盾构隧道下穿既有铁路桥梁桩基的加固措施

陈 聪，蹇蕴奇，鲁茜茜，王先明

(1.武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 430030；2.2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

近年来盾构法施工广泛用于城市地铁建设中。为保证周围既有结构的安全，尤其是铁路桥梁结构物的安全，采取合理的变形控制措施至关重要。工程中一般通过优化施工参数、加强结构防护、控制地层变形等方法进行盾构施工安全控制[1-2]。

目前，针对不同工程采取的加固防护措施已有研究。文献[3]通过数值模拟探究了盾构下穿桥梁结构对管片结构内力的影响。文献[4]利用ANSYS探究了不同地质条件下桩基形式和桩隧净距对桩体变形的影响。文献[5]将数值模拟结果与实测数据相对比，证明了富水砂层盾构下穿浅基础桥梁时地表注浆加固对变形的控制效果较好。文献[6]应用有限元软件ANSYS，对未加固、加固桩基础及加固隧道穿越地层3种 工况进行对比，发现加固隧道穿越地层对沉降的控制效果更好。文献[7-8]通过数值模拟并结合现场监测，对采取隔离桩措施的盾构施工进行分析发现,采取隔离桩措施能有效地阻隔盾构施工对既有桩基的影响，但是对桥梁变形的控制效果并不明显。文献[9]综合考虑工程和水文地质条件、上部荷载、施工参数等因素的影响，建立数值模型，对比了2种加固方案下地表沉降和桩身变形规律。文献[10]从可行性、技术难易程度、工期、造价等方面，对砂卵石地层盾构隧道下穿铁路桥梁加固方案进行比选，建议采取桩基托换加固。

从以往的研究可以看出，桩基土体注浆加固和防护隔离桩加固是实际工程采用较多的加固方式，值得研究。鉴于此，本文基于武汉地铁3号线盾构隧道下穿既有铁路桥梁桩基工程，采用三维数值模拟的方法，对结构变形和地表沉降进行分析，对比不同加固措施下既有结构变形，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

武汉地铁3号线新建二七路站—兴业路站区间盾构隧道与既有铁路桥梁位置关系如图1所示，盾构隧道外径6 m，内径5.4 m，管片幅宽1.5 m。下穿段位于武汉地区典型的长江Ⅰ级阶地。施工时先掘进右线，待右线贯通后再掘进左线。受盾构施工影响，既有铁路桥梁结构不可避免地会产生不均匀沉降，危及线路正常运营，需要采用控制措施缓解其沉降。

图1 新建二七路站—兴业路站区间隧道与既有铁路桥梁位置关系示意

2 数值模拟

2.1 模型的建立及参数的选取

计算模型尺寸为71 m(长)×60 m(宽)×60 m(高)。模型左右两侧施加x方向约束，前后两侧施加z方向约束，底面施加y方向约束，顶面为自由面。三维数值模型见图2。假定： ①地层水平层状分布；②盾构掘进施工影响范围为隧道外径的3倍，即18 m；③管片壁后注浆过程中，将浆体与土层混合物简化为均质等厚的注浆层。

图2 三维数值模型

在数值模拟过程中，土体进入塑性状态的判别准则为Druker-Prager屈服准则，桥梁、桩基等结构物以及管片衬砌、注浆层等视作弹性体，地层及结构物均采用实体单元模拟。

管片制作材料采用C50钢筋混凝土，弹性模量为34.5 GPa，考虑到管片之间接头对结构刚度的影响，将结构刚度折减85%。地层及结构物参数依据地质勘查报告确定，见表1。

表1 地层及结构物参数

2.2 工况的设置

图3 桥基加固防护措施

针对左右隧道中间的2号桥墩的承台及桩基采取的加固措施进行分析。隧道埋深15 m时，左、右线隧道距2号桥墩的桩基净距分别为4.2，5.6 m。取3个工况进行模拟计算：①未加固；②对2号桥墩的承台及桩基周边2 m范围内土体进行注浆加固，加固深度达隧道底部以下1 m，如图3(a)所示；③对2号桥墩的承台及桩基两侧采用单排隔离桩防护，如图3(b)所示，防护桩距隧道1 m，桩间隔1 m，沿隧道开挖方向分别超出承台两侧各5 m，桩长至隧道底部以下3 m。

2.3 计算结果分析

2.3.1 地表沉降

盾构掘进过程中土体受到刀具的切削作用，从掌子面上剥离下来进入土舱内部，经螺旋出土器排至机外。由此产生的地层损失，通过地层变形传递至地表，引起地表沉降。取桥梁中心线处断面进行观测。地表沉降变化曲线见图4。可见：①右线掘进完成时受2号桥墩承台及桩基的影响，未加固时最大地表沉降位置相对于右线隧道中心线向右偏移；双线贯通后地表沉降槽呈W形分布，未加固时2号桥墩周围(距桥墩-5～5 m)最大地表沉降为2.431 mm；②采取加固措施后沉降槽特点与未加固时类似，双线贯通后注浆加固、隔离桩防护最大地表沉降分别为11.477，11.275 mm，2号桥墩周围最大地表沉降分别为0.955，0.612 mm。隔离桩防护对地层变形的控制效果更好。

图4 地表沉降变化曲线

2.3.2 轨道竖向位移

图5 2条钢轨在桥梁上的位置

图6 钢轨1的竖向位移曲线

盾构掘进过程中，上部桥梁、轨道等结构物的不均匀沉降通过下部桩基等结构物进行传递。考虑到桥梁结构变形与轨道变形密切相关，取桥梁上部钢轨进行观测，2条钢轨在桥梁上的位置如图5所示，由于钢轨1和钢轨2沉降规律类似，故仅分析钢轨1竖向位移曲线，见图6。可见：①右线掘进完成时轨道最大竖向位移位于2号桥墩中心线左侧约5 m处。②双线贯通后未加固时轨道最大竖向位移为2.562 mm，注浆加固、隔离桩防护轨道最大竖向位移均比未加固时小，分别为0.889,0.715 mm。与注浆加固相比，隔离桩防护轨道最大竖向位移减小19.6%。与未加固时相比，采取加固措施后轨道竖向位移明显减小，且隔离桩防护相比注浆加固对轨道竖向位移的控制效果更好。

2.3.3 桩身位移

在盾构隧道近距离下穿桩基过程中，桩基对隧道施工产生的地层损失十分敏感。桩基不仅向上部结构传递内力及变形，自身也因地层扰动存在着挠曲变形。

2号桥墩下的各桩位置示意如图7。在双线掘进过程中，考虑到2号桩与左线隧道距离更近,故以2号桩为例对桩身横向、纵向和竖向位移进行分析。

图7 各桩位置示意

图8 2号桩横向位移曲线

1)桩身横向位移

2号桩横向(垂直于盾构掘进方向)位移曲线见图8。可见：①右线掘进过程中，受盾尾注浆压力的影响，2号桩于隧道中心线处(深15 m左右)产生远离右线隧道的横向位移。同时，隧道开挖引起的地层损失引起隧道拱顶及拱底土体向隧道内移动，通过地层变形引起隧道以上及以下的部分桩体向右线隧道横向移动。②左线掘进过程中，隧道中心线处2号桩横向位移由远离右线隧道变为靠近右线隧道。双线贯通后未加固时2号桩最大横向位移0.995 mm，注浆加固、隔离桩防护2号桩最大横向位移分别减小至0.859，0.418 mm。

2)桩身纵向位移

2号桩纵向(沿盾构掘进方向)位移曲线见图9。可见：①在右线掘进过程中2号桩产生纵向位移，左线掘进过程中桩纵向位移显著增大。②双线贯通后桩身纵向位移与右线掘进完成时变化规律一致。各工况下2号桩纵向位移在桩顶差异较大，未加固时2号桩桩顶最大纵向位移为0.997 mm，注浆加固、隔离桩防护2号桩桩顶最大纵向位移分别减至0.889,0.562 mm。与未加固时相比，采取加固措施后桩纵向位移显著减小，隔离桩防护相比注浆加固对桩纵向位移的控制效果更明显。

图9 2号桩纵向位移曲线

3)桩身竖向位移

双线贯通后在3种工况下的最大竖向位移均出现在桩顶位置。3种工况最大竖向位移对比见表2。

表2 3种工况最大竖向位移对比 mm

由表2可见：①双线贯通后未加固时2号桩桩身最大竖向位移为2.649 mm，注浆加固、隔离桩防护2号 桩桩身最大竖向位移分别减至0.927,0.739 mm;②采取加固措施后桩身竖向位移显著减小，并且隔离桩防护相对于注浆加固对竖向位移的控制效果更明显。

3 结论

为保证盾构掘进过程中既有铁路桥梁的安全运营，采用有限元软件ANSYS对不同加固措施进行模拟分析，得出以下结论：

1)在盾构掘进之前，对桩基采取合理加固措施可有效减缓隧道施工过程中地层扰动对既有结构的影响，对缓解结构物变形、保证既有线路的运营安全具有重要意义。

2)2种加固措施均能满足既有结构物沉降控制要求。与注浆加固相比，隔离桩防护对地层变形的控制效果更明显。在此前提下，可综合考虑工程量、工程造价等因素，根据实际情况合理选用。