橋梁樁基被盾構隧道近距離穿越的影響研究

張 強 鄭茜茜

0 引言

近年來，隨著社會經濟的高速發展與地下空間資源的開發利用，盾構法隧道工程技術得到了快速的發展。尤其是隨著國內各大城市軌道交通項目的廣泛開展，盾構法施工已經積累了相當豐富的經驗，在通常情況下已經能夠較好地預測并控制盾構掘進對周圍環境的影響。但是，當隧道近距離穿越地下既有構筑物時，如何確保構筑物與隧道自身的安全，減少盾構隧道近距離穿越施工時的相互影響問題，給設計和施工帶來了極大的挑戰，已經引起了地下工程界和巖土工程界甚至包括地鐵承包商在內的高度重視。

近年來，國內外學者對盾構近距離穿越構筑物施工開展了廣泛研究，王占生等人［1］提出了盾構通過建筑物時的施工控制參數和常見的工程處理措施，李永靖等人［2］得到了地鐵及基礎圍巖的應力與位移變化規律，衡朝陽等［3］提出了地鐵隧道周邊建筑物地基基礎的變形控制標準，李國成等［4］分析了武漢長江隧道施工對周圍建筑的影響。但是，大部分學者的研究都是從盾構施工參數與施工工藝的角度出發，提出相應的施工控制措施，而對既有構筑物在被穿越過程中的力學行為的研究則相對不足。

基于此，本文以廣州地區某地鐵隧道近距離穿越橋梁樁基為工程背景，借助于MIDAS有限元軟件，研究橋梁樁基在被穿越過程中，隧道與樁基的相互作用，為工程的順利開展奠定理論基礎，并為類似工程的設計與施工積累經驗。

1 工程地質概況

工程所在范圍自上而下地層依次為:素填土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、砂質黏土與全風化花崗巖，根據該標段勘測圍巖自上而下地質情況，可以將其綜合歸并為4層材料性質巖土體，具體如表1所示。

表1 地層相關參數

另外，隧道管片與樁基的物理力學參數也示于表1中。盾構外徑6 340 mm，內徑6 200 mm，管片厚度35 cm，采用C50鋼筋混凝土，橋梁樁基直徑1 500 mm，采用C25鋼筋混凝土。

2 有限元數值模擬分析

2.1 有限元模型的建立

分別選用板單元與梁單元模擬混凝土管片與橋梁樁基，土體采用實體單元進行模擬。同時，為簡化計算，模擬中假定管片緊跟開挖面，以每米為一個開挖步，有限元模型如圖1所示，模型尺寸為60 m×60 m×38 m，橋梁樁基位于模型中部，模型采用位移邊界條件。

2.2 數值模擬關鍵技術

1)實際工程中，地層受到刀盤的切削與振動，盾殼通過時的剪切以及向盾尾建筑空隙位移趨勢等因素的影響，在管片與地層有效接觸前，地層應力會出現一定的釋放，因此，在開挖后管片添加前，釋放5%的地層荷載。

2)實際施工中，為了有效抑制盾構通過時對樁基的不利影響，對樁基四周地層進行了注漿加固，加固范圍為距離樁基中心2倍樁徑范圍，因此，本文將樁基四周加固地層的力學參數進行了相應的調整，進一步分析地基改良情況對樁基位移趨勢的具體影響。

3)考慮到管片接縫對襯砌整體剛度的影響，分別采用管片剛度折減系數η=0.7與η=0.8模擬通縫拼裝與錯縫拼裝，進一步分析管片拼裝方式對橋梁樁基的具體影響。

2.3 計算結果分析

為了充分了解樁基與隧道之間的相互作用，分別對穿越過程中隧道結構的內力、位移，以及樁基的位移等進行分析。

1)隧道結構內力分析。

表2 隧道最大橫向彎矩及其相應軸力情況

對隧道安全有重大影響的是結構的橫向內力及其變化，不同管片剛度折減系數下，隧道結構的最大橫向彎矩值及其相應軸力見表2。

由表2可見，由于樁基的存在，垂直方向的最大橫向內力出現在隧道拱底處，彎矩與軸力分別達到-71 kN·m與358 kN，而水平方向的最大橫向內力則出現在與樁基相鄰一側的管片邊墻處，分別達到71 kN·m與352 kN。同時，提高剛度折減系數，結構內力出現相應的增大，主要體現在彎矩的變化上。

2)隧道位移分析。

以管片剛度折減系數為0.7為例，隧道的位移情況如圖2，表3所示。

由圖2可知，在鄰近樁基附近，隧道的水平位移出現了突變。在遠離樁基一側，隧道的最大水平位移發生在拱腰處，達到1.56 cm，表明樁基的存在，導致隧道相應位置處的水平位移增大。

表3 隧道最大位移情況 cm

由表3可知，由于樁基的存在，使得隧道沿水平方向的變形出現左右不對稱現象，其中靠近樁基一側隧道邊墻的水平變形要大于遠離樁基一側的位移。

另外，從隧道具體的位移數值上看，整體變形不大，最大相對變形發生在垂直方向，為2.9 cm。

3)樁基變形分析。

盾構近距離穿越施工，必將加劇樁基的水平位移趨勢，不同的管片剛度折減系數與不同的地基條件下，樁基的水平變形情況如表4所示(表4中樁基1距離隧道相對較近，而樁基2則距離隧道相對較遠)。

表4 樁基的最大水平位移情況 cm

由表4可知，地基加固后，樁基1的水平位移減少了1.01 cm (占總位移量的40.2%)，同時樁基2的水平位移也相應減小了0.73 cm(占總位移量的48.3%)，樁基的水平位移趨勢得到了明顯的改善。同時，當管片剛度折減系數從0.7增大到0.8，發現樁基的水平位移幾乎沒有任何變化，因此從隧道對鄰接樁基的影響看，可以認為改變管片拼裝方式，對鄰接“建筑物”幾乎沒有影響。

3 結語

通過樁基被盾構隧道近距離穿越過程中，樁基與隧道結構的內力、位移的變化情況，可以得到以下幾點結論:

1)鄰近樁基施工，將會導致隧道自身結構，特別是靠近樁基一側邊墻內力(彎矩)增大，將會加劇相應位置的變形，對隧道的整體穩定不利。同時，管片剛度折減系數的增大，將會導致隧道內力的相應增大，表明錯縫拼裝時，隧道結構的安全性將會出現相應的降低。

2)樁基的存在，將會加劇相應位置處隧道的位移趨勢，越靠近樁基，位移趨勢越大，尤其體現在隧道拱腰處的水平位移上。

3)從樁基的變形角度看，盾構隧道近距離穿越施工將會引起既有橋梁樁基產生偏向隧道方向的“拉伸”變形，距離隧道越近，“拉伸”變形越大。

4)不同的管片剛度折減系數對樁基的水平位移幾乎沒有影響，表明改變管片的拼裝方式，對隧道附近地下構筑物影響不大。

5)樁基附近地基的加固處理，將會顯著減小樁基向隧道方向的水平位移，而且越靠近隧道，對樁基水平位移的限制作用越明顯。因此，為了確保樁基的安全，建議采取地基改良措施，增大樁基與周邊地層的整體剛度，限制向隧道方向的水平位移趨勢。

［1］ 王占生，王夢恕.盾構施工隨周圍建筑物的安全影響及處理措施［J］.中國安全科學學報，2002，12(2):45-49.

［2］ 李永靖，張向東.城市地鐵開挖對地表建筑物影響研究［J］.地下空間與工程學報，2006，2(8):1326-1329.

［3］ 衡朝陽，藤延京，陳希泉.地鐵盾構隧道周邊建筑物地基基礎變形控制研究［J］.地下空間與工程學報，2006，2(8): 1336-1340.

［4］ 李國成，李煒民.長江隧道施工對周圍建筑的影響分析［J］.鐵道工程學報，2007(7):52-55.