近距侧穿高铁桥桩盾构施工影响规律及加固措施

徐 硕， 朱永全*, 徐 强, 李 赛， 王晨曦

(1.石家庄铁道大学土木工程学院， 石家庄 050043； 2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，石家庄 050043)

随着中国城市轨道交通建设的兴起，盾构隧道施工极易出现近距离穿越既有结构的情况，地铁隧道盾构施工导致地层损失引起隧道周围地层移动，其产生的自由土体位移场使得工作状态的桩基产生附加内力和变形。而高铁桥梁桩基作为城市轨道交通穿越工程中较为特殊的一类既有结构，由于高速铁路行车速度高，对轨道的变形控制要求极为苛刻，当高铁桩基受到影响时，还会引起高铁桥上轨道结构的变形，加剧轨道的不平顺，严重时会使高速铁路无法正常运营甚至会导致桩基或桥上结构的破坏。因此，盾构隧道近距离侧穿高铁桥梁桩基础时，确保该类工程的施工安全显得尤为重要。

中外众多学者针对隧道穿越桥梁桩基施工问题开展了大量研究。Chen等[1]运用理论解析方法对隧道邻近桩基施工过程进行了理论研究，分别考虑了桩顶固定和桩顶自由两种情况，计算了不同距离条件下隧道开挖造成土体和桩基位移。Lee[2]采用在模型试验和二维弹性有限元模型，分析表明隧道施工影响桩基的因素为：桩端位置、桩基顶部所承受的荷载、地层损失及地层参数、桩基础半径及长度、隧道断面大小等，并对桩端的不同影响区域进行了划分。王谦等[3]基于数值模拟和现场实测，验证了侧穿工程中排桩加固效果、施工技术参数选取的合理性、数值计算和监测数据的一致性。毕景佩等[4]以下穿小月河桥的北京地铁27号线盾构区间隧道工程为背景，研究了大断面盾构区间下穿小月河桥施工过程中桥面、盖梁及桥桩位移变化规律特征，并揭示了盾构区间近距离下穿小月河桥施工过程中桥桩差异沉降变化规律。王栓等[5]通过数值模拟，针对地铁盾构隧道侧穿桩基进行了力学性能分析，发现群桩对地层损失有很好控制效果。徐建宁[6]以平潭某区间段管廊深基坑为研究对象，结合三维数值模拟和现场监测，分析了综合管廊基坑施工对邻近桥梁的影响规律。陈聪等[7]依托武汉地铁3号线地铁下穿铁路桥梁的实际工程情况，采用加固措施、隔离桩防护等防护措施进行桩基加固，证明了加固措施对地表沉降控制起到了很好的效果。吴镇等[8]在济南轨道交通R1号线下穿京沪高速铁路桥梁工程中，采用数值仿真计算和室内模型试验，研究发现隔离桩桩长越长起到的防护作用越好。

基于以上研究，依托西安地铁14号线盾构隧道近距离侧穿大西高速铁路桥梁群桩基础工程，采用三维有限元方法模拟施工过程，对盾构隧道近距离穿越桥梁桩基础影响进行研究，并对防护措施进行对比分析，确定该类工程防护措施的必要性及最合理方案。

1 工程概况

西安地铁14号线工程线路全长13.76 km，均为地下线，其中尚贤路站—学府路站区间下穿大西高速跨西铜公路特大桥，该桥为32 m跨简支箱型梁，每个承台下设8根钻孔灌注桩，桩基直径为1.25 m，桩长为46 m。穿越桥梁桩基段盾构隧道埋深为11 m，盾构隧道外边线距离桩边最小距离为3.78 m，本区间盾构隧道从2019年12月底始发，右线隧道先行并于2020年1月经过大西高速，左线隧道于2020年3月经过大西高速，盾构隧道与桥梁桩基的位置关系如图1所示。

图1 盾构隧道穿越高铁高架桥桩位置关系示意

2 盾构隧道近距离穿越桥梁桩基础影响分析

2.1 地层参数

数值计算中地层参数选取自地质勘察报告，共分为7层，具体参数统计如表1所示，均选用实体单元和摩尔-库伦本构模型进行模拟计算。

表1 地层参数

2.2 结构参数

数值模拟主要考虑的结构有盾构管片、桥梁桩基础、桥梁桥墩承台，结构具体参数统计如表2所示，其中盾构管片外径6.0 m，厚度0.3 m，环宽1.5 m；桩基础直径为1.25 m，桩身长46 m；承台尺寸12.2 m×6.8 m，所有结构均采用弹性本构模型进行模拟。计算过程中对其余桥梁结构进行简化，因此将上方桥板的重量进行换算，得到单个桥墩所受荷载为6 839 kN并施加于桥墩上。

表2 结构参数

2.3 土仓压力及注浆压力

本文中土仓平衡压力按静止土压力进行计算，管片回填注浆压力选取静止土压力的1.1～1.2倍，土仓平衡压力取值为0.7 MPa,管片回填注浆压力取0.9 MPa。

根据上述计算参数，综合考虑数值计算的准确性及复杂程度，确定模型尺寸长×宽×高=160 m×60 m×80 m，模型示意如图2所示。

图2 模型示意图

3 计算结果分析

对盾构隧道正常施工即无隔断、加固措施情况下，近距离穿越桥梁桩基础的施工影响进行分析时，为便于分析现对目标桩基及桥台进行编号，如图3所示，S1与S2为桥台沉降的监测点，P1～P8为目标桩基础，其中P1～P4为距盾构隧道更近的前排桩，P5～P8为距盾构隧道更远的后排桩。

图3 桩基编号示意图

3.1 桩身位移分析

盾构隧道施工完成后，提取目标群桩的桩身位移量，并绘制桩身水平、竖向位移曲线分别如图4所示，以图2(a)中所示x轴正向为水平位移正向，以z轴正向为竖向位移正向。

通过对图4进行分析可知，盾构隧道开挖完成后，不管是群桩的水平位移还是竖向位移，变化趋势大体相同。从群桩竖向位移角度分析，群桩桩身竖向位移均为负值，且群桩桩底沉降均大于桩顶沉降，表明桩身竖向位移大于土体竖向位移，桩身侧摩阻力为正值。从群桩水平位移角度分析，水平位移变化主要集中在隧道所在深度及以上(地铁埋深11 m，仰拱距离地表17 m)，隧道底部以下桩基水平位移基本无变化；前排桩整体水平位移变化明显大于后排桩，其中P1-1桩的水平位移最大，达到4.2 mm。

图4 无隔断、加固措施下群桩位移

前后排群桩水平位移明显不同的原因，一方面因前排桩距离盾构隧道更近，受盾构开挖影响更大；另一方面，是由于桩基的遮拦效应所致，盾构开挖过程中，桩基会对邻近土体的位移产生阻碍作用，前排桩的存在削弱了盾构开挖对后排桩水平位移影响，导致后排桩明显小于前排桩的水平位移。

3.2 桩身内力分析

盾构隧道施工完成后，提取目标群桩的桩身轴力及弯矩，并绘制桩身轴力及弯矩分布曲线分别如图5所示。

图5 无隔断、加固措施下群桩桩身内力分布

通过对图5进行分析，从群桩的轴力进行分析可知，盾构隧道施工完成后，目标群桩桩身的轴力分布相似，前排桩和后排桩的轴力只有桩底一小部分位置表现为轴拉力，其余部分均表现为轴压力，随着桩基靠近隧道轴压力逐渐增大，在隧道横断面轴线埋深处达到最大值，其中前1桩轴力最大为322 kN，之后逐渐减小。从群桩的弯矩进行分析可知，前排桩弯矩与后排桩弯矩方向相反，整体呈对称分布，前、后排桩最大弯矩均出现在隧道拱顶对应埋深位置，但前排桩弯矩大于后排桩，其中前1桩弯矩最大为757 kN·m，前排桩弯矩受右线隧道盾构影响较大，后排桩弯矩受左线隧道盾构影响较大。

3.3 桥台位移监测点结果分析

盾构隧道施工完成后，绘制桥台测点S1和测点S2沉降随掘进距离变化曲线如图6所示。

通过对图6进行分析可知，无隔断、加固措施的情况下，桥台监测点沉降最大值为4.91 mm，根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》[9]中规定，高速铁路无砟轨道线路静态几何尺寸容许偏差管理值，轨道高低的作业验收值为2 mm以内，因此不设防情况下桥台的沉降明显不满足规范要求，需要考虑隔断和加固措施。

图6 桥台监测点沉降曲线

4 盾构隧道近距离穿越桥梁桩基础加固方案对比

查阅文献[10]，综合考虑建设成本及施工难易程度，选定袖阀管注浆加固、钻孔灌注桩隔断及注浆+隔断桩+钢横撑综合加固措施3种加固方案。隔断桩桩径为0.6 m，沿隧道走向1.0 m等间距布置；横撑结构断面为0.6 m×0.6 m的正方形，钢横撑置于隔断桩桩帽上，沿隧道走向6.0 m等间距布置；注浆加固采用Φ50 mm袖阀管地面注浆的方式，采用超细水泥注浆，平面水平范围为两排隔离桩之间土体范围，竖向范围为隧道上下各2 m，加固长度为铁路承台两侧不小于9 m范围。加固措施横断面布置如图7所示，具体参数统计如表3所示，建立数值计算模型如图8所示。

图7 防护措施示意

表3 加固方案及参数

图8 防护措施模型示意

4.1 桩身位移分析

为更直观地对比分析加固后的群桩桩身位移变化，基于第3节分析，本节仅针对位移最大的P1桩进行对比分析，绘制P1桩不同加固方案的桩身位移曲线如图9所示。分析图9可知，采用隔断、加固措施后，由于隔断桩的遮拦效应和注浆加固对围岩力学性能的提升导致桩身水平及竖向位移明显减小，桩身向隧道轴线方向扭曲程度也明显改善，其中综合加固方案桩身最大水平及竖向位移值最小，较无加固方案分别减小65%、20%，并且桩身的扭曲程度最小；仅设隔断桩方案对桩身位移的优化效果次之，仅注浆加固方案虽然对桩身原方向位移优化效果较好。

图9 不同加固方案P1桩身位移曲线

4.2 桩身内力分析

提取并绘制前桩1不同加固方案的桩身轴力及弯矩分布曲线如图10所示。分析图10可知，3种加固方案里，综合加固方案对桩身的内力优化效果最好，桩身轴力减小约80%，桩身弯矩绝对值减小近50%，相比之下仅设隔断桩的桩身内力优化效果次之，仅注浆加固优化效果最差。

图10 不同加固方案P1桩身内力分布

综上所述，不管是从桩身位移优化还是桩身内力优化角度对比分析，综合加固方案的优化效果都是最好的，仅设隔断桩次之，仅注浆加固效果最差，这主要是因为仅设注浆加固时仅改善了加固区域土体的强度，虽然能够一定程度上改善盾构开挖引起的地层损失，但开挖影响还是直接能够传递到既有桩基础；仅设隔断桩，能够明显的阻断开挖影响的传递路径，进而减小既有桩基础的位移和内力，而综合加固方案兼顾两种优化机理，相比之下，宜采用袖阀管注浆加固+隔断桩+钢横撑的综合加固方案。

4.3 桥台位移监测点结果分析

以S2桥台监测点为例，提取并绘制不同加固方案下的沉降曲线如图11所示。分析图11可知，考虑隔断和加固措施后，仅袖阀管注浆加固措施下桥台监测点沉降最大值为4.03 mm(仍高于控制标准)，隔离桩加固措施下桥台监测点沉降最大值为2 mm(等于控制标准)，综合加固措施下桥台监测点沉降最大值为1.47 mm(低于控制标准)，宜选用综合加固方案对盾构隧道近距离穿越既有桥梁桩基础类工程进行加固。

图11 不同加固方案S2桥台测点沉降对比

结合现场实测数据和上述数值计算结果，绘制测点S2数值模拟计算沉降值与现场实测值对比图如图12所示。

通过对图12进行分析可知，数值模拟沉降发展趋势与现场实测值拟合较好，说明数值模型中所采用的网格尺寸、盾构模拟方法与参数、桩-土接触面等较为合理，上述计算结果较为可靠，可为以后类似工程提供一定的借鉴意义。

图12 S2监测点桥台沉降数值模拟与实测对比

5 结论

结合西安地铁14号线盾构近距离侧穿大西高速铁路桥，基于数值模拟，分析了盾构施工对桥梁桩基础的影响，并对拟定的加固方案进行了分析比选。

(1)群桩桩身竖向位移均为负值，且桩底沉降均大于桩顶沉降；水平位移变化主要集中在隧道所在深度及以上，隧道底部以下桩基水平位移基本无变化；前排桩整体竖向及水平位移变化明显大于后排桩且桩基距离隧道越近竖向及水平位移越大。

(2)群桩桩身轴力绝大部分表现为轴压力，桩基越靠近隧道轴力越大，在隧道轴线埋深处达到最大值；前、后排桩弯矩方向相反，整体呈对称分布，最大弯矩出现在隧道拱顶对应位置；前桩1的轴力及弯矩均为最大。

(3)不设隔断、加固措施时，桥台监测点沉降最大值为4.91 mm，不满足《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》中轨道高低的作业验收值为2 mm的规定，需要考虑相关隔断和加固措施。

(4)提出了袖阀管注浆加固、钻孔灌注桩隔断及注浆+隔断桩+钢横撑综合加固三种加固方案，其改善效果呈现一定规律：袖阀管注浆加固<钻孔灌注桩隔断<综合加固；其中综合加固方案对群桩位移及内力优化效果均为最优，桩身水平位移、竖向位移、轴力、弯矩分别减小65%、20%、80%、50%。

(5)选用综合加固方案后，桥台最大沉降值为1.47 mm，满足规范要求，与现场实测数据对比较为吻合。