立体空间下地铁施工对桥梁桩基的影响研究*

刘丽萍，余美娴，高 飞

(西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021)

地铁已成为城市最为便捷高效的交通方式。许多城市同时在建多条地铁并与其他市政基础设施立体化开展。与此同时，地铁施工与上下及周边基础设施的相互干扰和影响，也成为必然。这种影响轻则带来经济损失，重则引发工程安全事故[1-3]。当地铁下穿高架桥桩基时，由于地铁盾构施工会在一定程度上挤压或牵拉隧道内部及周围的土层，进而引起土体应力场发生改变，导致地表及桩基变形[4]。桩基水平位移和沉降会影响高架桥结构稳定和安全[5-7]。在盾构隧道施工中，掌握桩基变形发展规律对于保证下部隧道及上部高架桥的安全尤为重要。为此，本文依托实际工程，研究荷载类型、盾构推力、注浆压力等地铁施工参数对高架桥桩基变形的影响及其发展规律，以期为类似工程提供理论依据与实践参考。

1 工程概况

成都地铁7号线神仙树站～高朋大道站盾构区间K22+926.000～K24+385.727位于成都市武侯区。盾构隧道在DK23+780～DK23+840里程下穿成雅高架桥。该桥采用连续梁结构，桥顶面宽度48 m，基础为钢筋混凝土桩基，直径1.5 m，基础埋深23 m，桩中心间距25 m。在桥梁下方，隧道左右两侧近距离有10 根桩基被穿越，隧道边缘与桩基的最小距离为2.56 m，隧洞直径Φ6 m，双隧洞间距5.5 m。

2 数值模型的建立

计算模型高 40 m，宽 60 m，沿隧道纵向长60 m。隧道与高架桥桩基位置关系如图1所示。从左下方向右上方掘进。

图1 隧道侧穿桩基

2.1 基本假设

1) 土体位移服从 Drucke-Prager 准则；

2) 假定所有土层呈层状且均质水平分布；

3) 初始条件由有限元模拟软件Midas/GTS NX自动按重力加速度获取；

4) 暂不考虑地下水对盾构隧道掘进时的影响。

2.2 计算参数与边界条件

利用有限元模拟分析软件MIDAS/GTS NX建模，同步注浆的过程采用注浆单元属性代替间隙土属性，模拟时盾壳采用2D单元建模，成雅高架桥的桩基和周围土体分别采用1D及3D实体单元模拟。

模型上部为自由边界面，底部采用竖向位移约束条件，侧面对应水平位移约束。为了模拟桩-土之间的相互作用，在模型中建立了面与面接触单元。在桩土接触中，假定桩-土之间服从库仑摩擦模型，摩擦系数取0.6。根据岩土工程地质勘察报告，同时结合工程类比给出的岩土物理力学参数见表1。

表1 模型力学参数

3 施工参数对桥梁桩基变形的影响分析

3.1 荷载类型的影响

根据工程资料和已有的研究成果，拟定成雅高架桥桥面承受4个大小均为1 MPa的集中荷载，共占0.36 m2的作用面积，4个荷载作用为6 m的间距，采用应力时程实现动荷载加载，其最大应力峰值达1 MPa，采用0.01 s的加载时间间隔，持续作用0.5 s。模型计算采用 Rayleigh 阻尼，体系的基频ωmin约为 4.2 Hz，临界阻尼比ξmin取为0.05。

双线隧道贯通后，静、动荷载下右侧中间桩垂直隧道掘进方向的位移曲线如图2所示。由图2发现，桩基垂直隧道掘进方向的位移沿深度先变大后变小，最大位移发生在距隧道边缘最近的部位。动荷载与静荷载模拟结果与现场监测数据变化趋势一致，验证了模拟的准确性。

图2 右侧中间桩垂直掘进方向水平位移

盾构隧道对侧穿桩基不仅有垂直隧道掘进方向位移还有沿隧道掘进方向位移，主要是由于盾构掘进时挤压其前方土体导致，动、静荷载下右侧中间桩基沿隧道方向水平位移曲线如图3所示。由图3可以看出沿隧道方向水平位移小于垂直隧道方向位移，但最大位移出现的位置基本一致。动、静荷载下沿隧道方向水平位移模拟结果与现场监测相近，在隧道埋深处位移最大。

图3 右侧中间桩沿隧道方向水平位移

选取桩基顶部节点，模拟静、动两种荷载类型下盾构隧道施工引起的高架桥桩基沉降，与现场监测桩基的沉降对比见表2。由表2可知，桥面动荷载下桩基沉降值略大于静荷载下桩基沉降值，静荷载下最大沉降值为2.4 mm，动荷载下最大沉降值为2.7 mm，现场监测桩基最大沉降值为2.9 mm，均未超过允许沉降值[8]，动荷载下的沉降值更接近于现场监测值。同时桩基沉降值小于地表沉降，因此桩基与周围土体之间存在沉降差，这可能诱发桩基与土体间产生滑移,影响高架桥的安全。

表2 桩基沉降值比较

3.2 盾构推力的影响

盾构推力是盾构隧道施工的重要参数，结合依托工程的特点以及本文3.1节的分析，桥面动荷载下的模拟值更接近于现场监测值，所以在桥面施加动荷载的前提下，考虑盾构推力对高架桥桩基位移的影响。选取100 kPa、200 kPa、300 kPa三个不同盾构推力值进行分析。左右线盾构隧道完成穿越后，取隧道左中间桩模拟值，垂直隧道方向水平位移如图4所示，沿隧道方向水平位移如图5所示。

对比图4、图5发现，盾构推力对桩基垂直盾构隧道掘进方向水平位移影响较大，对沿盾构隧道掘进方向水平位移的影响较小。桩基最大水平位移的沿桩长位置在沿隧道前进方向较垂直隧道前进方向下移约5 m。并且盾构推力越大，桩基两个方向的水平位移越大，但沿隧道掘进方向的水平位移对盾构推力更敏感。这主要是由于盾构推进过程中，盾构机对沿隧道方向土体产生挤压加拉带作用，垂直隧道掘进方向则主要是挤压作用所致。

图4 不同盾构推力对桩基垂直掘进方向水平位移影响

图5 不同盾构推力下桩基沿掘进方向水平位移

不同盾构推力下高架桥桩基沉降见表3。从表3中可看出盾构推力变化对桩基沉降影响较小。

表3 不同盾构推力下桩基沉降

3.3 注浆压力的影响

控制其他施工参数不变，分别模拟150 kPa，250 kPa，350 kPa注浆压力下隧道左侧中间桩桩基水平位移，如图6～7所示。从图6～7中可以看出注浆压力对桩基水平位移影响显著，注浆压力越大，桩基水平位移越大。且垂直隧道掘进方向的影响较沿隧道掘进方向更为明显。这是由于注浆过程中垂直隧道掘进方向对桩基周围土体的横向挤压作用更明显所致。注浆压力下，桩基最大水平位移出现的位置与盾构推力的影响基本一致。

图6 桩基垂直隧道方向的水平位移随注浆压力的变化

图7 桩基沿隧道方向水平位移随注浆压力的变化

桥面动荷载作用下，不同注浆压力对应的桩基沉降值见表4。从表4中可看出注浆压力对桩基沉降影响较大，注浆压力越大，桩基沉降越小。所以调整注浆压力大小对控制桩基变形尤为重要。

表4 不同注浆压力下桩基沉降

4 结 论

1) 动荷载作用下桩基的水平位移和沉降均较静荷载作用下大，且更接近现场监测值；桩基与地表存在差异沉降，可能诱发桩基失稳，应引起重视。

2) 盾构推力对垂直隧道掘进方向水平位移影响较大，呈正相关关系，而对桩基沿盾构掘进方向的水平位移及沉降的影响不明显。盾构推进过程中，盾构机对沿隧道方向土体产生挤压加拉带作用，垂直隧道掘进方向则主要是挤压作用所致。

3) 注浆压力对桩基水平位移与竖向沉降均影响显著，注浆压力越大，桩基水平位移越大，桩基沉降越小。注浆压力取值应综合考虑这种相反的影响。此外，二次注浆在浆液凝固后桩基会继续沉降，而后趋于稳定。但沉降值小于地表，桩与土之间可能发生滑移，控制注浆参数和注浆时机尤为重要。

4) 盾构推进与注浆参数对桩基和地表变形的影响，将在推进速度、推力大小、注浆压力及注浆时机(即与盾构推进的协同作用)中体现出来。关于这种协同作用机制的研究还有待进一步深入。