盾构隧道穿越桥桩加固方案影响性对比分析

邓敦毅 侯建林 李 鹏 李书成 陈道政

(1.中铁北京工程局集团城市轨道交通工程有限公司，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

1 概述

伴随着国内轨道交通的快速发展，在城市轨道交通的修建过程中侧穿既有建筑物或者构筑物的情况频繁发生，给盾构隧道和桩基都带来了安全方面的影响。为了解决这些问题，国内外的很多学者都对盾构隧道侧穿既有结构物的影响性进行了研究，也得出了很多成果。然而对于盾构隧道侧穿桥桩在施工过程中的加固研究较少。国内学者胡盛斌[1]运用三维数值模拟的方法对盾构隧道中穿桥梁桩基施工过程中桩周围土体的加固效果进行分析。李志宏[2]提出了盾构隧道下穿框剪结构大楼施工过程中桩基的三种加固方案并对其进行了对比分析。本文以本工程盾构隧道侧穿桥梁桩基为例。运用三维数值模拟的方法对比研究不同加固方案对隧道和桥梁的影响，为加固方案的选择提供参考。

2 工程概况

某工程区间隧道采用盾构法(土压平衡盾构机)施工。区间隧道侧穿轻轨高架桥桥桩。当盾构侧穿轻轨高架桥时，极易扰动桩基周围地层，造成桩基承载力下降而引起高架桥沉降超限和倾斜超限，盾构侧穿轻轨高架桥桥桩风险等级为一级风险源。因此这个区间的施工是本工程的难点。本工程侧穿的平面位置如图1所示。其中，桥梁基础为32根直径1.2 m的钻孔灌注桩，承台尺寸6.5 m×3.0 m×2.0 m,桩长26.8 m,桩基础与盾构区间水平最小净距为0.85 m。

3 模型建立

3.1 计算模型

以本区间隧道侧穿轻轨高架桥桥桩为工程依托建立盾构隧道侧穿的有限元模型，在参数选取上，土体弹模取地勘资料上压模的5倍，其余参数均取地勘资料上的实际数据。管片为梁单元材料C50，承台为弹性实体材料C35，桩为加接触的梁单元(接触参数：法向刚度模量取弱土弹模的50倍，切向刚度模量取弱土弹模的0.8倍)，所用弹模取自《混凝土结构设计规范》。

3.2 地层力学和材料参数

根据勘察报告和原位测试结果的综合分析，其勘测深度范围内的土层主要为杂填土，粉质粘土，粉土，圆砾，泥岩和粉砂质泥岩。土体本构模型采用修正摩尔库仑，对于加固区土体，为便于模拟和分析，我们将加固区土体设置为单一参数的土体，土体参数如表1所示。

表1 土层物理学参数表

对于管片，桩和承台，在施工工况中，其变形仍处于弹性变形阶段，因此采用弹性本构模型。其参数如表2所示。

表2 实体参数表

4 加固方案

运用MIDAS GTX NX有限元分析软件，结合本工程的特点和实际情况，对于盾构隧道侧穿桥桩制定三种加固方案，并与不加固的原土开挖进行对比，加固采用注浆加固的方式，其加固示意图如图2所示。

盾构隧道侧穿桥梁桩基模型见图3。

加固过程通过修改单元属性实现，为了使模型有较高的对比性，建模时将各方案的加固区域在同一个模型中画出，通过修改不同区域单元的属性来实现不同的加固方案。加固方案如下：

1)注浆加固隧道两侧1.5 m土体。

2)注浆加固桥桩两侧1.5 m土体。

3)同时加固桥桩区和隧道区土体。

4)不做任何加固措施。

5 模型结果与分析

表3 盾构隧道侧穿桥梁不同加固方案最大位移 mm

表3是对模型进行分析计算得到的盾构隧道侧穿桥梁不同加固方案下的最大位移。由表3数据可知，方案三和方案四的加固措施实施后，其结果与不加固相比在沉降上减幅较小，而在横向位移上不仅没有减少，反而增大。可见对于方案三和方案四的加固措施对于本侧穿轻轨桥梁桩基工程来说并不合适。而对于方案二加固隧道来说，通过注浆对隧道周围土体在施工之前进行加固，使其具有一定的承载性能，增强了土体的稳定性和强度，使隧道拱顶土体向隧道净空方向的变形大大减少，从而有效的限制了地表和拱顶的沉降。采取加固措施后无论是水平位移还是沉降都发生了大幅度的减少。其加固效果是显而易见的。

6 侧穿桥梁盾构隧道开挖对桥梁桩基影响性分析

在隧道施工过程中，将会对隧道周围一定区域范围内的土体产生扰动，破坏土体之前所固有的平衡状态，产生应力重分布。而当桥梁桩基在这区域范围内的话，这种破坏产生的变化就会使地基承载力发生变化，而当这种变化不断往上部传递，从基础到桥梁的上部结构，就会导致桥梁出现安全隐患。

在隧道开挖过程中，盾构隧道在荷载的作用下，隧道的顶端和底端会出现向隧道内侧的变形，同时由于注浆产生的压力，隧道左侧和右侧的土体会产生背离隧道的位移，而隧道—土体—桩基作为相互作用的一种特殊体系，这种背离隧道的位移体现在桩基上表现出一种背离隧道方向的压力，相当于桩基受到一定程度的挤压，继而使桩基下部产生与隧道左侧土体相同方向的位移，而桩基上部结构产生向隧道方向的位移。

另一方面，在施工过程中，桩基周围土体受到隧道开挖的影响会产生沉降，然而根据研究和实践经验发现，桩基周围土体的沉降比桩基本身的沉降在数值上要大。因此相对于桥梁桩基来说，土体是往下移动的，这种相对的位移可以看成土体对桩基有一个竖直方向向下的力，这个力称为负摩擦阻力，正是这种负摩擦阻力使得桩基在隧道侧穿桥梁施工过程中产生了承载力的减少，也是产生安全隐患的一个根源。

分析表4中数据可以看出，三种加固方案开挖后桩基最大拉应力和最大压应力都较不加固开挖有所减少，其中对于方案二对隧道周围土体进行加固后桩基最大拉应力为0.9 MPa,最大压应力1.6 MPa,相对于不加固的最大拉应力2.3 MPa和最大压应力3.1 MPa分别减少了1.4 MPa和1.5 MPa。由此可以看出，三种不同的加固方案在不同程度上都可以有效的减缓盾构隧道施工对桥梁桩基的影响。然而方案二在加固后对这种影响的减小相比其他方案更为有效。再次说明方案二对于本工程是一个较为合理的选择。

表4 侧穿桥桩不同加固方案桥桩最大应力 MPa

7 结语

本文采用数值模拟分析的方式，比较了盾构隧道侧穿高架桥梁桩基不同加固方案的效果，得出如下结论：

1)对于盾构隧道侧穿桥梁桩基的情况，通过对不同加固方案的对比研究，仅加固隧道周围土体对于限制拱顶和地表沉降以及桥桩应力的效果相比于对其他区域土体进行加固更为理想。因此做为本工程加固的最终方案。

2)盾构隧道侧穿桥梁的施工过程中，一方面隧道的变形通过土体传递到桩基区域，使桩基产生一定程度的位移。另一方面，由于隧道开挖会使桩身产生负摩擦阻力，这种阻力会大大降低桩基的承载力。通过对隧道与桥桩进行加固，可以在一定程度上减少隧道开挖对桥桩的影响。而经过对比得知对隧道的加固对于降低开挖对桥桩的影响具有更好的效果。因此在施工前应当及时采取加固措施，以减小由于开挖带来的安全隐患。