珠江口隧道水下近距离侧穿桥桩影响分析

吴仲伦 李腾飞 于勇

【摘    要】：为确保盾构隧道近距离施工过程中既有交通结构安全运营，以珠江口隧道万顷沙侧盾构段近距离侧穿凫洲大桥48、49号桥墩工程为例，建立了考虑壁后注浆、地层损失率等多因素精细化数值模拟模型，对地层加固后盾构侧穿凫洲大桥桥桩的相互作用进行安全评估，分析桩基竖向位移、水平位移、差异性沉降，结果表明：加固措施合理有效，对桥桩及桩周土体变形起到了控制作用。

【关键词】：隧道工程；盾构法；桥桩

【中图分类号】：U455.43【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2024）01-04-04

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.002

收稿日期：2023-02-03

作者简介：吴仲伦（1990 - ）， 男， 硕士， 广东顺德人， 工程师， 从事铁路项目建设管理工作。

Analysis on the Influence of Short Distance Lateral Crossing of Bridge Piles in Pearl River Estuary Tunnel

WU Zhonglun1，LI Tengfei2，YU Yong2

（1. Jiangmen Project Construction Headquarters ，China Railway Guangzhou Bureau Group Corporation， Jiangmen 529100， China；  2.China Railway Liuyuan Group Co. Ltd.， Tianjin 300308， China）

【Abstract】：In order to ensure the operationof existing traffic safety structures during the short distance construction of shield tunnel this paper takes the No. 48 and 49 of Fuzhou Bridge Pier Engineering， which nearby passes through shield section on Wanqingsha of Pearl River Estuary tunnel as an example， establishes a detailed numerical simulation model considering multiple factors such as grouting behind the wall and formation loss rate. The safety assessment and analysis were carried out on the interaction between pile piles of shield side crossing Fuzhou Bridge after formation reinforcement. The results show that the strengthening measures are reasonable and effective， which can control the deformation of bridge pile and soil around the pile.

【Key words】：tunnel engineering; shield method; bridge piles

隨着城市发展，不可避免地出现新建隧道近距离穿越周边既有建（构）筑物的情况。由于既有建（构）筑物安全等级高、沉降变形控制标准严，若在隧道施工过程中产生较大的附加变形及作用力，将严重影响运营安全。

近年来，关于隧道建设对周边既有建（构）筑物的研究并不少，但多数研究对象为近距离上跨或下穿既有建（构）筑物[1～6]，对于隧道在高水压海洋环境下从大型桥桩之间穿越的研究较为少见。

珠江口隧道作为新建新建深圳—江门铁路的控制性工程，周边环境及水文地质条件极其复杂，本文以珠江口隧道万顷沙侧盾构段近距离侧穿凫洲大桥48、49号桥墩工程为例，结合数值模拟软件，对地层加固后盾构侧穿凫洲大桥桥桩的相互作用进行评估分析。

1 工程概况

珠江口隧道全长13.69 km、海域段长约11.05 km，海域段采用盾构+矿山组合工法施工。凫洲大桥全长4.2 km，南、北引道分别长650、685 m，桥梁全宽31 m，采用双向分离式断面，桥梁最大跨度130 m，为双向6车道。

珠江口隧道盾构施工时在里程DK51+120～DK51+170处需侧穿凫洲大桥第48、49号桥墩，桥墩直径2.0 m。隧道结构水平距离48号桥墩最近处约为4.15 m，水平距离49号桥墩最近处约为3.43 m。见图1。

隧道穿越凫洲大桥范围内，地层自上而下依次为淤泥、粉质黏土、细砂、中砂、全风化片岩及强风化片岩层。凫洲大桥48号桥墩底标高为-82.0 m、49号桥墩底标高为-76.0 m，桥墩桩底主要位于全、强风化片岩层中。隧道盾构掘进最大水深约为61.0 m。同时该范围内存在F3-1断裂带。

为尽量减少盾构施工对邻近凫洲大桥桩基的影响，采用高压注浆对隧道与桥桩之间地层进行加固处理，形成隔离桩：在隧道结构与桥桩之间沿盾构线路方向超出最近桥桩两侧5.0 m范围内（15 m区域）及超出隧道结构竖向5.0 m范围采用高压注浆对地层进行加固，对于1倍盾构直径外的桥桩不再进行隔离加固。见图2。

2 凫洲大桥控制标准

凫洲大桥为既有公路桥梁，桥梁变形及沉降应满足如下控制要求：

1）相邻墩台间不均匀沉降差不应使桥面形成＞0.2%的附加纵坡，均匀总沉降差≯5 mm；

2）同一墩台不同桩基之间不均匀沉降值≯5 mm。

3 数值模拟分析

3.1 计算模型及边界条件

采用岩土有限元分析软件Midas GTS NX建立数值三维模型，鉴于计算区域范围隧道洞身主要从全、强风化基岩中穿过，地质条件较好；因此理论模型按照距离既有桥梁桩基近的钻孔地质参数建立地层。为避免边界效应的影响，模型区域为140 m（线路纵向）×130 m（横向）×130 m（厚）。

凫洲大桥南引桥为左右双幅，其中47～50号桥墩共8个承台、16根桩位于模型区域，为全面分析隧道-土体-桩基相互作用关系，上述桩基在模型中全部予以考虑。桩和承台用梁单元模拟，桩土间通过设置桩界面单元和桩端单元实现桩-土耦合，等代层采用板单元，其余均采用实体单元。

模型边界采用位移边界条件，以隧道线路前进方向为X方向、线路左右方位为Y方向、重力方向为Z方向，约束前后面的X向位移、左右面的Y向位移，对模型底面约束3个方向的位移。见图3和图4。

隧道管片环宽为2 m，取每节盾构掘进的长度为4 m。为考虑壁后注浆影响，采用14 cm厚的等代层模拟盾构隧道管片壁后注浆层，初次施作等代层赋予极小的弹性模量模拟盾尾间隙，后续硬化等代层模拟注浆。盾构掘进方向假定按大里程向小里程方向掘进，先侧穿间距较近的49号桥墩桩基，再侧穿距离相对较远的48号桥墩桩基。

3.2 计算模型参数

在计算模型中，开挖过程卸载量较大，若采用摩尔-库伦模型易造成隧道底部土体回弹隆起变形过大；为较真实的模拟土体实际变形情况，对盾构穿越区域的全、强风化片岩采用修正摩尔-库伦模型。见表1和表2。

3.3 计算结果分析

3.3.1 桩基位移

1）49号桥墩。珠江口隧道盾构段掘进侧穿凫洲大桥时， 1#～4#桩顶X向水平位移随着盾构掘进距离先增大后逐渐减小，表明盾构施工造成的土体扰动在开挖面距离桩基较近的范围内对桩顶X向水平位移有较大影响，随着开挖面的远离这种影响逐渐减弱；最终，1#～4#桩顶X向最大水平位移为3.1 mm、Y向最大水平位移为1.1 mm、Z向最大位移为-1.3 mm。见图5。

2）48号桥墩。珠江口隧道盾构施工侧穿凫洲大桥时，1#～4#桩顶X向水平位移随着盾构掘进距离先增大后逐渐平缓，表明盾构施工造成的土体扰动在开挖面距离桩基较近的范围内对桩顶X向水平位移有较大影响，随着开挖面的远离这种影响逐渐减弱；最终，1#～4#桩顶X向最大水平位移为3.0 mm、Y向最大水平位移为-1.6 mm，Z向最大位移为-1.6 mm。见图6。

盾构施工侧穿桥梁期间，施工诱发的桩基水平位移较大，而竖向位移较小。这是由于48、49号桥墩桩基较长，桩基底部低于隧道底且嵌入强风化岩层中一定深度，有利于减小隧道施工扰动作用下造成的竖向位移影响。

3.3.2 桩基差异性沉降

凫洲大桥左幅桥梁49号桥墩不同桩基间的差异沉降最大值为0.2 mm，48号桥墩不同桩基间的差异沉降最大值为0.3 mm； 48、49号桥墩间的不均匀沉降值最大值为0.8 mm，对应变形情况为48号墩较49号桥墩略有下沉。

凫洲大桥右幅桥梁49、48号桥墩不同桩基间的差异沉降最大值均为0.1 mm； 48、49号桥墩间的不均匀沉降最大值为1.4 mm，对应变形情况为48号桥墩较49号桥墩略有下沉。隧道盾构施工诱发的桩基不均匀沉降均较小。见图7。

3.3.3 樁基础不均匀沉降对凫洲大桥影响

为全面分析隧道盾构施工诱发的桩基础不均匀沉降对桥梁受力造成的不利影响，采用Midas Civil分析软件建立桥梁空间梁单元计算模型，验算出桥墩不均匀沉降为3 mm。将计算结果的基础沉降组输入到桥梁计算模型中，对桥梁进行了包括持久状况正常使用极限状态、持久状况和短暂状况构件的应力计算。

1）正常使用极限状态下结构抗裂验算。在使用阶段各荷载工况短期效应组合下，主梁各截面顶底板处均未出现拉应力。主梁截面最大主拉应力为0.40 MPa＜1.06 MPa，满足安全要求［7］。见图8。

2）持久状况和短暂状况构件的应力计算。标准组合下，主梁正截面最大压应力为8.89 MPa<16.2 MPa，满足安全要求。斜截面混凝土的最大主压应力为8.91 MPa＜19.44 MPa，满足安全要求［7］。见图9和图10。

综上，3 mm的桩基础不均匀沉降未危及桥梁安全。

4 结论及建议

1）在考虑了隧道盾构施工诱发的桩基础不均匀沉降后，桥梁各极限状态下的结构验算均能满足规范要求，桩基础不均匀沉降未危及桥梁安全。

2）本文作为理论分析，建议在隧道盾构侧穿凫洲大桥施工过程中做好控制工作，特别是盾构掘进到距离桩基很近时，应加强监测，根据监测数据反馈调整盾构姿态，动态控制施工过程对桥桩的影响，确保凫洲大桥的运营及结构安全。

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