以下20 m范围外采用8φ20。盾构与群桩基础位置关系图如图1所示。

图1　群桩基础与盾构位置关系/mFig.1　Relationship between pile foundation and shield metro location/m

相比一般的盾构近接桩基础工程，天津地铁7号线近接立交匝道的群桩基础工程施工难度与复杂程度更大。如图1所示，盾构施工邻近的桩基础不仅数量庞大，而且距离非常近，其中最近处仅0.8 m，在该处附近的盾构施工难度骤增，施工安全难以保证。加之盾构左右线路线正好从匝道群桩基础的正中位置穿越，而左右线施工之间相互影响，也将对整个近接工程的施工安全产生较大的影响。另一方面，该立交桥匝道高度较高，桩基础较长，盾构施工过程中造成桩基础的水平位移对桥梁的上部结构产生的影响较常规桩基大。因此，采用有限元软件对邻近桩基的位移与地层的变形进行计算分析就显得尤为必要，结果可为该工程的施工安全提供保障。

2　有限元模型

2.1　几何模型

三维模型的尺寸为100 m×100 m×50 m(长×宽×高)。土层从上至下共7层，各层深度分别为：2 m，6 m，8 m，11 m，5 m，8 m与10 m。盾构埋深18 m。承台尺寸为2.4 m×2.4 m×2 m(长×宽×高)。桥墩的截面尺寸为1 m×1.5 m，桥墩高度按照桥面坡度为5%递增。有限元模型如图2所示。

图2　三维有限元模型Fig.2　Three dimensional finite element model

各土层服从修正-摩尔库仑准则，承台、群桩基础、桥墩、桥面、管片、盾壳和注浆体满足弹性变形特性。其中，土层、承台、桥墩和管片采用三维单元模拟，桥面、盾壳和注浆体采用板单元模拟，桩基础采用梁单元进行模拟并采用桩接触单元来模拟桩和土体之间的接触关系。文献[17]通过现场试验测得粉质黏土与桩基础的切向刚度模量在35.7～102 MPa/m之间，且随着桩身法向压力增大而增大。文献[18]通过现场试验得到接触单元的法向刚度模量取值是切向刚度模量的10～100倍，且当刚度达到105Pa/m级时，继续增大刚度模量，计算结果影响比较小。因此，本文法向刚度模量取值是切向刚度模量的10倍。桩侧摩阻力采用7号线地勘现场测试值。桩基础与各土层之间的接触参数见表1。模型的上部分为自由面，在底部约束XYZ方向的位移，四周约束垂直该面的位移。模型中的地下水位位于地表以下1.5 m处，由于施工过程时间较短，因此可以忽略土自身固结的影响,不考虑地下水的渗流作用，只考虑孔隙水压力。

表1　桩基与各土层接触单元参数

2.2　材料计算参数

为了能够使模型很好的与实际施工工程吻合，模型的土层参数采用天津市7号线二期工程的地质勘查资料，桥梁结构与盾构参数采用了经验值(见表2)。各土层物理力学参数见表3。

表2　桥梁结构与盾构参数

2.3　盾构施工模拟方法

模型以土压平衡盾构掘进为背景,考虑管片结构的横观各向同性性质以及盾构机和管片的相互作用,抓住实际施工中的主要因素与矛盾,对三维盾构掘进模型做适当简化来动态模拟盾构掘进的过程,模型动态模拟了土体开挖、管片拼装与盾尾注浆3个过程。注浆过程通过用注浆体单元属性(刚度迁移法)替换原有的土层属性实现。在掌子面上施加顶推力(200 kPa)来模拟掘进过程中盾构与掘进面之间的相互作用，在管片前面施加顶推力(3 500 kPa)来模拟千斤顶顶推前进的过程，在管片与土体开挖临空面上施加均布荷载(300 kPa)来模拟注浆过程中的注浆对周围土体造成的压力。盾构每次掘进2 m，在掘进到第四步的时开始拼装管片，之后每拼装一环管片顶推一次，前进一环过程中同时注浆一次，通过力与单元的交替实现盾构动态推进过程。左右双线管片分别为50环，先掘进左线再施工右线。盾构推进示意图见图3。

表3　土层物理力学参数

图3　盾构掘进示意Fig.3　Schematic diagram of shield tunneling

3　有限元结果分析

3.1　群桩水平位移分析

由于7号线盾构穿越中石油大桥匝道群桩基础的桩基础数量较多，为更准确的表达模型中盾构动态施工过程对各个桩基础影响以及与桩基的相对位置关系，将桩基础编号见图4。左右双线各长100 m，并将左右双线开挖阶段各设置为25个施工步骤，其中每个施工步骤掘进4 m。

图4　模型桩基础分布Fig.4　Distribution of pile foundation in the model

3.1.1水平位移随施工进程的变化规律

图5为双线竣工时群桩基础的水平位移分布规律。计算结果以X轴正方向位移为正。图中可以看出，盾构施工时，桩基础会受挤压产生于隧道掘进方向垂直向外的水平位移。水平位移较大的部位集中在离盾构较近的桩基上，较远处的桩基位移很小，说明盾构施工会对邻近的桩基产生较大水平位移，对桩基的整体稳定性影响比较大。

图5　双线竣工时桩基础水平位移分布Fig.5　Horizontal displacement distribution of pile foundation after the shield tunnel construction

为进一步分析桩基水平位移随施工步骤的变化规律，选择桩1-1(0.8 m)，2-1(1.64 m)，11-3(1.28 m)，12-2(1.18 m)，12-3(1.20 m)在盾构中心深度(即桩基深度19 m)处的结果进行分析，得到图6。盾构对桩基础水平位移的影响主要分为3个阶段：第1阶段为盾构到达前由于开挖面掘进压力会对邻近桩基产生较大的挤压力，导致桩基产生较大的水平位移，该部分压力对桩基的水平位移影响较大，约占总水平位移的60%。第2阶段为盾构穿越产生的水平位移。盾构穿越时会对周围土体产生较大的挤压力，对邻近的桩基产生较大影响，造成的水平位移约占总位移的30%。第3阶段为注浆阶段。注浆过程会对周围土体产生一定的压力，通过周围的土体传递到邻近的桩基础，而产生一定的水平位移，该部分占10%左右。这3个阶段产生的水平随施工进程叠加，当完成注浆施工后，桩的水平位移达到稳定。此外，桩2-1的水平位移在左线开挖第8步先是逐渐增加为正，在右线开挖7步时，位移逐渐减小并逐渐趋于0至负。这是由于桩2-1先受到左线盾构X轴正方的挤压，后又受到盾构有限在X轴负方向的挤压。这说明盾构左右双线的影响是可以叠加的。

3.1.2水平位移沿桩身分布规律

盾构左右双线施工完成后，选择与盾构距离最近的4根桩1-1，2-1，11-3，12-2和较远的2根桩7-1与7-2来分析水平位移随桩深度分布规律，得到图7。在盾构深度范围(桩深度16～22 m)内桩基础的水平位移比较大，较大的水平位移都集中分布在该区域范围内。各桩基虽与盾构的距离不一致，且受到盾构的影响顺序与程度也不一样，但各桩水平位移随桩深度分布规律比较一致，随深度先增大后减小，在盾构中心线附近的水平位移达到峰值，且位移关于该中心线呈现一定的对称性。说明桩基础上受到的压力随深度变化比较均匀，不存在应力非常集中的部位。此外，图中各个曲线随深度的变化规律表明盾构的影响深度和范围有限。在桩基础10～27 m深度范围内，即盾构上方6 m，下方5 m内的水平位移变化比较大，受盾构的影响比较明显。说明盾构对桩基础在竖直方向的影响范围在1D(盾构直径)范围左右。桩7-1和7-2的水平位移非常小，且沿着桩深度的变化可以忽略，说明在与盾构掘进方向垂直的水平方向，盾构在该方向的影响范围有限。

图7　桩基础水平位移随桩深度分布规律Fig.7　Variation of horizontal displacement of pile foundation with the depth of pile

3.1.3水平位移随距离分布规律

从有限元计算结果中可以看出随着距离盾构越远，水平位移就越小。然而，对于盾构对水平位移的影响范围与程度的理解仍是不够的。且由上述分析可知在与盾构中心线深度处的水平位移最大，因此选取该深度处各桩的水平位移值对群桩基础和盾构之间距离的关系在垂直盾构方向上的影响做进一步的探讨。此外考虑到左右双线前后开挖之间会相互影响，使得水平位移随距离的关系发生变化，因此，仅以左线开挖时的水平位移(取位移的绝对值)做讨论。得到桩的水平位移与到盾构垂直距离的关系见图8。图中将位移数据进行拟合，得到了一个非线性的曲线。可以看出该非线性曲线的拟合度非常高，其中残差平方和接近0，离差平方和与调整离差平方和接近1，说明该曲线可以适用于本模型的计算结果。从拟合曲线中可以看出，盾构在垂直于掘进方向对桩基础造成的水平位移与二者的之间的距离是非线性的，且在距离较近的时候的水平位移随距离增长的比较快。此外，在1D范围内，整条曲线的变化趋势比较接近于直线变化，说明在1D范围内桩基受盾构的影响比较大。此外，在18 m(3D)左右，桩基的水平位移逐渐趋于稳定，说明盾构在该方向的影响范围在3D范围左右。

图8　桩基础水平位移和桩基盾构间距离的关系Fig.8　Relationship between horizontal displacement of pile foundation and the distance

总之，有限元结果表明桩基础沿隧道纵向的位移最小，受到盾构的影响也是最小的，可以忽略在此方向的位移。盾构在水平方向的位移是最大的，造成的影响最大，过大的掘进压力与注浆压力在周围的土体产生较大的压力，进而使得桩基础产生较大的水平位移。因此，在实际的施工过程中，需要合理的控制注浆压力与掘进压力，以此来控制桩基础水平位移。

3.2　地面沉降分析

盾构掘进过程会造成地表发生变形，天津7号线由于穿过的群桩基础比较多，且距离比较近，盾构施工过程中地面的变形规律会相对复杂。图9为双线开挖完成后的沉降分布规律。模型整体的沉降分布比较均匀，盾构底部局部范围内出现一定的隆起，盾构顶部与桥面的沉降比较大。盾构对于地表的影响主要体现在穿越阶段，穿越后地表沉降能趋于稳定。对开挖后的地表沉降的结果做进一步的分析，得到图10。盾构开挖后，左右双线盾构范围内的地表的沉降比较大，有明显的沉降槽。在距离盾构中线20 m处的地表沉降趋于0。说明盾构的影响范围在3D左右。此外，可以看出地表的承台位置的沉降相对比较大，这是由于下方桩基础受到盾构的影响会产生沉降，从而导致承台的沉降加大。此外，最大的沉降出现在2号承台，由于该承台处于沉降槽的中间，且距离左右双线的盾构都比较近(受桩基础影响比较大)，双重作用导致该区域的沉降较其他的区域大。因此，在实际的施工过程，建议对该处的沉降进行较密集的监测。

图10　盾构双线完成时的地表沉降分布Fig.10　Ground surface settlement distribution after the construction completed

4　结论

1)盾构掘进过程产生的压力会对邻近的桩基础产生较大的水平位移，且该水平位移的增长可分为3个阶段：盾构达到前、盾构穿越时以及注浆阶段。3个阶段中盾构达到前产生的挤压力对桩基造成的水平位移最大，占总水平位移的60%。注浆阶段影响最小，占10%，第二阶段约占30%。此外，左右双线开挖对桩基础的水平位移有较明显的叠加效应，处于两者之间的水平位移会相互抵消。

2)桩基础的水平位移随深度先增大后减小，在盾构中心线深度处达到最大值，且位移关于该中心线呈现一定的对称性，盾构对桩基础的影响范围在竖直方向为1D。水平位移与桩基础到盾构之间的距离是一个复杂的非线性关系，在垂直盾构掘进方向1D范围受到盾构的影响比较大，与距离的关系比较接近线性变化，且在该方向的影响范围在3D左右。此外，有限元结果表明，盾构施工对桩基础在垂直于掘进方向的水平位移的影响较大，对掘进方向的位移影响较小。

3)盾构对于地表沉降的影响主要体现在穿越阶段，穿越后地表沉降能趋于稳定。处于左右双线沉降槽之间的承台由于受到土体沉降和桩基础沉降的双重影响，会产生较大的位移，因此在实际施工过程中建议在处于双线之间的桥梁结构实施较密集的监测。

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