盾构下穿桥梁引起桥桩沉降变形的数值分析

乔晓锋，钟 哲

(1. 广东水电二局股份有限公司，广州 511340;2.广东省水利水电工程技术研究中心，广州 511340)

1 概述

为缓解水资源时空分配不均匀，一系列隧洞引水工程正投入建设中。利用盾构机等现代化机械设备能有效提高施工效率，在盾构机掘进隧洞施工过程中，往往需要近距离下穿桥梁、居民房等既有建筑物，盾构施工会对上覆土层造成扰动，引起地表发生隆起或沉降变形，影响地表既有建筑物的结构安全[1-3]。针对盾构近距离穿越建筑物的问题，国内外许多学者根据实际工程，采取理论分析、数值模拟等手段计算及预测建筑物可能发生的沉降量，并采取一系列加固措施，将其控制在容许范围内，以确保相关工程的施工安全和建筑物的正常使用[4-6]。徐前卫等[7]综合运用理论分析和数值模拟的方法，提出了隧道穿越桥梁桩基的地基加固、桩基托换和洞内除桩方案，可有效控制桥梁的结构变形；Mroueh和Shahrour[8]运用三维弹塑性有限元分析了单桩和群桩基础对临近隧道掘进的反应，结果表明隧道掘进会引起临近桩基内力增加，桩基轴力与桩基和隧道的相对位置密切相关。黄新民[9]提出了对桥梁采用上部结构顶托+桩基础周围注浆的保护方案可减小盾构施工对桥梁的影响，改善盾构隧道的施工条件。

尽管国内外众多学者开展了盾构穿越既有构筑物施工影响的工程案例分析，但是各具体工程的实际情况存在较大差异，所采取的分析方法和工程应对措施亦不尽相同[10-12]。本文以半洋引水隧洞工程下穿甬莞高速桥为例，通过数值模拟对盾构隧洞近距离下穿桥梁基础的影响进行预测分析，后期经由现场实测结果加以验证，以期为今后类似工程提供借鉴和参考。

2 工程概况

半洋隧洞引水工程(西山溪—古巷进洞口段)采用盾构法施工，盾构隧洞从甬莞高速桥的第17、18排桩基中间穿过(里程区间BY0+266.6～BY0+307)，区间隧洞顶板覆土层厚度为13.6～14.5 m，盾构穿越地层主要以粉质粘土为主，其中盾构隧洞外壁距离第17排桩基最小距离为5.1 m，距第18排桩基最小距离为6.6 m。甬莞高速桥为预制连续桥，桥梁上部结构为预制组合箱梁，下部结构为摩擦桩，桥桩直径为1.6 m，桩长为40.0 m，该高速为双向4车道的国家级交通要道，车流量大，对桥梁保护要求高，风险等级为一级，盾构施工时要重点考虑桥梁基础沉降变形等问题，并且此处为300m转弯半径的曲线段，盾构机姿态控制相对困难，施工难度较大。隧洞下穿桥梁情况图1、图2。

图1 半洋隧道与甬莞高速桥桩关系平面位置示意

图2 半洋隧道下穿甬莞高速桥桥梁纵断面位置示意

盾构隧洞开挖会对周边土体造成扰动，引起地层沉降变形、桥梁基础发生沉降等问题，因此在盾构施工前对其影响情况进行分析预测，并采取相应的加固措施，避免影响桥梁的安全使用。

3 模型构建

3.1 模型构建设想

隧洞的开挖支护、衬砌等施工打破了原有的地层平衡，使得地层内的原始地应力场发生了改变，并逐渐向一个新的平衡过渡。在这个过程中，失衡的地应力由上往下从地表传递到了隧道结构，相反整个地层的变形则从隧道的拱顶延伸至地表，进而引起地表及地表上既有建筑物产生位移和变形[11]。在施工过程中，开挖卸载会导致开挖面土体向隧道内移动、隧道支护结构变形均会造成地层产生竖向位移，管片衬砌背后的空隙闭合也会对地层造成扰动，甚至因隧道整体下沉而引起地表沉降。

半洋隧道下穿甬莞高速桥，其中距离隧道最近的桥墩仅5.1 m，盾构隧道施工难免会对桥梁造成影响，因此须采取一些隔离加固措施减弱盾构施工对桥梁的扰动，保障桥梁结构的安全稳定。为此建立模型用于模拟盾构隧道无加固和采取隔离加固措施两种工况下穿高速桥梁的全过程，数值分析盾构隧道施工对地层及地表既有建筑物的扰动情况，对比分析无加固和隔离加固两种条件下地表及桥梁基础的沉降变形，并通过后期施工阶段对桥梁的变形监测数据验证模型的合理性和准确度。

3.2 计算模型建立及参数选择

建立整体三维有限元模型，包括半洋盾构隧道、甬莞高速桥16～19排桥桩、系梁、墩柱、盖梁及桥面等结构。根据有限元计算原理及软件的计算能力，确定计算规模。

1) 长度方向：为减小边界效应产生的影响，桥梁两侧各取50 m，地层模型长度方向(X向)的尺寸取140 m。

2) 宽度方向：隧道施工主要对临近桥桩的影响，为17、18排桥墩，两侧模型多建立一排桥墩，模型宽度Y方向的尺寸取82 m。

3) 高度方向：根据隧道埋深、桥桩长度以及旋喷桩加固的深度，模型高度方向取50 m。

计算模型基本尺寸及相应的位置关系见图3、图4。

图3 盾构下甬莞高速桥计算模型示意

图4 高速桥桥桩与隧道位置示意

计算模型中，土体本构关系采用Mohr-Coulomb屈服准则，进行弹塑性计算，结构采用线弹性本构模型进行弹性计算。地层和相关结构的具体几何参数为实际设计值，物理力学参数参考地勘和设计文件选取。各材料的具体参数见表1。

表1 土物理力学参数取值

模型中各层土体均按天然重度考虑，计算荷载包括结构及土体的自重荷载。位移边界条件：土体模型的顶面为自由边界，底面为竖向约束，四周为法向约束。

隧道开挖过程是一个卸载过程，因此在计算中采用土体的回弹模量，其值按经验近似取表1中压缩模量Es的5倍。

计算分析过程中，假定围护结构与桥梁结构均处于弹性阶段，围护结构与桥桩均采用弹性模型，除盾构隧道衬砌采用板单元模拟外，其余结构均采用实体单元模拟，模型中混凝土结构重度均为25 kN/m3，桥梁结构、隧道等结构的力学参数见表2。

表2 结构计算参数取值

隧洞开挖过程的模拟根据实际施工情况进行优化设置，本模型分12次开挖，每次开挖设置为12 m，开挖完成后施加垂直于开挖面支护压力1.75 MPa(根据盾构机土仓压力)，随后激活管片单元，改变注浆层土体参数。按此循环作业12次，完成隧道开挖衬砌施工。

4 有限元计算结果分析

4.1 地层、地表竖向变形分析

隧洞开挖将破坏原有地层平衡，引起影响范围内地层发生位移变形。图5表示盾构隧洞开挖完成后地层和地表的竖向位移情况，由图5可知，隧洞上覆土层在重力作用下会发生沉降变形，顶部最大沉降值为18.87 mm，超过控制值15 mm，底部土层则由于卸荷作用产生仰拱上抬，底部地层隆起最大值为2.73 mm，盾构开挖施工对地层扰动较大；地面隆起和沉降是影响当地居民生命财产安全的直观表现，经模型计算，隧洞沿线地表最大沉降值为12.60 mm，发生在隧洞穿过桥梁正下方位置，盾构开挖施工会引起一定程度的地面沉降，造成地面塌陷、地表既有建筑物不均匀沉降等问题。

图5 盾构施工引起土层及地表竖向位移云示意

4.2 桥梁基础及桥面竖向变形分析

为进一步研究盾构隧洞开挖对桥梁的影响，对盾构施工引起桥梁基础和桥面的竖向位移进行分析。由图6可知，临近隧洞两侧的17、18排桥墩是主要受影响的桥梁基础结构，其中距离隧洞线路最近的17排1#桩的沉降幅度最大，竖向位移为1.98 mm，对应的桥面沉降量为1.91 mm，距离隧洞线路最远的18排10#桩沉降幅度最小，竖向位移为0.30 mm，对应的桥面沉降量为0.26 mm；17、18排纵向桥梁墩台间差异沉降最大值1.69 mm，横向桥梁墩台间差异沉降最大值为1.52 mm，接近控制值3 mm，考虑到桥梁本身受到外界诸多因素影响，为防止桥梁在实际施工过程中发生不均匀沉降，应采取一些隔离加固措施，减弱盾构施工对桥梁基础的影响，规避安全隐患。

图6 盾构施工引起桥桩及桥面竖向位移云示意

4.3 隔离加固措施

通过上述分析，盾构隧洞开挖会对地层造成较大扰动，引起地面、桥梁基础及桥面发生不均匀沉降，影响桥梁结构的安全使用。以往工程常采用的隔离加固措施包括盾构加强注浆加固[5]以及对桥梁采取桩基础周围注浆保护和上部结构顶托等措施[7]，上述措施均能有效减弱盾构施工对桥梁的影响。

本工程桥梁加固主要采用旋喷桩隔离和同步顶升两种措施进行隔离加固。采用旋喷桩对桥梁桩基础进行注浆保护，可对其四周土体形成压密，使部分浆液进入土粒之间的空隙，使固结体与四周土紧密相连，提高土体抗剪强度，改善土的变形性质，从而提高地基承载力，减小地基沉降变形。同时旋喷桩作为隔离桩搭接后形成两道帷幕，改善地基土水流性质，提高帷幕间土体力学性质，使得土体由无侧限状态改变为有一定边界条件的侧限状态，减少盾构穿越对桥墩桩基础周围土体的扰动，改善盾构施工对桥墩的影响。另外，在桥梁承台上部增加可控顶托支架，由千斤顶抬升分担桥梁部分应力，减小桥梁下部结构受力，在盾构施工期间对桥梁进行同步顶升，防止桥面板因地层扰动而发生不均匀沉降，削弱盾构隧洞施工对桥面板的影响，保证高速桥面平衡稳定。

两种隔离加固措施的设计情况，在高速桥底部，沿盾构线路两侧各布设3排旋喷桩加固，旋喷桩直径为800 mm，桩距为600 mm，桩底高程为-12.54 m，桩底低于盾构管片外轮廓以下3.0 m。桥梁顶升加固系统采用直径900 mm钢管，放置于1.5 m×0.5 m混凝土条基上，与千斤顶组成临时支架系统。隔离加固措施与桥梁桩基位置见图7。

图7 甬莞高速桥加固剖面示意

4.4 加固后地层、地表竖向变形分析

通过模拟对隧洞沿线的桥梁桩基及周围土体进行旋喷桩隔离加固，分析加固后盾构施工引起的地层、地表竖向变形情况。由图8可知，在桥桩附近施加旋喷桩隔离加固后，地层最大沉降值为16.61 mm，最大隆起值为2.66 mm，相较于无加固措施，沉降变形量减小2.26 mm，隆起变形量减小0.75 mm，加固前后变形幅度相差不大；桥梁正下方地表沉降位移为3.25 mm，相较于无加固措施，竖向位移减少9.35 mm，沉降变形幅度减小约74%，地表沉降变形大幅度降低，并且隧洞沿线地面沉降变形向远离加固区域的一侧转移。分析结果得出隔离加固前后地层的沉降位移变化相差不大，而加固后地表竖向位移远小于加固前，这是由于地层最大沉降和隆起值发生在隧洞顶部和底部，受旋喷桩隔离加固的影响较小，而地面土体因旋喷桩加固后，固结体与四周土紧密相连，大大提高了土体抗剪强度，减小了地面沉降变形。

图8 加固后盾构施工引起土层及地表竖向位移云示意

4.5 加固后桥梁竖向变形分析

图9显示了加固后盾构施工引起桥桩及桥面的竖向位移情况。

图9 加固后盾构施工引起桥桩及桥面竖向位移云示意

由图9可知，施加旋喷桩隔离加固措施后，桥梁整体沉降变形显著减小，其中受影响最大依旧是距离隧洞线路最近的17排桥墩1#桩，其竖向位移为1.48 mm，对应的桥面竖向位移为1.46 mm，相较于无加固条件下分别减小了0.5 mm和0.45 mm；17、18排纵向桥梁墩台间差异沉降最大值为1.12 mm，横向桥梁墩台间差异沉降最大值为1.02 mm，相较于无加固条件分别降低了33.7%和32.9%，表明采用旋喷桩等隔离加固措施后，有效减小了桥梁基础结构的竖向变形，缓解了桥梁墩台间差异沉降，降低了桥梁发生不均匀沉降的风险。

4.6 盾构施工全过程桥桩竖向位移变化分析

根据模型计算结果，选取临近盾构隧洞的17、18排桥墩上位移变化显著的节点(与隧道中部约同一标高，水平距离隧道最近节点)，分析1～10#桥桩分别在加固和无加固两种条件下桥桩竖向位移变化规律(见图10)。由图10可知，盾构开挖穿越桥梁时即为开挖6、开挖7部分，此时桥梁结构位移变化最大。待隧道穿越桥梁后，桥桩位移趋于稳定收敛。盾构施工对桥墩的影响程度与桥桩距离相关，桥桩与隧道距离由近到远，对应的桩基所受到隧道施工的影响也由强减弱，最小处变形不足1 mm。

图10 桥墩竖向位移变化曲线示意

通过三维模型计算结果分析，无加固条件下盾构隧洞直接掘进通过桥梁结构时，隧洞开挖会引起桥梁结构产生较大的竖向位移，且墩台结构自身沉降变化及相邻墩台变化较大。采取隔离加固措施后各桥墩沉降变形均有所减小，在隧道穿越桥桩过程中也减缓桥桩的沉降速率，缓解了桥桩沉降问题。并且隔离加固对桥桩的差异沉降有较好的控制作用，有效减小了桥梁承台的不均匀沉降，确保桥梁结构变形控制在安全范围内。

4.7 盾构施工现场监测数据分析

盾构施工时对地面、桥梁基础的监测数据与模型计算数据进行对比，可以很好反映模型的准确性。半洋盾构隧洞于3月30日—4月6日下穿甬莞高速桥，在盾构开挖施工过程中持续对无加固区(测点D1～D5)和加固区(测点D6～D10)地面沉降变形以及1#～10#桥墩的竖向位移进行监测(见图11)。由图11可知，随着盾构掘进，地面及各桥墩均发生了不同程度的沉降变形，其中无加固区测点累积竖向位移范围为8.04～20.03 mm，加固区测点累积竖向位移范围为4.88～5.23 mm，加固竖向位移变化幅度明显低于无加固区；对比分析加固区与无加固区地面沉降变化趋势，加固区地面沉降变形更具有规律性和收敛性，地面测点数据表明施作旋喷桩隔离加固后地层整体稳定提高，土体扰动减小，地面沉降变形受盾构开挖施工等外界因素影响降低。对于桥梁基础，盾构隧洞开始施工过程中，各桥墩竖向位移变化趋势基本一致，其中距离隧道最近的17排1#桥墩发生的沉降位移最大，为1.59 mm，距离隧道最远的6#桥墩的沉降位移最小，为0.31 mm，17、18排纵向桥梁墩台间差异沉降最大值为1.24 mm，横向桥梁墩台间差异沉降最大值为1.07 mm，这与数值模型的拟合结果基本吻合。

图11 地面测点及桥墩竖向位移曲线示意

为进一步验证模型的准确性，选取位于桥梁正下方测点D6和最靠近隧洞的1#桥墩作为现场实测和数值模拟的对比分析对象，同时为更加准确地分析，对实测数据进行初始位移清零处理(见图12)。由图12可知，地面测点竖向位移变化趋势与数值模拟相似，地面测点实测竖向位移(-4.78 mm)高于数值模拟竖向位移(-3.25 mm)，在后期隧洞开挖衬砌中实测竖向位移仍存在一定波动，而数值模拟基本平滑无变化；桥墩竖向变形累积量从大到小依次为未加固(-1.98 mm)、实际测量(-1.55 mm)、隔离加固(-1.48 mm)，可以看出隔离加固措施下的拟合曲线更加贴近实测曲线，沉降变形幅度基本一致，对比实测和拟合数据，模型拟合效果良好，具有一定的施工指导性。

图12 地表与桥墩竖向位移曲线示意

另外，考虑到现场盾构隧洞开挖施工过程中，地层与桥梁受到的影响因素比较多，在建立模型时很难添加所有要素，并且地面与桥墩的沉降位移主要是由施工测量员现场测量，存在一定的误差，造成模型拟合的数据与实测数据存在一定差异。

5 结语

本文结合半洋引水隧洞工程盾构下穿甬莞高速高架桥实例，采用三维数值仿真的方法对盾构施工过程进行了模拟分析，相较于以往类似的数值模型研究，本文依托实际工程定量分析了加固前后两种工况条件盾构下穿桥梁的影响情况，从施工的角度出发，充分考虑了盾构施工对地层和桥梁基础的沉降影响，并通过施工实测数据验证了模型的准确性和可靠性，相关方法和数据可为类似工程提供参考和借鉴。

通过分析主要得到以下结论：

1) 盾构施工会引起地层发生竖向变形，造成地面及桥梁发生沉降变形。桥梁基础越靠近盾构线路，所受到的影响就越大，相邻墩台容易发生不均匀沉降，导致桥梁存在安全隐患。

2) 采取旋喷桩等隔离加固措施能有效减小桥梁结构的竖向变形，改善桥梁不均匀沉降等问题。

3) 通过建立模型能很好地模拟分析盾构下穿桥梁的施工情况，对比分析无加固和隔离加固两种条件下桥梁的沉降变形情况，并通过后期施工监测数据加以验证，指导工程施工。