新建桥梁桩基对既有地铁隧道影响的数值分析

□文/程永欢

近年来，随着城市化的不断推进，城市交通量日益增大，为有效改善人们的出行条件，各城市都加大了道路交通基础建设，地面道路、立交、高架、地铁等同步推进；由于地下空间有限，各种管线、桥梁桩基与地铁盾构常常相互影响。本文通过某立交桥梁上跨地铁盾构隧道的工程实例，运用有限元数值分析的方法，对软土地基桥梁桩基对既有地铁盾构的影响进行模拟分析，评价桥梁桩基对地铁隧道盾构区间结构的影响。

1 工程概况

某工程为全互通半苜蓿叶型立交，共三层，桥梁面积约17万m2。立交上部结构主要采用现浇混凝土箱梁，下部结构采用钻孔灌注桩基础。既有地铁线路位于立交南侧，走向大致与立交主线平行，盾构埋深（地面—盾构顶）约7～12 m。上下行盾构间净距正常段6.8 m，最宽处净距达13.3 m。桩基与地铁隧道间的最小净距为3.8 m。桩径分为0.8、1、1.2、1.5 m，桩长47～60 m。见图1。

图1 桥梁桩基与盾构隧道位置关系

场地属海陆交互相冲淤积平原，周边勘察深度内均由第四纪覆盖层组成，地表总体平整，为典型的软土地基。

2 施工措施

为保证桥梁及地铁隧道结构的安全，控制桩基工后沉降≯29 mm，地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20 mm(包括各种加载和卸载的最终位移量)。

基于以上原则，施工时采取以下措施[1]：

1）地铁盾构底标高以上部分土体对桩身的侧阻力不计，适当增加桩长减少沉降；

2）严格控制桩底沉渣厚度，利用桩身声测管进行桩底注浆，以减少沉降，同时增加桩基承载力储备；

3）跨地铁的桩基施工时先采用静压法压入钢护筒，护筒压入深度超过地铁盾构侧土层，以减小桩基成孔作业对盾构的扰动，同时也能避免护筒范围内土体塌孔；

4）跨地铁的桥梁基础采用“间跳施工”方式，即跨越地铁同一断面两侧的桩基不同时作业，以减小对土体的扰动。

3 有限元模拟

采用Midas GTS程序建立有限元模型对施工过程进行模拟。

3.1 模型

模型尺寸为80 m×160 m×60 m，即南北方向取宽度为80 m，隧道前进方向取宽度为160 m，地层埋深取为60 m；盾构衬砌厚度为0.35 m。桩长根据桥梁施工的实际长度选取。见图2。

图2 有限元模型

盾构区间结构、桩基、承台等混凝土材料本构采用线弹性模型，土体本构采用莫尔-库仑模型进行模拟。土体单元选用八节点构成的六面体单元，隧道衬砌选用曲面板单元，承台选用4节点板单元，土体及桩为实体单元，隧道衬砌为板单元。隧道衬砌与土的接触采用曲面弹簧进行模拟。土体模型边界选用地面支承边界。

3.2 施工阶段模拟

1）钢护筒打入土体阶段。先压入钢护筒，穿过盾构区域，以便在桩基成孔过程中形成保护，同时也有效避免盾构相邻土层在桩基成孔中塌孔。

2）采用振动相对较小的施工设备，在钢护筒内成孔，穿过盾构区域至设计桩底标高，沉入钢筋笼及浇筑混凝土。

3.3 运营阶段模拟

考虑桥梁的自重，同时考虑最不利荷载组合[2]下的活载、制动力、离心力等作用对桥梁下部结构受力的影响。

4 计算分析

4.1 施工阶段

4.1.1 钢护筒施工

钢护筒的打入对整个土层造成的影响很小，最大位移位于桩基周边，位移量1.8 mm，随着距离桩基的距离增大而减少，影响范围较小；钢护筒的贯入对地铁衬砌的影响很小，衬砌的最大位移量0.34 mm。见图3和图4。

图3 钢护筒施工阶段沉降

图4 钢护筒施工阶段地铁盾构管片变形

可见钢护筒的贯入对土层及隧道衬砌管片的影响非常微小。

4.1.2 桩基施工

对桩基施工过程中结构的工况进行仿真模拟，见图5-图8。

图5 桩基施工完成土体竖向沉降

图6 桩基施工完成盾构管片变形

图7 桩基施工完成盾构管片剪力

图8 桩基施工完成盾构管片弯矩

从图5 和图6 可以看出，土体表面最大位移为12.05 mm，土体表面沉降较大的均在桩位附近且沉降量的大小与桩受到的竖向荷载的大小成正比，约3～5倍桩径外的土体发生的位移变得非常小，有微小的隆起；管片位移较小，距离桩较近位置位移相对大，最大值为1.75 mm。

从图7 和图8 可以看出，管片单位宽度剪力最大值为15.8 kN 且管片距离桩较近的局部位置剪力较大，远离桩的中间位置剪力较小。管片单位宽度最大弯矩值为230 kN·m 且出现弯矩最大值的部位较少，仰拱方向管片所受弯矩较小。

4.2 运营阶段

由于活载、制动力、离心力等作用会对桩基内力产生影响，从而对地铁隧道产生一定的影响；因此，需要对桥梁运营阶段对隧道的影响进行分析。见图9-图13。

从图9 和图10 可以看出，土体表面最大位移为16.7 mm，沉降较大的均在桩位附近，约3～5 倍桩径外的土体发生的位移变得非常小；隧道上方土体发生的侧向位移聚集在桩位附近，最大值为2.2 mm，随着距桩基距离的增大而逐渐减小。

图9 运营阶段土体竖向沉降

图10 运营阶段土体侧向位移

图11 运营阶段盾构管片变形

图12 运营阶段盾构管片剪力

图13 运营阶段盾构管片弯矩

从图11 可以看出，管片的位移量较小，最大值为3.36 mm，位移较大的部位均在隧道两侧距离桩位较近的位置。

从图12 和图13 可以看出，管片单位宽度剪力最大值为15.8 kN且管片距离桩较近的两端局部位置剪力较大，远离桩的中间位置剪力较小；管片单位宽度弯矩最大值为240 kN·m且出现弯矩最大值的部位较少，仰拱方向管片所受弯矩较小。

5 结论

新建桥梁在施工及运营工况下，会使其影响范围内的盾构管片产生变形，区间隧道整体发生向下的沉降及水平变形，但差异沉降绝对值较小，变形值和内力值均在控制标准范围内，不影响行车安全。在施工阶段做好施工控制、落实实时监测，可确保既有地铁盾构区间正常使用与运营。