盾构隧道及其联络通道侧穿桥梁桩基影响分析

吴丽萍，刘俊良

（长春工程学院，吉林 长春）

城市快速路高架桥有着众多群桩基础，盾构隧道施工有时不可避免地要侧穿高架桥群桩基础，尤其是盾构区间设有联络通道并侧穿桥梁群桩基础时，使桥梁群桩基础的变形产生叠加，影响上部结构，给桥梁带来安全隐患。

1 研究现状

近年来，众多学者利用理论研究法、实验研究法、数值模拟法研究了盾构隧道施工对邻近桩基础的影响。在理论研究法方面：秦东平[1]基于柱体空腔膨胀理论，利用桩侧荷载传递函数前沿成果对地层应力、地层变形和桩侧荷载传递函数的计算表达式进行深化，并以此为基础，研究盾构隧道施工影响下桩基的附加轴力、摩阻力、竖向位移的解析理论以及桩基在隧道不同位置处的力学响应规律；在实验研究方面：卜璟[2]研制了一套无损观测土体行为的室内物理模型装置并利用透明土试验技术和数字图像处理技术研究了不同盾构隧道埋深、桩基位置、桩基长度等因素的影响规律；在数值模拟法方面：赵小龙[3]利用Midas GTS NX 将隧道侧穿桩基掘进分为4 个施工阶段（盾构机到达桩基前、盾体通过桩基后空隙未填充前、盾体通过后空隙用水泥砂浆填筑、盾构机远离桩基后）来分析各个施工阶段下桩基的位移响应，发现桩基最大的位移响应为水平位移，竖向位移相对较小。联络通道的施工影响分析以采用数值模拟法为主，李凤翔[4]依托某越江地铁联络通道工程，利用MIDAS GTS NX对联络通道采用冻结法加固和不采用冻结法加固进行对比分析，结果表明：冻结加固暗挖法可以有效地减少联络通道开挖引起的变形，控制效果显著。

2 工程概况

本工程为长春某盾构区间及其联络通道侧穿多处快速路桥梁桩基础部分，桥桩与区间左线最近间距为2.9 m，桥桩与区间右线最近间距为5.96 m。隧道埋深约为14 m，盾构采用土压平衡盾构机，外径为6 200 mm，内径为5 500 mm，管片衬砌厚度为350 mm，环宽为1 500 mm。联络通道标准断面净空尺寸均为2.50 m（宽）×2.70 m（高），衬砌采用复合式衬砌：初期支护采用1.5 米长，外插角为15°的φ32×3.25 超前小导管、钢筋网φR6,150×150 mm、纵向连接筋φ22、C25 网喷射混凝土、格栅钢架；二次衬砌采用C40 防水钢筋混凝土，P10。高架桥中间桥桩长35 m，高架桥两侧桥桩长30 m，桩径为1.5 m，桩顶距地面为2.2 m，承台高2 m，桥梁桩基持力层为中风化泥岩层。隧道施工时，先施工左线隧道，待左线隧道盾构施工结束时，再施工右线隧道，最后施工联络通道。

3 模型的建立

3.1 模型材料参数

3.1.1 岩土材料参数

根据盾构隧道及其联络通道侧穿快速路桥桩所在两站区间的地质勘察报告，盾构隧道及其联络通道侧穿桥桩区域穿越地层包括杂填土、粉质黏土②2、粉质黏土②3、全风化泥岩、强风化泥岩、中风化泥岩，详细的土层物理力学参数如表1 所示。建模时假设同一地层连续、均质、各向同性，呈水平层状分布，建模时取各地层加权平均厚度作为每一地层厚度。

表1 土层物理力学参数

3.1.2 结构材料参数

模型中结构材料包括桩、承台、桥墩、管片、注浆层、盾壳、联络通道初期支护、联络通道加固、联络通道二次衬砌以及超前小导管，详细的结构材料参数如表2 所示。

表2 结构材料参数

3.2 模型范围的选取及建立

本文只研究盾构隧道及其联络通道施工对邻近桥梁桩基础的影响，不考虑联络通道下方泵房的施工对邻近桥梁桩基础的影响，因此建模时假设联络通道下方不存在泵站。根据众多学者对盾构隧道施工影响的范围进行的研究，发现盾构隧道施工时影响的范围为3～5 倍洞径，地层范围取到稳定地层，根据以上因素以及本工程实际工程概况，建立130（X）×110（Y）×60（Z）的三维模型，桥梁结构与盾构区间及其联络通道的位置关系见图1。

图1 桥梁结构与隧道位置关系图

4 计算结果分析

4.1 地表变形分析

图2 为模型中联络通道中心线上方横向地表（X=62，Z=0）上的土体沉降曲线图。由图2 可知左线盾构隧道、右线盾构隧道、联络通道分别完工时，联络通道中心线上方地表横向直线上的土体最大沉降值分别为-5.85 mm，-5.83 mm，-7.53 mm。所有隧道完工时，地表沉降曲线呈现“W”形，盾构隧道施工对横向地表上的土体主要影响范围为左线隧道中心线左侧20 米上方地表到右线隧道中心线右侧20 米上方地表。联络通道施工对地表横向直线上的土体主要影响范围为左线隧道中心线左侧8 米上方地表到右线隧道中心线右侧8 米上方地表。

图2 地表横向沉降曲线图

4.2 桥墩及桩基竖向位移变形分析

由图3 可知，所有隧道完工时，桥墩及桩基的最大沉降值为3.40 mm，在3-4 的桥桩下部。

图3 所有隧道完工时桥墩及桩基整体竖向位移

以桥墩及桩基2-3 和3-3 为例，研究其最大竖向位移随施工步骤变化的关系，如图4 所示。由图4 可知2-3、3-3 桥墩及桩基最大竖向位移随盾构隧道及其联络通道施工步骤变化可分为七个阶段，即增加-快速增加- 缓慢增加- 快速增加- 缓慢增加- 波动- 缓慢减小。其中左线盾构机开挖第39、40 环土体（此时开挖面分别距离前方2-3、3-3 中的最近桥桩20.4 m）至开挖第69、70 环土体时（此时开挖面分别距离后方2-3、3-3 中的最近桥桩20.9 m），右线盾构机开挖第39、40 环土体（此时开挖面距离前方3-3 中的最近桥桩20.4 m）至右线盾构机开挖第69、70 环土体时（此时开挖面距离后方3-3 中的最近桥桩20.9 m），2-3、3-3 桥墩及桩基最大沉降值增长迅速，由于2-3距离右线盾构隧道比3-3 远，2-3 在第二次竖向位移快速增加阶段的最大沉降增长值比3-3 小。联络通道开挖和初期支护时最大竖向位移有所波动，施工联络通道二衬时稍有减小。

图4 最大竖向位移随施工步骤变化的关系

5 结论

所有隧道完工时，联络通道中心线上方横向地表上的土体沉降曲线呈“W”形，盾构隧道施工对联络通道中心线上方横向地表上的土体主要影响范围为左线隧道中心线左侧20 米上方地表到右线隧道中心线右侧20 米上方地表。联络通道施工对其中心线上方横向地表上的土体主要影响范围为左线隧道中心线左侧8 米上方地表到右线隧道中心线左侧8 米上方地表。

桥墩及桩基最大竖向位移随盾构隧道及其联络通道施工步骤变化可分为七个阶段，盾构隧道施工影响桥墩及桩基最大竖向位移变化的主要施工范围为盾构机开挖平面距离前方桥墩及桩基的最近桥桩20.4 米到盾尾距离后方桥墩及桩基的最近桥桩20.9米的范围内。