上软下硬地层盾构近距离侧穿立交桥桩基影响分析

蒙蛟， 李文彪

（1.中国铁路设计集团有限公司，天津 300142；2.四川铁盛工程勘察设计有限公司，成都 610031）

0 引言

城市的建设发展中，修建了大量的立交桥，使车辆快速通行而不受红绿灯的约束，且减缓了公路的交通压力。由于土地空间资源限制，后续工程尤其是地下盾构隧道无法避免近距离侧穿或下穿既有立交桥。为了防止盾构隧道施工对土层产生剧烈扰动导致立交桥结构的变形超过其承载能力，需要在立交桥桩基处采取一定的保护措施，减少隧道施工过程中产生的附加荷载对于立交桥桩基的影响，保证桥梁的位移在规范允许的范围内，不影响立交桥正常使用运营。

近年来隧道近距离穿越桥桩之类的问题也不断增加，所以许多学者对此类问题进行了大量的研究。彭坤等［1］对比区间隧道开挖区域附近采用不同的加固措施，认为加固措施可降低隧道掘进对桥梁桩基的影响；游辉等［2］运用三维数值计算进行有限元分析，验证洞外隔离保护措施的重要性；周群立等［3］提出地层损失率的控制指标和立交桥基础差异沉降控制指标，符合实际施工情况及桥梁安全要求；袁海平等［4］根据桥桩结构耦合弹簧力学计算原理，采用变形挠曲方程推导出盾构施工中桥桩弯矩和剪力。

1 工程概况

工程盾构隧道于里程YDK8+945处侧穿狮山立交D号匝道桥，桥台下桩基采用1m的钻孔灌注桩，桥台桩长30m、1#墩桩长34.5m，桥台桩底地层为中风化泥岩。盾构隧道覆土约21.1m，外轮廓与立交桥桩基最小净距为约1.4m。盾构区间隧道和狮山立交D匝道桥平面位置关系如图1所示。

图1 盾构隧道与狮山立交D匝道桥位置关系平面图

盾构隧道采用单层衬砌、平板型混凝土管片：管片外径8.8m，内径8m，环宽1.8m；采用楔形衬砌环布置；管片采用4块标准块，1块封顶块，2邻接块错缝拼装；衬砌管片混凝土强度为C50高性能混凝土，抗渗等级P12，如图2所示。

图2 盾构隧道管片结构详图

隧道主要穿越地层为强风化砂岩及强风化泥质粉砂岩，此处隧道覆土距离为21.183m，地层由上至下分别为：素填土（厚约1.6m）、粉质黏土（厚约2.4m）、全风化泥质粉砂岩（厚约2.2m）、强风化砂岩（厚约6.5m）、强风化泥质粉砂岩（厚约1.8m）、强风化砂岩（厚约11.5m）、强风化泥质粉砂岩（厚约2.3m）、中风化泥质粉砂岩（厚约2.9m）、强风化泥岩（厚约2m）、中风化泥岩（厚约5.7m）等，为上软下硬地层。上软下硬地层是盾构施工中的一种特殊地质，与已有的地层影响经验公式的假设条件存在差异，措施不当可能对衬砌与桥梁结构造成工程风险［5］。盾构机在掘进的过程中由于上下土层的刚度差异过大，导致盾构机容易姿态偏移，掘进压力难以稳定控制，对土层扰动极大，致使地表发生沉降且改变桥桩原有的受力状态，无法稳定地控制桥桩变形。

为了减小因隧道施工扰动对立交桥桥桩产生的变形及附加内力，拟对狮山立交D匝道桥桩基采用袖阀管预注浆加固+施工中洞内同步二次注浆措施，于桥台承台底面至右线隧道顶范围内使用袖阀管对土体进行预注浆加固，加固区域高度为19.04m，预注浆加固桩周边3D范围土体（D为桩径），隧道与桩基的位置关系如图3所示。

图3 盾构隧道与狮山立交D匝道桥剖面图

2 有限元模型分析

2.1 模型参数选取

文中使用MIDASGTSNX建立盾构隧道侧穿狮山立交D匝道桥工程三维模型，为了消除模型尺寸对计算结果的影响，根据圣维南原理，隧道开挖主要影响3～5倍洞径范围内的围岩，基于此，模型的x、y、z（x为隧道掌子面方向、y为隧道的掘进方向、z为重力方向）分别为70、80、50m，模型的网格划分如图4所示，共有37301个单元。模型中盾壳和管片为2D面单元、桩基为1D线单元，其余为3D实体单元，预注浆加固和二次注浆均采用相应区域土层与原土层相关参数进行置换的方法进行模拟。模型的上表面为自由面，底面施加z轴方向的约束，其余面添加相对应的法相约束。研究隧道开挖对桥梁0#桥台及1#墩的影响，模型中盾构隧道与狮山立交D匝道桥及预注浆加固区域位置关系如图5所示。

图4 三维有限元分析模型

图5 盾构隧道于桥梁及预注浆加固区域位置关系

2.2 计算参数

模型分为11个土层，各土层的物理力学参数如表1所示，桥梁及区间隧道的材料参数如表2所示。

表1 土体物理力学参数

表2 材料计算取值

2.3 模拟施工

隧道左右线分步施工，左右线施工时间错开，先开挖右线隧道。所模拟的隧道盾构掘进中，单线隧道分为35个开挖段，每段掘进2m。

第一步：进行位移清零，施加重力形成初始应力场；第二步：施作立交桥，位移清零；第三步：桩基周围预注浆加固；第四步：掘进第一步开挖范围，在相应的开挖面施加法向的掘进压力，承受来自地层压力防止隧道前方土体坍塌；第五步：依次对隧道进行开挖，施作管片衬砌；第六步：对已完成安装的盾构管片周围进行同步注浆并施加注浆压力和千斤顶力，钝化已开挖区域范围内的掘进压力；以此类推直至全部开挖支护完成。

3 计算结果与分析

为了分析隧道侧穿立交桥时预注浆加固措施的效果，文中通过对比分析使用阀管进行预注浆加固与不使用注浆加固两种不同情况下桩基的位移。工况1为使用阀管进行预注浆加固保护措施的盾构掘进，工况2为未使用预注浆措施的盾构掘进。考虑现场为上软下硬地层，预注浆措施在上部软弱地层中进行。文中桥桩编号如图6所示。

图6 桥桩编号示意

桥梁桩基的位移随着隧道掘进而不断变化，选取隧道掘进过程中比较关键的6个施工步来分析整个掘进过程的桩基位移变化。施工步1：右线盾构至预注浆加固区域；施工步2：右线盾构至0#台-1、2桩基中心线；施工步3：右线盾构施工完成；施工步4：左线盾构到达预注浆加固区域；施工步5：左线盾构到达0#台-1、2桩基中心线；施工步6：左右线盾构施工完成。

3.1 桥桩竖向位移分析

盾构隧道掘进过程中，由刀具切割土体，盾构隧道范围内土体的缺失带来的变形传递至其他土体，形成地表沉降。当隧道盾构掘进至桥桩附近时，土体的缺失会导致隧道上方的地面沉降，对于桥梁结构，土体的变形会极大的影响结构的内力，严重时可能会使桥梁结构出现裂缝甚至发生破坏。

对于工况1的预注浆加固措施，会使得原有桥桩桩基因为土体的挤压而发生竖向位移如图7所示。

图7 预注浆加固施工桥桩的竖向位移

通过对比工况1、工况2见图8、图11桥梁桩基的竖向位移情况，可发现两种措施下的桩基随着隧道的掘进沉降不断加大，工况1最大沉降为1.17mm，工况2最大沉降为2.4mm。采取阀管预注浆加固可以很明显的限制了土体的竖向位移，最终位移沉降相对于工况2减小约50%。这主要是因为注浆加固增强了桩基周围土体的强度与粘聚力。

3.2 桥桩水平位移分析

由计算结果可知，随着盾构隧道的掘进，盾构到达桥桩之前，盾构前方土体受到掘进压力发生第1阶段变形，桥桩变形的表现形式，竖向小幅度沉降；水平方向主要是沿盾构掘进方向变形，垂直盾构掘进方向变形较小。

盾构通过桥桩附近土体过程中，外侧土体受到开挖卸载作用后发生第2阶段的变形，桥桩变形的表现形式为：竖向迅速沉降后稳定；水平方向沿盾构推进反方向变形，垂直盾构推进方向向盾构一侧变形。

盾构通过桥桩附近土体后，盾构对周边土体影响逐渐减小，第三阶段各方向变形趋于稳定。

3.2.1 盾构掘进纵向水平位移

如图9和图12所示盾构掘进纵向上的位移（即Y方向位移），在Y方向上的水平位移并不大，工况1为0.88mm，工况2最大值为0.96mm。可以看出在Y方向的位移上。对于Y方向桩基位移的控制，预注浆加固作用的效果不明显。

3.2.2 盾构掘进横向水平位移

如图10和图13所示盾构掘进横向水平位移（即X方向位移），在限制盾构掘进横向水平位移方面，阀管注浆无明显的效果，两中工况下所产生的的X方向上的位移相差不大（工况1、工况2最大值都为-2.58mm）。

图8 工况1桥桩竖向位移随施工步变化曲线

图9 工况1桥桩Y方向位移随施工步变化曲线

图10 工况1桥桩X方向位移随施工步变化曲线

图11 工况2桥桩竖向位移随施工步变化曲线

图12 工况2桥桩Y方向位移随施工步变化曲线

图13 工况2桥桩X方向位移随施工步变化曲线

4 结语

文中以盾构隧道侧穿狮山立交D匝道桥案例为工程背景，选取两种不同的加固手段，运用Midas GTS NX软件对盾构掘进的过程进行数值分析模拟，分析两种加固措施对桥梁桩基的保护效果。结论如下：

（1）上软下硬地层盾构掘进过程中，临近的桥桩变形表现为：竖向先小幅度沉降、后迅速沉降、最后后趋于稳定；水平方向先沿盾构推进方向变形，后沿盾构推进反方向变形；垂直盾构推进方向向盾构一侧变形由小至大，最后趋于稳定。

（2）在隧道开挖至桥桩前，使用阀管对桥桩进行预注浆加固的措施有效可行，对减小桥桩竖向位移的效果十分明显，与未采取预注浆加固的工况相比，在竖直方向上的位移减少约50%，保证了桥梁结构的安全。

（3）数值分析模型对边界条件进行了简化，在实际的施工中应结合监测结果，调整施工的相关参数，减小对桥梁结构的影响。