盾构切削穿越既有桥梁桩基安全性分析研究

罗 旭，阮艳妹，林 珊，谢浩梆，徐伟真，叶锡钧

（1、广州地铁设计研究院股份有限公司 广州 510010；2、广州大学土木工程学院 广州 510006）

0 前言

在城市中心修建城市隧道经常遇到穿越既有结构物桩基的情况，采用盾构法施工会导致在掘进过程对周边建筑物的影响愈加突出，在地基底下新建盾构隧道遭遇地基有桩基地面有建筑物的处理方法通常是先托换再破除桩基［1-2］或者拆除地面建筑物并对其基础进行处理，这样做不仅工程造价高，还容易对环境造成污染，并不是最优处理方法。

目前，国内外学者针对盾构直接切桩穿越构筑物的研究，主要针对盾构切削钢筋的可行性、刀盘配置的参数、盾构过程中掘进参数对隧道施工对土体沉降产生的影响。因为土体受损是盾构施工引起的地表沉降的主要因素，1968 年PECK［3］基于大量的工程监测数据，提出了PECK公式，用于计算盾构施工引起的沉降变形；受地面建筑物的限制，无法对建筑物的桩基进行拆除，采用盾构机进行直接切桩［4-5］通过隧道的桥桩，进行隧道的施工，验证了盾构穿越隧道直接切桩通过是可行的；周璇［6］通过苏州轨道交通2 号线盾构切削群桩项目为工程背景，对φ1 200 mm 钢筋混凝土桩基进行现场试验，验证了盾构刀片切割钢筋是可行的；关于盾构施工下的盾构机选择，不仅要求其在所处地层中有一定的适用性，还应该具备切削或磨削钢筋混凝土桩的能力，并要求盾构机在切桩的同时，预防盾构前方出现喷涌以及盾尾密封的现象，这就对盾构机的配置要求［7-9］更高。罗文静［10］与冯健璋［11］采用数值模拟方法分析盾构下穿建构物影响效应，得出地面沉降规律。

从目前的研究现状来看，盾构切削穿越既有建筑物桩基工程的安全性受建筑物类型、土层状态和盾构机的参数配置等因素的综合影响，具有一定的不确定性。本文主要以某地铁项目的区间盾构隧道工程实例，通过理论分析和数值模拟，研究盾构切削既有桥梁桩基方案的可行性，给类似的工程实例提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

本工程为某地铁项目的区间盾构隧道工程实例，施工区域经过某高桥，地铁盾构隧道拟从该高桥下部通过，高桥桩长约为22.2 m，隧道埋深约24.4 m。高桥共有两根桩基侵入盾构隧道内，侵入隧道部分桩基通过盾构机切削，切削长度约为2.05 m。区间隧道下穿越高桥的示意图如图1所示。

图1 区间隧道下穿高桥剖面Fig.1 Tunnel under the High Bridge Profile （mm）

1.2 区域地层信息

本区域的土层参数如表1所示。

表1 土层有关参数Tab.1 Soil Layer Related Parameters

2 理论分析

2.1 桥梁桩基安全性分析

根据原设计资料，按结构的实际形式和现行《公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015》规定，按公路Ⅱ级布置车道荷载，计算恒载效应和活载效应，平均分配到每根桩上。本桥桩基为端承摩擦桩，根据端承摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值可按《公路桥涵地基与基础设计规范：JTG 3363—2019》计算，切削桩基后分两种情况考虑桩基承载力：

⑴盾构切割桩端后，桩端落在已完全硬化的盾构注浆层上，考虑桩端土的承载力特征值按C50 混凝土抗压强度计算；

⑵偏安全考虑，按纯摩擦桩计算，得出切削前后桩基承载力结果，如表2所示。

表2 桩基承载力计算结果与安全系数Tab.2 Calculation Results and Safety Factor of Pile Foundation Bearing Capacity

综上，桩基切削前和切削后（考虑桩端承载力）桥桩结构安全系数均大于2，桩基切削后（不考虑桩端承载力）桥桩结构安全系数为1.69，故盾构切削桩基后，桥梁桩基结构仍安全，桥桩承载力满足要求。

2.2 管片受力状态分析

管片是盾构隧道结构设计中比较关键的一环，是保证隧道质量的主要因素。进行切削后的桩基对传递过来的荷载主要是以水平荷载和垂直荷载的形式传递到管片上，进一步导致管片的结构发生变形和应力状态的变化，从而影响其受力性能和使用寿命，因此需要考虑到桩基对管片的荷载传递问题，以确保管片结构的安全和稳定。

2.2.1 荷载计算

采用修正惯用计算法对管片的内力进行计算。管片承受的荷载根据《隧道标准规范（盾构篇）及解析》［12］和《盾构法隧道施工及验收规范：GB 50446—2017》，得出的结果如下：自重反力Pg=24.50 kPa，垂直荷载P1=283.96 kPa，水平荷载q1=201.13 kPa，侧向水平三角形荷载q0=292.44 kPa，侧向地层抗力kg=79.20 kPa。

2.2.2 管片承载力验算

按文献［12］对管片的顶部、腰部和底部所受的内力进行计算分析，计算结果为：管片顶部弯矩内力值为93.95 kN·m，轴力为774.52 kN；管片腰部弯矩内力值为-63.16 kN·m，轴力为1 048.89 kN；管片底部弯矩内力值为79.97 kN·m，轴力为819.75 kN，如图2所示。

图2 盾构管片断面内力图Fig.2 Internal Force of Shield Tunneling Pipe Segment

表3 管片内力和承载力计算结果Tab.3 Calculation Results for Internal Force and Bearing Capacity of the Pipeline Segment

管片受力最不利情况出现在顶部和腰部，故底部不作分析。由表3 数据可知，管片在不同的部位所承受的弯矩和轴力相差较大，考虑结构重要性系数，管片的顶部受到的弯矩为122.14 kN·m ，所受轴力为774.52 kN；在管片腰部受到最大的负弯矩82.11 kN·m，轴力为1 048.89 kN。与管片承载力计算结果对比，管片顶部弯矩承载力为297.98 kN·m；轴向承载力为1 889.54 kN；管片腰部弯矩承载力为294.06 kN·m；轴向承载力为3 775.57 kN。管片弯矩承载力和轴向承载力均大于管片所受内力，管片的安全性满足。

2.2.3 裂缝宽度验算

根据《混凝土结构设计规范：GB 50010—2010》计算得出管片的顶部、腰部和底部的裂缝宽度分别为0.12 mm、0.02 mm和0.01 mm，满足≤0.2 mm的要求。

3 数值模拟

为进一步验证盾构施工切削桩基对桥梁的影响，利用数值模拟软件Midas GTS NX，建立模型分析盾构开挖及切削桩基全过程，重点分析桥梁桩基被切削前后的桥梁结构的位移以及桩周土体沉降情况。

3.1 有限元模型建立

计算采用“地层-结构”模型，地层单元和二次衬砌均采用实体单元，注浆采用板单元，本构模型采用摩尔-库伦弹塑性模型，选取模型尺寸为30 m×30 m×33.8 m，如图3所示。

图3 有限元模型Fig.3 Finite Element Model

3.2 模拟结果分析

⑴工况1：选取桥面边缘处沉降最大值节点（1号节点）作为研究对象，如图4 所示，分析在盾构施工过程中，节点处位移规律。

图4 1号节点位置Fig.4 Location of Node 1

由图5可以看出，随着盾构隧道开挖推进，桥面上1 号节点的沉降量呈递增趋势，z方向沉降最为明显，直至开挖结束后桥面上最大沉降量达到最大值，z方向竖向位移最大值为10.16 mm。

图5 1号节点三向位移Fig.5 Three-directional Displacement of Node 1

⑵工况2：选取与桩不同距离的土体为研究对象，分析在盾构施工过程中对桩及土层的沉降影响。

由图6可知，随着土层距离桩中心的距离越大，土层的沉降量越小，在盾构隧道开挖完毕后，桩附近土体的沉降量始终大于桩的沉降量，桩土之间不存在负摩阻力的情况。

图6 离桩中心不同距离土层沉降Fig.6 The settlement of Soil Layers at Different Distances from the Pile Center

4 结论

本文以某地铁项目的区间盾构隧道施工为依托，通过理论计算切削桩基承载力及桥梁安全系数，数值分析盾构开挖及切削桩基全过程，得出以下结论：

⑴桩基切削前和在桩基切削后，结构安全系数均能满足规范要求。经计算，管片受力最不利情况出现在顶部和腰部，原设计管片配筋合理，满足设计安全要求，为该项目切削桩基提供理论支撑。

⑵盾构开挖产生振动，对桥梁造成一定影响，但由于盾构施工所产生的效应距离桥面较远，桥面上最大沉降量最大值仅为10.16 mm。

⑶盾构掘进时，隧道上方土层会发生沉降，但土层距离桩中心的距离越大，土层的沉降量越小，在盾构隧道开挖完毕后，桩周附近土体的沉降量始终大于桩的沉降量，桩土之间不存在负摩阻力的情况。