隧道位置对原有邻近桥梁桩基的影响分析

姜贵彬

（申成路桥建设集团有限公司，河北保定 071000）

1 引言

随着社会经济的发展和城市轨道交通建设的进步， 我国地铁的总里程数也在不断增加。 与此同时，我国大部分城市都建设了许多高架桥和立交桥等设施，方便了人们的出行[1]。 盾构法作为地铁施工的主要方法之一，具有不影响地表交通、不受气候条件的制约、施工快速等优势[2]。然而，随着地铁线路的逐渐增加，许多地铁盾构隧道邻近城市原有的高架桥等设施，对原有邻接的桥梁桩基产生影响。 因此，对盾构隧道对原有邻近桥梁桩基的影响进行分析就显得格外重要。 本文采用三维有限元法对盾构隧道的施工过程进行模拟， 并对不同隧道位置对原有邻近桥梁桩基的影响进行了分析。

2 盾构隧道施工的工程数值模型构建

为了研究隧道位置对原有邻近桥梁桩基的影响， 选取了某市的地铁建设作为工程背景， 并采用有限元软件Midas GTS NX 来对盾构隧道的施工过程进行数值模拟。 该地铁线路采用两台土压平衡盾构机进行施工， 隧道轴线埋深约16.1 m，隧道和两侧桥梁桩基的最短距离为1.7 m。 该地铁线路附近的桥梁是上下部结构，且主要以摩擦桩为主。 该地铁施工现场的土层主要包含了中风化砂岩和强风化炭质泥岩。 因此， 研究选取了隧道施工穿过全风化炭质页岩时的断面来作为整体施工建设的代表断面。 项目地区的地表水径流量较大，因此，需要留意地表水对工程建设的影响。 工程数值模型的构建步骤如图1 所示。

图1 工程数值模型的构建步骤

从图1 可以看出，在对工程数值模型进行构建时，第一步是先选择材料参数，第二步是材料性态的模拟，第三步是计算主要的施工荷载， 第四步通过有限元软件来构建最终的工程数值模型[3]。材料参数的选择主要涉及土体物理力学参数和桥梁结构物理力学参数。 参数选择的主要依据是岩土勘察报告、桥梁施工的设计图以及类似研究选取的参数。 为了对土体材料的性态进行模拟，采用了修正莫尔-库伦本构模型。 该模型属于复合材料模型，可以对土体的力学特性进行较好的模拟。此外，该模型需要对卸载弹性模量等参数进行设定。 针对桥梁材料性态的模拟，采用了线弹性本构模型。 对于桥梁摩擦桩和端承桩的模拟，利用桩界面单元和桩端单元，对桩-土的相对位移等情况进行了模拟。 摩擦桩的剪切及法向刚度模量分别为143 798 kN/m3和143 798 kN/m3，最终剪力为373 kPa。端承桩的桩土界面参数和摩擦桩的一致。 此外，摩擦桩和端承桩的桩端承载力分别为821 kN 和20 451 kN， 桩端弹簧刚度分别为67 935 kN/m 和1 141 112 kN/m。 此外。 桩基采用梁单元进行模拟，而管片和盾壳采用板单元模拟。

在对材料参数和性态进行选择和模拟之后，需要对施工荷载进行计算。针对施工荷载的计算，主要从6 个方面进行分析，分别为桩顶荷载、土仓压力、刀盘与土体摩擦力、盾壳与土体摩擦力、注浆压力和千斤顶推力。 对于桩顶荷载的求解，需要以JGJ 94—2018《建筑桩基技术规范》为依据。 土仓加压可以保持开挖面的稳定，而土仓压力的计算主要是依据开挖面处的水土压力。刀盘与土体摩擦力的计算主要涉及刀盘开口率和摩擦系数等。 盾壳与土体摩擦力也是由水土压力造成的，其计算主要涉及水平土压力和盾壳直径等。 注浆压力通过会在0.1～0.3 MPa进行选取。 千斤顶推力由不同分力的和构成。

为了对最终的工程数值模型进行构建， 选取地铁建设的重要施工阶段， 一共有4 个， 之后再对工程数值模型进行建立。 第一个阶段为土体开挖阶段，该阶段需要对盾壳承担开挖荷载进行激活，且主要利用了Midas 软件。 此外，该阶段还需要施加土仓压力和摩擦力。 第二个阶段为管片拼装阶段，该阶段需要对衬砌管片进行激活， 并对开挖面上的土仓压力进行钝化。 壁后注浆是第三个阶段，该阶段需要对盾构外壳进行钝化，并对还没有硬化的注浆材料、管片的收缩荷载、外侧及内侧注浆压力进行激活。 第四个阶段为盾尾脱离阶段，该阶段注浆材料的硬化程度会增强。 通过上述4 个重要的施工阶段，可以对盾构隧道施工的全过程进行模拟。

构建好的工程数值模型的长度为62 m， 宽度为78 m，高度为44 m。模型的底部加入了固定约束，而模型的侧面加入了相应的法向位移约束。 此外，模型中的土体一种包含6 种，其中厚度最大的是强风化粉砂岩， 厚度最小的是淤泥质土和淤泥质粉砂。 地下水被设置在-3 m 的位置，隧道直径为6.5 m，盾构机的刀盘直径为6.8 m，盾壳厚度为7 mm。桩基的桩径和桩长分别为1.3 m 和21 m， 管片的厚度和幅宽分别为0.4 m 和1.6 m。 单桩承台尺寸的长和宽皆为2.3 m，高为2.1 m。双桩承台尺寸的长为5.5 m，宽为2.3 m，高为2.1 m。

3 盾构隧道不同位置在桥梁桩基上的影响分析

在使用盾构机来对地铁隧道进行挖掘时， 原有邻近桥梁桩基会受到地层变形的影响。 为了分析盾构隧道不同位置对桥梁桩基的影响，对二者的相对位置关系进行分析。 具体的相对位置关系如图2 所示。

图2 具体的相对位置关系

在图2 中， 圆形代表隧道，D 表示隧道和桩基的水平距离。 D 和隧道埋深的取值分别各有4 种，代表了盾构隧道和桩基之间不同的相对位置关系。 因此，隧道位置对桥梁桩基的影响主要从水平距离和隧道埋深两个方面来进行分析。 在水平距离上的影响主要可以从两个层面展开， 分别为在桩基变形上的影响和在桩基内力上的影响。 在进行影响分析之前，需要先对桩基的沉降和水平变形进行控制， 并将工程数值模型的宽度和高度分别调整为90 m 和50 m。 不同位置关系下隧道盾构施工对桥梁桩基沉降和水平位移的影响如图3 所示。

图3 不同位置关系下隧道盾构施工对桥梁桩基沉降的影响

通过图3a 可以看出，当盾构隧道和桥梁桩基之间的水平距离为5.55 m 时，桩身沉降的最大值为-6.21 mm，最小值为-7.43 mm。 随着沿桩身深度的增加，桩身沉降的值在逐渐变小。当水平距离为9.7 m 时，桩身沉降的最大值为-3.99 mm，最小值为-4.75 mm。随着沿桩身深度的增加，桩身沉降的值也在逐渐变小，但是变小的速度已经放缓。 当水平距离为12.9 m 时，桩身沉降的最大值为-2.56 mm，最小值为-2.82 mm。 此时，桩身沉降的变小速度有了进一步的放缓。 当水平距离为16.1 m时，桩身沉降的最大值和最小值皆为-1.78 mm，且此时桩身沉降没有随着沿桩身深度的增加而发生变化。 由此可知，当水平距离越大时，桥梁桩基沉降最大值和最小值之间的差值最小。由图3b 可知，当水平距离为5.55 m 时，桩身横向水平位移的最大值为6.73 mm，最小值为-0.65 mm。当水平距离为9.7 m时，桩身横向水平位移的最大值为6.01 mm，最小值为-1.51 mm。当水平距离为12.9 m 时，桩身横向水平位移的最大值为5.03 mm，最小值为-1.22 mm。 当水平距离为16.1 m 时，桩身横向水平位移的最大值为3.73 mm，最小值为-1.02 mm。 由此可知，当水平距离越大时， 桥梁桩基横向水平位移最大值和最小值之间的差值最小。 综上分析，隧道和桩基之间的水平距离越大，桩基受到的影响便越小。 为了分析不同水平距离对桩基内力的影响， 本文对隧道盾构施工后的桩身轴力分布和桩身横向弯矩分布进行了分析。

当水平距离为5.55 m 时，桩身轴力的最大值为2 750 kN，最小值为308 kN。 当水平距离为9.7 m 时，桩身轴力的最大值为2 115 kN，最小值为213 kN。 当水平距离为12.9 m 时，桩身轴力的最大值为1 507 kN， 最小值为105 kN。 当水平距离为16.1 m 时，桩身轴力的最大值为1 248 kN，最小值为32 kN。当水平距离越大时，桩身轴力最大值和最小值之间的差距最小。当水平距离为5.55 m 时， 桩身弯矩的最大值为216 kN·m，最小值为-182 kN·m。 当水平距离为9.7 m 时，桩身弯矩的最大值为126 kN·m， 最小值为-50 kN·m。 当水平距离为12.9 m时，桩身弯矩的最大值为63 kN·m，最小值为-37 kN·m。 当水平距离为16.1 m 时，桩身弯矩的最大值为45 kN·m，最小值为-31 kN·m。桩基初始状态下桩身弯矩的最大值为25 kN·m，最小值为-21 kN·m。可以看出，水平距离越大时的桩身弯矩和初始状态下桩身弯矩是最为接近的， 表明此时桩基受到的影响较小。 为了对不同隧道埋深对桥梁桩基的影响进行分析，从桩基变形和桩基内力两个层面进行分析。

当隧道埋深为13 m 时，桩身沉降的最大值和最小值分别为-3.72 mm 和-5.01 mm。 当隧道埋深为17 m 时，桩身沉降的最大值和最小值分别为-6.28 mm 和-7.50 mm。 当隧道埋深为23 m时，桩身沉降的最大值和最小值分别为-12.89 mm 和-13.77 mm。当隧道埋深为27 m 时，桩身沉降的最大值和最小值皆为-6.98 mm。当隧道埋深为13 m、17 m、23 m 和27 m 时，桩身横向水平位移的最大值分别为5.0 mm、5.23 mm、6.76 mm 和1.82 mm， 最小值分别为-0.12 mm、-0.51 mm、1.53 mm 和0.08 mm；桩身纵向水平位移的最大值分别为4.48 mm、3.92 mm、4.61 mm 和1.62 mm， 最小值分别为-0.25 mm、-0.37 mm、0.50 mm 和0.17 mm。 隧道埋深变化会对桥梁桩基的沉降、横向及纵向水平位移造成较大的影响。

当隧道埋深为13 m、17 m、23 m 和27 m 时， 桩身轴力的最大值分别为3 382 kN、2 748 kN、2 776 kN 和1 875 kN，最小值皆为325 kN；桩身弯矩的最大值分别为149 kN·m、223 kN·m、218 kN·m 和43 kN·m，最小值分别为-152 kN·m、-191 kN·m、-112 kN·m 和-25 kN·m。 当隧道埋深越大，桩身弯矩的变动范围最小。 可以看出，当隧道埋深越大时，隧道施工对桥梁桩基的影响最小。

4 结论

为了对隧道位置在原有邻近桥梁桩基上的影响进行分析，本文采用了三维有限元软件来对盾构隧道施工过程的数值分析。结果显示，当水平距离为5.55 m、9.7 m、12.9 m 和16.1 m 时，桩身沉降的最大值分别为-6.21 mm、-3.99 mm、-2.56 mm 和-1.78 mm，最小值为-7.43 mm、-4.75 mm、-2.82 mm 和-1.78 mm；桩身横向水平位移的最大值分别为6.73mm、6.01mm、5.03mm 和3.73mm，最小值分别为-0.65 mm、-1.51 mm、-1.22 mm 和-1.02 mm。 由此可知，隧道和桩基之间的水平距离越大，桩基受到的影响便越小。当隧道埋深为13 m、17 m、23 m 和27 m 时，桩身沉降的最大值分别为-3.72 mm、-6.28 mm、-12.89 mm 和-6.98 mm， 最小值分别为-5.01 mm、-7.50 mm、-13.77 mm 和-6.98 mm； 桩身弯矩的最大值分别为149 kN·m、223 kN·m、218 kN·m 和43 kN·m，最小值分别为-152 kN·m、-191 kN·m、-112 kN·m 和-25 kN·m。由此可知， 当隧道埋深越大时， 隧道施工对桥梁桩基的影响最小。研究主要分析了盾构隧道施工在桩基上的影响，对其他隧道施工方法在桩基上的影响考虑较少， 未来的研究可以在这个方面进行改进。