软土地区地铁盾构区间的桥梁稳定性研究

周国强，杨高伟，奚灵智，2

（1.杭州未来科技城建设有限公司，浙江 杭州 311121；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

近年来，随着城市化进程的加快，城市立体化建设与城市轨道交通的建设也如火如荼地发展着。目前，盾构隧道施工是建设地铁轨道交通的主要方法，盾构法施工有着快速高效、安全可靠、适应性较强以及对周边环境影响较小的特点。在我国的城市化发展进程中，发展最快速的当属沿海城市集群，而沿海城市大多属于软土分布区，软土地基的工程条件使这些城市开发地下空间的施工变得更加复杂。在地铁等轨道交通路线必须经过大型结构物的条件下，必须考虑近接施工以及轨道运行对已有结构物的影响，同时还要注意盾构施工在软土区域下受地表沉降及桩基工作性状的影响以及地铁运行时产生的振动对土体的影响。

国内外相关科研工作者针对盾构法施工过程中盾构机对桩基的影响做了大量的研究。Poulos H G等[1]发现采用盾构法施工时，盾构机在推进过程中会对周围桩基产生一定的轴力和弯矩，且建筑体的桩基受到隧道埋深、桩体到隧道的距离和桩长的影响。Pang C H等[2]和Selemetas D等[3]为了研究盾构施工对桩基及周围土体的影响，通过对现场监测数据的整理分析获取了近接施工对桩基的稳定性影响规律。韩进宝等[4]通过对比数值解析和现场监测的实际数据提出了可以用于模拟隧道开挖对周围桩基影响的模型。国内一批工程师对软土地区的地铁盾构下穿桥梁结构体的工程进行了案例描述，在盾构施工下穿桥梁的情形中主要研究靠近结构体附近的近接施工情况，并结合软土区域的工程地质特点和盾构近接施工的技巧，通过案例经验汇总，为软土区桥梁结构体附近的下穿盾构施工提供了指导[5-12]。

文章主要研究软土区域的盾构施工以及地铁建设运营对桥梁及周围土体的影响，以详细案例为基础进行总结。

1 盾构施工对桥梁桩基影响的工程研究

国外的城市化进程较早，对城市地下工程的开发和近接施工产生的问题也给出了较为详尽的施工对策和规范性指导，例如日本的铁道技术研究所在1996年就针对盾构近接施工的问题提出了工程规范说明[13]。伴随着城市大基建的发展，我国的地下工程中也涌现了有代表性的地铁盾构近接施工的案例，如上海明珠线下穿南浦大桥工程、广州地铁2号线内的越秀公园站、深圳地铁罗湖至大剧院区的地铁线与民房桩基存在特殊情况，还有成都地铁1号线近川机场高速立交桥桩基工程等都是典型的近接施工的案例。文章主要以具体工程为例展开讨论，分析总结地铁盾构区间的施工对近桥梁的影响，并对工程中应用的施工技术、提出的加固措施、开展的变形监测特征进行分类分析，为软土地区地铁盾构施工提供参考。

王晓庆[14]发现在盾构穿过既有桥梁时，盾构机的推进速度和刀盘转速对桩基结构和周围土体荷载分布起到重要作用，这主要是因为盾刀运行产生动荷载进而影响周围土体；并强调了盾构机推进与注浆加固应当做好协调以减少土体损失。郭靓[15]对下穿津秦客专无砟轨道高架桥段的天津滨海B1线盾构施工过程进行了分析。该施工区域属于淤泥质软塑地层，土体自身强度较低、孔隙以及含水量高，这种地层分布的区域对隧道的下穿工程挑战巨大，在这种不良工程条件下施工要注意结构体周围形变量，避免盾构施工引起高架桥梁的较大沉降。王哲等[16]采用同心圆三段高差立体刀盾构穿越凤起桥桥桩获得了较好的切削桩基效果，利用这种特制刀盾切削钢筋效果较好且只有极少部分钢筋缠绕在刀具上。此项技术成功应用于杭州地铁2号线凤起桥磨桩工程，可为今后类似磨桩工程提供借鉴。

张凯伟[17]在对杭州地铁2号线凤起路段监测数据进行汇总分析时发现，监测点的位移变化主要是在盾构穿越阶段及盾构离开阶段，而且盾构隧道穿越桥梁桩基时桥梁结构各项监测点沉降值均较大，这主要由注浆量和盾构速度的不协调产生土体的损失所致。李进军等[18]针对典型的软土区域施工的上海虹桥站两条穿越西航站楼桩基的地铁盾构隧道工程进行研究，通过位移控制法和简化分析法对单隧道工况和多隧道工况下的盾构机掘进过程对PHC桩基的影响进行分析，并且通过监测盾构机在推进过程中对西航站楼的影响，利用监测技术和数值模拟相结合的方式更加准确地评价地铁施工对桥梁桩基及周围土体的影响并做出指导。李围等[19]对淤泥质分布广泛的南京地铁1号线盾构工程进行研究。该施工段在土层各向异性明显且沿线有较浅的弱承压水分布的条件下，通过三维数值模拟和室内三维相似模型试验与现场监测相结合，同时进行盾构机盾尾脱环与注浆。此外，通过提高注浆的凝固速度来减少地面沉降。

综上所述，发现盾构的近接施工（甚至切削桩基）对桥梁桩基产生扰动主要是由盾构开挖导致的土体缺失所致，还有盾构机运行所产生的动荷载对结构体和其周围土体产生影响。这种开挖产生的两种改变结构体周围荷载的情形在软土分布区更加明显。对于上述问题的解决方法包括协调盾构掘进速度和注浆支护时间，同时要注意盾构机刀具的设计，并且要结合监测数据和数值分析软件实现对危险区域的判断和二次支护措施的判定。

2 盾构施工对桥梁桩基影响的数值研究

利用力学原理和相关的边界条件，将现场数据与模型相结合更好地获取盾构在施工过程中对周边建筑物的扰动，同时借助数值模拟等手段实现对工程的指导作用。袁海平等[20]通过桥梁结构的耦合弹簧力学机理与有限差分方法相结合的方法，研究了在盾构机工作时桥桩、桥基的水平位移，内部受力特征以及不均匀沉降的规律。杨晓杰等[21]利用FLAC 3D软件分析了广州地铁2号线盾构施工时桩体的承载力变化规律，同时分析了桩底轴力、桩侧摩阻力以及桩端总抗力的变化规律。何海健等[22]通过数值模拟建立有限元模型，研究了地铁盾构隧道在施工过程中的主要因素对周边桩基的影响。毕景佩等[23]对软土区域地铁侧穿桥桩基对高铁桥桩的影响进行研究，施工区域是京沪高铁南仓特大桥段区，利用迈达斯岩土和隧道分析系统有限元软件对大断面盾构区间下穿施工进行有限元分析，得到盾构区间大断面下部穿越京沪高铁南仓特大桥时桥面、桥墩、承台及桥桩位移变化的规律特征。方勇等[24]借助数值分析建立模型，模拟了桩基地层在注浆后的应力状态，得到了盾构施工过程中桩基础本身和土层之间的应力-应变曲线。李早等[25]基于Winkler地基模型，提出了考虑被动群桩桩内的相互作用，在整体考虑下计算隧道开挖对群桩的影响并得到被动群桩遮拦位移以及与有限元法和边界元法计相近的预测值。徐长节等[26]对杭州地铁1号线下穿涌金立交桥进行研究，发现施工段地层中的淤泥质和粉质黏土处于流塑态，如果采用以往的盾构法施工极易引起施工区域的较大变形。徐长节利用有限差分软件建立FLAC 3D地层结构模型对桥梁结构的变形和内力变化进行了分析，确定了盾构施工对桥梁的影响范围，并为盾构区间内的支撑加固提供了可靠建议。

国内一批工程师针对软土地区的地铁盾构下穿桥梁结构体的工程案例，都不约而同地选择监测与数值模拟相结合的方法，利用三维软件模拟盾构施工以及地铁运营对周围结构体的影响。力学模型和耦合边界条件以及三维软件的选择都各不相同，但总的来看，由于问题的复杂性，这些有限的研究对于完全理解隧道开挖与邻近桩基础以及对周围环境的相互作用还远远不够，应做好施工与监测的同步，并将相似模型试验、现场监测数据与数值分析等相结合，从而更好地指导工程实践。

3 地铁运营阶段诱发振动的影响

关于地铁运营阶段诱发振动对桥梁结构体稳定性的影响，同样基于具体工程案例展开研究讨论。地铁轨道在运行过程中会产生动荷载，这种动荷载会对周边建筑物的稳定性产生影响。当前对地铁运营对周围结构体的扰动问题的研究主要是利用现场监测的实际数据与数值模拟相结合的方法，验证力的耦合场模型的准确性。现场测试工作主要是对既有轨道隧道壁及周边建筑物进行实时监测来研究轨道运营引起周边环境振动的衰减曲线、影响范围及分布规律，通过统计分析获取公式模型，再利用得出的模型对运营期间轨道交通线路对周边建筑物的振动进行评估。众多专家学者对这种模型的建立测试和研究分析做了大量的尝试研究。金学健等[27]对近距离隧道轨道列车同时运行对环境产生的影响进行研究，建立了近距离平行隧道-地基平面有限元模型，用于预测不同列车荷载组合。张开伟等[28]以北京某地铁线路周边建筑为研究对象对盾构施工周围建筑进行监测，并梳理了大量的监测数据，结合类比测试和数值仿真的方法发现地铁运行振动会引起建筑物楼板的振动，同时随着楼层的增高建筑物的平均振动加速度有效值也随之增大。通过试验研究，在建筑物基础铺设减振垫及纵向轨枕减振道床轨道实际减震效果较好。宫全美等[29]基于轮轨耦合计算模型模拟换算地铁运行时产生的轮轨力，并结合有限元软件发现列车振动会引起轨道的拱底轨枕正下方地层集中受力；地铁运行过程中动剪应力与列车通过次数正相关。高广运等[30]通过建立有限元模型，根据分层总和法与固结沉降理论预估上海地铁1号线人民广场施工区段隧道的沉降，由分析结果可知预估结果与实际结果相近，同时总结了隧道的地基沉降和车速关系。韦凯等[31]基于软土工况下的地铁运输行为，发现了软土的动刚度特征对于地铁盾构隧道产生的振动影响，并且建立了在软土地区地铁盾构隧道的振动模型。张鹤年等[32]基于三维振动仿真模拟研究了地铁隧道埋深、土层特性和列车行驶速度3个因素对隧道桩基的影响规律，并结合现场数据进行对比。

这种以监测与模型相结合的模式研究地铁对周围建筑结构的影响较为准确，模型数据和实测数据结合可以更好地验证理论模型的可靠性，同时证明地铁运行相对于施工过程对周围建筑的影响较小。

4 结论

地铁盾构施工应当在施工前注意近接施工（甚至切削桩基）对桥梁结构体与周围土体的影响，在施工过程中应当注意盾构机产生的动荷载与土体损失对桥梁桩基的影响，同时做好盾刀选型和掘进速度与注浆支护及具体工程地质条件的协调。另外，在工程条件较为复杂的软土区域进行施工时，要做好监测和数值模拟的数据结合，为盾构下穿桥梁做好区域支护和预防措施。