复合地层曲线盾构隧道对邻近桩基变形影响研究

李海堂

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300）

1 研究背景

我国地铁建设发展迅速，地铁线路错综复杂，地下结构的合理空间布设是新建地铁线路规划的重点关注问题，曲线盾构施工和近接地下结构物逐渐普遍，地铁隧道工程建设难度增大，安全风险提高。盾构施工产生卸荷扰动区，该区内土体强度先变小，之后土体发生固结，强度增大。盾构隧道开挖，隧道下部出现地层损失，土体出现应力释放，地表回弹隆起[1]。因隧道轴线线型特点，曲线隧道施工引起的额外地层损失将导致更大的卸荷扰动区。盾构施工扰动通过土体传递到附近桩基，使桩基产生附加变形，桩基变形过大将引发桥梁结构的沉降、开裂、倾倒等问题，使桥梁结构的稳定性与安全性受到威胁。因此，开展有关隧道结构、土体和桩基的相互作用机理研究，探究盾构施工对邻近桩基的影响规律，对于复杂工况下隧道施工控制与安全评估有重要意义。

近年来采用数值模拟方法研究盾构隧道施工的案例逐年增多。王勇[2]以武汉大道高架桥桥桩参数为基础，模拟盾构隧道侧穿桩基时桥桩的变形状况，计算结果表明，不采用加固措施的情况下，桥桩变形满足控制要求，盾构隧道可安全通过；罗肖[3]以宁波地铁2号线盾构施工工程为背景，通过数值模拟发现，盾构施工顶推力与注浆压力的大小对周边环境影响很大，盾构近接桩基时，桩顶荷载、桩土界面参数及盾构隧道与桩的相对位置对桩体位移均有不同程度影响；王禹椋[4]以深圳地铁9号线盾构近接群桩为工程背景，采用数值模拟结果与现场监测数据相结合的方法，考虑顶推力与刀盘扭矩的作用，研究发现桩基的数量对沉降槽宽度影响较小；王春凯[5]以上海市轨道交通盾构区间隧道近接高架桥桩基为背景，验证了数值模拟分析盾构隧道近接桥梁桩基变形规律的可行性；漆伟强[6]建立有限差分数值模拟模型，计算分析盾构隧道施工引起的邻近桩基变形特征，从变形的多个角度总结规律；胡佳[7]结合数值模拟结果和实测结论探究发现，盾构开挖引起的建筑物变形有时效性，在盾构开挖20 m以后测点变形达极大值；庞星[8]以太原地铁2号线为研究背景，运用FLAC3D有限差分软件计算盾构开挖导致的地层、桩基础以及周围建筑物的倾斜、变形特点。

南京地铁7号线万寿村站—丁家庄站区间线路多段穿越上软下硬复合地层，且以曲线隧道先后近接经五路高架桥和涂家营桥。以该工程为研究背景，本文采用数值模拟方法，充分考虑复合地层、曲线盾构与近接桥梁桩基的工程特点，计算隧道施工引起的桩基变形，并据此提出相关控制措施。

2 工程概况

南京地铁7号线万寿村站—丁家庄站区间隧道先后近接经五路高架桥桩基和涂家营桥桩基，2处桩型均为钻孔灌注桩，其中经五路高架桥桩基桩径1.5 m，桩长27 m，与区间最小水平净距1.26 m，区间隧道线路曲线半径为450 m；涂家营桥桩基桩径 1.0 m，桩长23 m，与区间最小水平净距3.6 m。区间隧道多段穿越上软下硬复合地层，复合地层上部主要为人工填土、粉质黏土；下部基岩埋深最深为31.0 m，主要有砂岩、粉砂岩、泥岩以及白云质角砾岩，东南侧靠近丁家庄主要为燕山期侵入岩闪长岩。盾构机掌子面地层有全断面黏土、全断面岩层和上软下硬3种地层。万寿村站—丁家庄站区间平面图如图1所示。

3 计算模型及参数

3.1 模型建立

本文采用ANSYS建立数值模拟三维几何模型，网格划分后，采用FLAC3D进行参数赋值、应力施加、边界条件设置。三维模型横向宽度87 m，竖向宽度9.6 m，纵向高度32.1 m，隧道间距设置为15 m，埋深15.1 m。

桩顶承台与桩体之间采用刚接，承台尺寸为22.12 m×6 m×0.5 m，桩体截面为圆形，桩长27 m，桩径1.5 m，隧道轴向相邻桩体间距3.8 m，垂直于隧道轴向的相邻桩体间距6.5 m。盾构隧道管片环外径6.2 m，内径5.5 m，环外侧为注浆层，层厚0.1 m，注浆层外侧建立超挖层，利用超挖层模拟曲线盾构隧道引起的地层损失。

模型建立均采用实体单元，土体和岩体的本构模型为摩尔-库伦模型，其他部分包括管片环、注浆层、超挖层和桩基的本构模型为弹性模型，隧道内土体开挖采用null单元模拟，各组之间的接触关系采用interface结构单元模拟。模型底部施加z向位移约束，顶部为自由边界，两侧分别施加对应的x向位移约束与y向位移约束。

桩基与隧道模型如图2所示。

图2 桩基与隧道模型

3.2 地层损失确定（超挖层）

盾构机曲线掘进时为满足自身姿态要求，实现盾构机的顺利转弯，将采用超挖刀切削土体，扩大开挖半径，此部分超挖量势必造成额外的地层损失。直线隧道掘进与曲线隧道掘进对比如图3所示，盾构机向前掘进距离S，若曲线隧道掘进保持隧道原宽，易出现盾构机侵入隧道边界，无法按照设计轨迹掘进的问题，使用超挖刀增加超挖量，超挖量的增大给盾构机的转向提供可能，但同时隧道开挖半径增大f（即超挖层厚度），对土体扰动大，会造成更大的土体沉降。

图3 直线隧道掘进与曲线隧道掘进对比示意图

本区间隧道轴线以最小半径为450 m的曲线近接经五路高架桥，为正确表征曲线盾构隧道开挖对桩基的影响，在建立模型时，在注浆层外补充超挖层以模拟盾构机为满足沿设计曲线掘进而造成的地层损失。经计算，盾构机450 m曲线转弯时，对应最佳铰接角为0.55°，此时超挖层厚度f= 6.46 mm，由于工程中使用的是被动铰接装置，考虑其无法控制张开角度，易发生铰接过剩或铰接不足的情况，取最不利无铰情况，计算得超挖层总厚度f= 20.45 mm。

4 数值模拟结果及分析

4.1 隧道开挖对经五路高架桥桩基的影响

经五路高架桥桩基总位移（包括隧道开挖前自然状态下的桥桩位移与隧道开挖引起的桥桩位移）如图4所示，从总位移提取隧道开挖引起的桩基位移如表1所示。由表1计算结果可知，隧道开挖后，桩基整体向隧道开挖侧倾倒，桩基的最大横向位移为12.72 mm，最大竖向位移为8.413 mm，均位于桩顶；桩间最大差异沉降为4.92 mm；桩深12.5 m与桩深15.1 m处的位移有较大突变，这是由于隧道开挖后土体发生扰动引起桩基的附加变形，在土体与岩体的地层分界面处弹性模量有较大的突变，土体中桩体位移远大于岩体中桩体位移。

表1 隧道开挖引起的经五路高架桥桩基位移

图4 经五路高架桥桩基总位移云图（单位：m）

4.2 隧道开挖对涂家营桥桩基的影响

涂家营桥桩基总位移（包括隧道开挖前自然状态下的桥桩位移与隧道开挖引起的桥桩位移）如图5所示，从总位移提取隧道开挖引起的桩基位移如表2所示。由表2计算结果可知，隧道开挖后，涂家营桥桩基横向位移最大值为6.796 mm，竖向位移最大值为8.303 mm，均位于桩顶处；与经五路高架桥桩不同，涂家营高架桥桩体四周地层弹性模量变化不大，隧道开挖后桩体整体呈向隧道侧倾倒的趋势，不存在变形明显突变处。

表2 隧道开挖引起的涂家营桥桩基位移

图5 涂家营桥桩基总位移云图（单位：m）

4.3 隧道施工桩基控制值与计算值对比

表3给出了隧道开挖后桩基位移控制值与计算值对比，由表3可知，经五路高架桥桩与涂家营桥桩的横向位移计算值均超出控制值；表4给出了不同水平净距时涂家营桥桩基的位移计算值与控制值对比，由表4可知，数值模拟隧道与桩基水平净距为2.4 m时涂家营桥桩基横向位移、竖向位移均超过控制值。因此施工过程中应重点关注隧道开挖轨迹，曲线掘进时，有针对性地监测隧道掘进时的预偏量和纠偏量，特别在隧道近距离侧穿桩基时增加监测频率，若隧道轴线发生向桩基侧的偏移应及时采取有效措施。

表3 隧道开挖后桩基位移控制值与计算值对比

表4 不同水平净距时涂家营桥桩基的位移计算值与控制值对比

表5给出了隧道无地层损失（注浆完全）与超挖量20 mm（注浆不完全）时经五路高架桥桩基位移对比。由表5可知，合理地提高注浆量可有效限制桩基变形，变形值均小于控制值。

表5 盾构隧道施工时注浆量对经五路高架桥桩桩基位移影响

5 盾构隧道近接桥梁桩基施工安全控制措施

5.1 安全监测

为保证盾构近接桩基施工的安全性，施工过程中应进行以下3方面监测：

（1）针对桥桩应监测其结构损伤、裂缝特征和竖向变形；

（2）针对施工现场地基土体，应监测土体的水土压力和地表沉降；

（3）针对盾构机自身，应监测其施工参数，包括盾构机铰接角、千斤顶推进力、土仓压力、刀盘扭矩和注浆量。

5.2 施工措施

在管片环脱离盾构机尾部之后，管片外会存在空隙，曲线隧道不可避免存在更大的超挖量，因此应通过增加注浆量，及时填补空隙以降低地层损失带来的影响，控制土体位移，减小桩体变形。经计算，20 mm厚超挖层至少需要增加0.469 m3注浆量，使桩体的变形值满足控制要求，提升施工安全性。

6 结论及建议

本文以南京地铁7号线万寿村站—丁家庄站区间工程为背景，建立复合地层曲线盾构隧道近接桥梁桩基仿真模型，计算得到隧道开挖后经五路高架桥桩基最大横向位移为12.72 mm，最大竖向位移为8.413 mm，涂家营桥桩基最大横向位移为6.796 mm，最大竖向位移为8.303 mm；经五路高架桥桩和涂家营桥桩的横向位移超出控制值，应采取监测隧道纠偏量、控制壁后注浆量等措施，控制桩基变形，确保施工安全。