大直径泥水盾构始发段掘进对近接既有地铁桥梁的影响分析*

王 军

(中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250101)

0 引言

地下交通越来越成为缓解城市交通拥堵的最佳选择[1-3]，盾构隧道因其对周围环境干扰小而得到广泛应用[4-6]。然而，盾构施工过程中会不可避免地造成邻近建(构)筑物的扰动，这就是所谓的盾构近接施工。盾构隧道侧穿既有桥梁桩基亦属于盾构近接施工中1类需要重点关注的施工重难点。此时，邻近运营桥梁桩基将受到盾构隧道开挖掘进较大的影响[7-8]。

为了确保盾构近接桥梁桩基安全施工，国内诸多学者针对盾构近接桥梁结构掘进施工开展了相关研究。辛振省[9]针对既有桥墩桩基在盾构隧道近距离穿越影响下的力学行为开展了数值模拟研究。史渊等[10]以武汉市地铁7号线某隧道区间盾构侧穿沪蓉汉高铁桥梁为工程背景，通过建立数值模型分析了隔离桩对桥梁桩基变形的控制效果，指出隔离桩可有效减小盾构掘进对邻近桥梁桩基的影响规模。赖金星等[11]针对盾构穿越群桩基础开展了三维有限元动态仿真模拟，将群桩基础水平位移的增长过程分为了盾构到达前、穿越时以及注浆阶段3个阶段。孙雪兵[12]以武汉地铁3号线盾构机下穿铁路桥梁施工为工程背景，以桩基础与隧道之间净距为变量，通过数值计算分析了盾构掘进对地表沉降及桥梁结构变形的影响。成炜康等[13]以郑州某盾构隧道在粉细砂地层下穿建筑物桩基为工程背景，建立了三维实体模型，分析了盾构下穿建筑物桩基础引起位移与内力的变化规律。

许世伟等[14]采用FLAC3D软件对盾构隧道邻近市政桥梁的施工过程进行了仿真分析，有效地对盾构开挖掘进对既有桥梁的影响程度进行了预测，并提出了有针对性的防护措施。黄新民[15]针对郑州地铁1号线盾构隧道下穿人行天桥桩基础，介绍了采取“顶托+加固”确保人行天桥安全营运的方法。李幸发[16]针对广佛线盾构隧道穿越桥梁桩基的工程案例，介绍了盾构施工过程中的防护措施及相关施工要点，为相似工程提供了参考与借鉴。王哲等[17]针对盾构穿越6根大直径桥柱的工程需求，开展了磨桩技术研究，结合有数值模拟对刀具的角度开展了相关分析，并提出了合理的刀具布置形式。徐前卫等[18]以北京地铁8号线某隧道侧穿桥梁基础为施工背景，建立了动态数值仿真模型，得到了盾构穿越导致桥梁结构变形的规律，并给出了针对性控制方案。

目前很多学者采用理论分析、数值模拟以及现场试验的方法对盾构隧道穿越既有桥梁的影响开展研究并取得了许多有意义的成果，但是针对大直径盾构，特别是大直径泥水平衡盾构的研究相对较少。盾构始发段是盾构施工的关键节点，需要确保盾构始发安全施工。本文依托京张高铁清华园隧道工程3#～2#盾构区间始发段为工程背景，建立三维精细化有限元数值模型，对大直径盾构始发段施工掘进对既有桥梁结构及地表沉降的影响规律进行分析研究，并给出有针对性的防控措施，结合信息化智能监控保障盾构始发段安全掘进，可为今后类似工程提供有效的依据和可靠的工程借鉴。

1 工程概况

1.1 地质概况

清华园隧道全长约6 km，为北京至张家口城际高速铁路中的重点控制工程，其中盾构段长4 448.5 m，3#～2#盾构段起讫里程为DK18+200～DK16+459，2#～1#盾构段起讫里程为DK16+317.5～DK13+610。隧道拱顶最大埋深为28.7 m，最小埋深为6.8 m，平均埋深约18 m。隧道工程区地层主要为粉质黏土、粉土、粉砂、中砂、卵石土。根据地质勘察报告显示，该地层中粉土及粉质黏土超过50 μm颗粒含量占比约15%，粒径在50～20 μm范围内的颗粒含量占比约50%，粒径在20 μm以下颗粒含量占比约35%。卵石土地层中，粒径在2～6 cm的卵石含量占比为60%，卵石最大粒径约15 cm，详见图1。

图1 清华园隧道盾构掘进段地质剖面

1.2 盾构近接桥梁施工概况

清华园隧道全线近距离并行侧穿北京地铁13号线，其与地铁13号线桥梁桩基的位置关系如图2所示。在清华园隧道施工期间，地铁13号线载客正常运营，故其安全性需要可靠的保障。五道口高架桥全长1 232 m，采用的截面是单箱单室，桥梁结构为墩柱式，箱梁高1.4 m，顶板和底板的厚度均为0.2 m。桥梁采用矩形截面双柱式桥墩，2个桥柱间距为2.0 m，墩身截面横向为1.12 m，纵向为1.40 m，桥梁桩基通过直径为1.0 m混凝土灌注桩进行施工。

图2 清华园隧道与地铁13号线位置关系

五道口高架桥盾构区间隶属于3#～2#盾构区间，该区间采用泥水平衡盾构开挖掘进，盾构开挖直径为12.64 m。管片外径为12.2 m，内径为11.1 m，厚度为0.55 m，管片环宽为2 m。相对于一般盾构近接施工而言，长达6 020 m的清华园隧道并行正在运营的北京地铁13号线，清华园隧道距离北京地铁13号线3.4～32 m。盾构近接施工对周边环境极为敏感，地铁13号线道岔区沉降变形控制要求高，盾构近接桥梁施工难度与复杂程度大。因此，十分有必要针对盾构长距离近接桥梁施工引起的地层扰动和桩基变形位移进行有限元计算和分析，进而采取必要防控措施，确保隧道施工及地铁运营安全。

2 数值计算三维模型的建立

由于盾构在砂卵石地层掘进引起的地层扰动控制难度大，并且始发阶段更易发生安全事故，此处选取京张高铁清华园隧道3#～2#区间始发段盾构掘进对邻近地铁桥梁桩基础的影响进行数值仿真。

2.1 几何模型参数

通过有限差分软件FLAC3D进行建模和模拟计算，模型尺寸为142 m×120 m×45 m，总共有计算节点782 110个、计算单元762 036个，如图3所示。土体的本构模型基于摩尔-库伦屈服准则，桥墩、地下连续墙、基坑结构、管片、盾构机等结构采用线弹性模型。其中，土层、墩身及承台通过三维实体单元进行模拟，而灌注桩采用pile结构单元进行建模。

图3 三维数值模型

与清华园隧道近距离并行的地铁13号线桥梁属于简支桥梁，每段简支桥梁长度为25 m。桥墩的实际尺寸为隧道线路纵向1.4 m、隧道横向1.0 m，墩高为1.5 m(埋于土中)+3.3 m(外露)，承台尺寸为2.8 m(隧道线路纵向)×5.0 m(隧道横向)。考虑始发竖井基坑的支护对始发段土体的约束不属于完全约束边界条件，因此建立部分基坑模型进行计算。

模型的顶面为自由边界，模型底面限制XYZ 3个方向的位移，模型的四周施加垂直于该面的位移约束。由于模型中的地下水位位于地表以下10 m处，且由于施工过程的时间较短，故在数值模拟中忽略土体自身固结的影响，并且地下水对数值模拟的影响也不是本文研究的内容，故不考虑。

2.2 模型材料参数

为了能够有效模拟盾构掘进对邻近桥梁的影响并与现场实际施工相吻合，数值模型的土体参数采用清华园隧道地质勘查得到的数据材料，桥梁结构与盾构参数也采用工程中的实际数据。

对于天然土层，计算模型土层自上向下共分为5层，分别是粉土、粉质黏土1、砂卵石土1、粉质黏土2、砂卵石土2，计算参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

对于加固区土体，使用高压旋喷法进行土体加固后的参数与天然土体参数有较大的差别，加固区土体参数依据施工现场实际加固方案以及孙星亮等[19]、张彦斌[20]的研究进行选取，加固区土体的物理力学参数如表2所示。

表2 土体加固区物理力学参数

通过将盾构机段的注浆层单元参数从土体参数换为钢材参数模拟盾构机，并加大单元密度，使得盾构机段的视比重同实际情况类似。盾构机段后为隧道段，此时注浆层单元的参数由盾构机段转换为注浆层物理力学参数，注浆层的强度不考虑时间因素。隧道结构的计算参数如表3所述。

表3 隧道结构物理力学参数

桥墩实体单元部分与基坑结构采用相同的计算参数，桥墩基础的钻孔灌注桩结构单元参数采用表4中的数值。简支梁计算重量750 t，通过对墩身顶部单元施加等效面力模拟。

表4 桥墩与基坑结构及钻孔灌注桩结构单元物理力学参数

2.3 盾构施工过程模拟

隧道开挖引起的空间效应(时间效应)及其产生的地层应力路径效应是三维模拟中必不可少的。在盾构隧道三维开挖模拟中，通过精细化建模，可以有效地实现盾构机掘进的全过程动态模拟。全过程动态模拟包含更多信息，更利于工程人员开展相关预测和设计。为了尽可能多地考虑盾构开挖掘进的施工因素，以求与实际工程更为接近，盾构开挖掘进过程模拟涉及3个阶段的初始地应力平衡。

由于该模型涉及盾构始发、竖井开挖、洞门破除等复杂步骤，其初始地应力需要达到有效的平衡。数值计算中，三维模型的初始应力场分为3个阶段进行计算，采用最后得到的最终应力场进行下一步的盾构开挖计算。第1阶段，使用原生土体参数对模型地层赋参数，计算应力场，该阶段计算得到的应力场，如图4(a)所示；第2阶段，首先对第1阶段所得模型进行位移、速度清零，激活桥墩模块，并施加面力，该阶段的自重应力场如图4(b)所示；第3阶段，对第2阶段所得模型进行位移、速度清零，开挖基坑，该阶段的自重应力场为最终采用自重应力场，如图4(c)所示。

图4 初始地应力场的生成

3 数值模拟结果与讨论分析

3.1 模型的验证

为了验证三维仿真模型的有效性，首先针对盾构掘进引起的周围土体地层扰动进行分析。如图5所示为盾构掘进74 m后的地层竖向位移云图，由图5可以看出隧道上方土体的最大沉降约为18 mm，隧道下方最大隆起约为12 mm。隧道上方云图颜色较浅，呈现出土体向隧道洞身沉降的趋势，隧道下方颜色较深，呈现出土体向隧道洞身隆起的趋势。可以看出，随着盾构机向前开挖施工，隧道周围的土体趋向于挤入隧道内，云图范围扩大发展。

图5 地层竖向位移云图

如图6所示，给出盾构开挖模拟结束后隧道轴线上方地表位移曲线与现场监测数据对比分析，由图可以看出，在盾构始发初期的加固区内，地表位移相对较小，由于地层加固的影响，地层扰动得到了有效控制，后期地表沉降主要由盾构脱环后盾尾空隙和盾尾注浆导致的。数值模拟和现场实测得到的2条曲线的沉降趋势大致相同，但2条曲线的左半部分差异较大，这是因为盾构掘进刚离开加固区，靠近加固区的土体仍然受到加固区的影响，所以沉降很小；同时，为避免事故的发生，现场施工仍处于高度谨慎的状态，因此前30 m内的地表沉降相对较小。由图5～6的地层扰动计算结果分析可以看出，本文所采用的三维数值计算模型是合理有效的，可以基于该模型进行盾构掘进引起的邻近桥梁结构扰动影响分析。

图6 隧道轴线上方地表沉降对比分析

3.2 近接桥梁结构施工扰动分析

如图7所示，为盾尾通过3号桥梁结构后的地表位移云图，由图7可以看出，隧道顶部正上方的沉降最大，左右两侧亦有沉降区域产生。北京地铁13号线既有桥梁桥墩也在影响区范围内，靠近隧道侧所受影响较为严重，距离隧道越远影响越小。同时，可以看出由于地铁13号线桩基的影响，隧道两侧区域的变形特性有着明显的不同。

图7 盾尾通过3号桥梁结构后的地表位移云图

为了对盾构掘进引起的邻近桥梁结构变形影响进行分析，本文定义在盾构施工过程中，桩基和桥墩会在z方向(竖直方向)产生位移向下为正，在x方向(水平横向)发生向隧道挤压的侧移为正，y方向(盾构机掘进方向)发生与掘进方向一致的侧移为正。

如图8所示，给出了桥梁2侧桩基顶部中心节点位移随盾构掘进的变化曲线。同时为了研究盾构掘进对桥梁上部结构的影响，选取桥墩顶部中心节点，同样做出桥墩顶点沉降随盾构掘进的变化曲线，如图9所示。

图8 盾构掘进过程引起的3号桥梁桩基变形

图9 盾构掘进过程引起的3号桥墩变形

如图8所示可以看出，当盾构到达监测断面前，产生的桩基位移均较小，当盾构到达监测断面后，桩基位移开始大幅增加，x方向变形有趋于稳定的趋势，y方向变形先正向增大后减小并产生负的位移，而z方向变形远隧道侧的桩基有趋于稳定的趋势，近隧道侧桩基并没有体现出稳定的趋势。

对于桩基x方向横向位移，管片上下2部分在外荷载作用下向内变形，左右两侧向外变形。 同时，由于盾尾注浆压力的效果，隧道两侧的土体会远离隧道，导致桩基底部发发生横向位移；另一方面，盾构掘进造成的地层损失会导致隧道上方土体向下发生挤压位移。土体的移动会带动桩基上半部分发生与下半部分方向相反的移动趋势。

桩基在盾构机推力的影响下会产生y方向(掘进方向)的水平位移。从图10可以看出，桩基在y方向的水平位移小于在x方向的水平位移。随着盾构机靠近监测断面，盾构机推力对桩基的影响越来越大，导致桩基在y方向的侧斜越来越大，形成先增大后减小的位移变化趋势，且位移发生了反向变化，这是由于后期盾尾脱环后管片拼装和注浆压力造成的。

图10 3号桩基沿埋深的最终变形

在盾构机掘进以及地层竖向扰动的影响下，桩基将在z方向(竖直方向)产生较大的位移。由于桩基与地层之间形成了1个整体，地层的扰动必将带动桩基产生位移。随着桩基埋深的增加，竖向位移变小，地表处位移变形最大，这与土体的扰动规律基本是一致的。

总体来看，近隧道侧的桩基和桥墩的变形普遍大于远隧道侧，这说明近隧道侧受到盾构掘进的影响明显要大得多，应针对近隧道侧桩基和桥墩添加防护措施，确保地铁13号线的正常安全运行。

4 盾构侧穿桥梁施工三位一体防护

地层变形是隧道施工引起邻近建(构)筑物扰动传递的媒介。为了减小盾构开挖掘进对邻近既有桥梁桩基础的影响，可采用“加固”、“屏障”及“智能监控”3种方式相结合的三位一体防护方法控制施工扰动的传递，进而对近接桥梁结构施工起到有效的保护作用。

4.1 地层加固

地层加固是通过压力注浆排出土颗粒之间的水和空气，并用水泥浆充填孔隙，待水泥浆固化一段时间后，水泥浆液将松散的土颗粒或裂缝胶结成1个整体。注浆具有固化泥沙与土体、充填胶结和劈裂加固的作用。采用注浆加固盾构隧道与既有桥梁桩基础之间的地层，改变岩土体物理力学参数，封堵地下水，改变桩土接触面性质，控制地层松动范围，减小地层变形，从而减少盾构隧道下(侧)穿施工对既有桥梁桩基的影响[8]。注浆加固是常用的隧道工程防护技术之一，对减小地层扰动及控制扰动传播十分有效，地层加固示意如图11所示。

图11 地层注浆加固示意

4.2 地层扰动阻隔方案

地层扰动阻隔方案是在隧道与既有桥梁桩基之间设置非直接受荷的隔离桩或隔墙，如图12所示，利用阻隔结构与地层的相互作用阻断或减弱地层扰动的传递，使地层附加应力通过阻隔结构传递到下部持力层，从而控制桩周土体的变形，达到保护相邻既有桥梁的目的[8]。阻隔结构可以将盾构施工引起的大部分地面变形限制在隔离桩和墙内。此时，既有桥梁桩基的附加变形主要是由于阻隔结构本身的变化以及其外侧土体的松动下沉引起的。

图12 地层变形阻隔示意

4.3 信息化智能监控

为了保障清华园隧道安全穿越高风险敏感区，建立高铁大直径盾构隧道数字化、可视化、智能化监控预测平台，如图13所示。采用可视化透明施工技术，提前模拟施工工况，不断对比盾构机实际施工数据并预测变形值，进行数值反算修正，优化施工参数推荐值，进而提高对风险源变形的控制效果。该系统被成功应用于清华园盾构隧道施工掘进对邻近地铁13号线桥梁结构的影响的监控量测中，起到至关重要的作用。

图13 清华园隧道信息化智能监控系统

5 结论

1)以清华园隧道盾构始发侧穿既有地铁13号线桥梁结构为工程背景，基于FEM法建立三维精细化数值模型，通过数值模拟结果与现场监测结果对比分析盾构始发引起的地表沉降，验证所采用的数值模型的有效性和合理性，可以基于此开展后续侧穿桥梁桩基的研究。

2)在盾构始发施工过程中，当盾构到达监测断面前，盾构掘进导致的邻近桩基位移较小；当盾构到达监测断面后，桩基位移开始大幅增加，水平横向变形有趋于稳定的趋势，水平纵向变形先正向增大后减小，远隧道侧的桩基竖向位移有趋于稳定的趋势，而近隧道侧的桩基竖向位移并没有表现出稳定的趋势。在始发段，当盾构离开监测断面3D(D为开挖直径)之后，桥梁桩基的变形趋于稳定。

3)盾构在始发段掘进引起的桥梁结构水平横向位移要远大于水平纵向位移，近隧道侧的桩基和桥墩的变形均大于远隧道侧，这说明近隧道侧受到盾构掘进的影响明显要大得多，应针对近隧道侧桩基和桥墩添加防护措施。桥墩的变形被桥梁桩基变形影响较大，可在桩基和桥墩之间重点进行变形防护。

4)根据数值模拟结果提出盾构始发段地铁桥梁结构防护保障措施，综合运用地层加固、阻隔防护、动态监测等技术，形成源头控制、路径阻隔、对象加固、预警修正四位一体的大直径盾构侧穿桥梁结构施工安全控制技术，最终将盾构始发引起桥梁结构的位移控制在规范规定值范围内，可为类似工程提供参考。