盾構法隧道近距離側穿對橋梁樁基的影響

陳濤，呂勇剛（1.寧波市高等級公路建設指揮部，浙江　寧波　15192；2.寧波大學，浙江　寧波　15211；.中交公路規劃設計院有限公司，北京　100088）

盾構法隧道近距離側穿對橋梁樁基的影響

陳濤1，2，呂勇剛3
（1.寧波市高等級公路建設指揮部，浙江寧波315192；2.寧波大學，浙江寧波315211；3.中交公路規劃設計院有限公司，北京100088）

以佛莞城際鐵路長隆隧道盾構法近距離側穿東新高速橋梁樁基工程為例，采用數值仿真對盾構法隧道近距離側穿高速公路橋梁樁基的影響進行研究。研究表明：采用旋噴隔離樁保護既有橋梁樁基，大幅降低了盾構掘進對橋梁樁基的影響。

盾構法；側穿；橋梁樁基；旋噴隔離樁

0　引言

盾構隧道掘進施工有可能會引起地層移動，對周圍橋梁樁群、房屋、道路、管線產生危害，此類事故的情況時有發生。分析盾構掘進過程對周圍既有構筑物如橋梁、高層建筑等的影響，以對設計、施工等關鍵參數進行有效控制，達到防治的目的。

本文以佛莞城際鐵路長隆隧道的盾構法施工為例，通過數值仿真，分析了盾構掘進隧道近距離側穿高速公路橋梁樁基，對橋梁樁基的影響，以及采用加固措施后對橋梁樁基的保護作用，可供類似工程設計、施工借鑒。

1　工程概況

佛莞城際鐵路長隆隧道屬于城市地下隧道，位于廣州市番禺區，長為10 950 m（按雙洞計），長隆隧道在DK0+225—+250段及YDK0+220—+260段以雙洞盾構的形式側穿東新高速橋梁工程樁基群，盾構隧道管片直徑為8.50 m，厚為0.4 m，寬為1.6 m。隧道穿越橋梁工程段，隧道外墻距橋梁樁基水平凈距比較小，其中隧道右線右側墻距橋梁樁基最小水平凈距為5.01 m，左線右側墻最小水平凈距為3.06 m，隧道右線左側墻距橋梁樁基最小水平凈距為4.4 m。隧道穿越東新高速橋梁工程段地層巖性主要為泥質砂巖，為Ⅲ、Ⅳ級圍巖。

長隆隧道與東新高速橋梁樁基關系的平面和剖面如圖1、圖2所示[1]。

圖1　長隆隧道與東新高速橋梁樁基關系平面示意圖（單位：m）Fig.1　Plan relationship between Changlong Tunnel and Dongxin Highway Bridge pile foundation(m)

圖2　長隆隧道與東新高速橋梁樁基關系典型剖面圖（單位：m）Fig.2　Typical cross-sectional relationship between Changlong Tunnel and Dongxin Highway Bridge pile foundation(m)

2　盾構隧道側穿樁基段保護方案

長隆隧道側穿東新高速橋梁樁基為端承樁，且隧道洞身高度圍巖主要為全、強風化泥質砂巖，設計采用旋噴隔離墻對既有橋梁樁基進行保護[1]。

1）旋噴采用φ800@600旋噴樁，3排嚙合，如圖3所示，加固體平面上距隧道凈距0.5 m，下部至強風化泥質砂巖層不小于0.5 m。

2）旋噴加固采用42.5級以上普通硅酸鹽水泥，根據需要加入適量外加劑及摻合料，用量通過實驗確定，加固體水泥用量不少于600 kg/m3，水泥漿液的水灰比為1∶1～1∶1.5。旋噴樁加固后，土體28 d無側限抗壓強度不小于1.0 MPa。

圖3　旋噴樁加固布置圖Fig.3　Layout plan of jet grouting piles

3　數值模擬分析

建立三維數值模型，對該盾構側穿既有橋梁樁基的影響以及采用旋噴隔離墻的保護效果進行分析。

3.1基本假定

計算分析基本假定[2]：

1）地層材料采用莫爾-庫侖準則計算。

2）假定土層成層均質水平分布。

3）隧道開挖中管片結構采用殼單元模擬。

4）地層和材料的應力應變均在彈塑性范圍內變化。

5）不考慮隧道開挖對土體力學指標的影響以及地下水滲流影響。

6）模擬盾構法開挖時，為簡化計算，假定刀盤對開挖面施加均布荷載，荷載大小根據盾構隧道埋深及地質情況確定。

3.2計算模型及計算參數

模型計算范圍為80 m×57.6 m×50 m（長×高×寬），簡化左右線盾構隧道走向平行，樁基與盾構隧道位置按實際距離模擬，模型包括193 716個單元和201 825個節點，計算模型網格劃分如圖4所示。模型采用位移邊界作為邊界條件，除上表面為自由邊界外，各外表面均約束法線方向的位移。

整個模擬過程共分4步。

1）在未開挖隧道之前，模型在初始地應力下平衡。

2）清除塑性區以及位移歸零，施作橋梁樁基計算。

3）清除塑性區以及位移清零，左線盾構隧道掘進。

4）右線盾構隧道掘進。

根據試驗結果，計算中假定：注漿層1 d彈性模量為30 MPa，7 d彈性模量為80 MPa。

地層參數按地勘及相關資料取值[3-7]，見表1。

圖4　模型網格圖Fig.4　Model grid graph

表1　物理力學參數Table 1　Physical and mechanical parameters

3.3盾構施工過程模擬

3.3.1盾構機超挖量的模擬

在盾構機的設計中，為了減小推進的摩阻力以及轉彎的靈活性，通常將刀盤設置一定的超挖量，計算中取該超挖量或錐形量為3 cm。計算中采用應力釋放的方法來模擬該損失，即模擬時在盾構機到達前提取開挖輪廓線上的節點力F，當盾構機到達時，殺死盾構機所在空間的單元，同時在盾構機輪廓線處施加反向節點力荷載（1-a）F，其中a為應力釋放率，參閱相關資料，計算中取應力釋放率為8%[8]。

3.3.2盾尾空隙及注漿層硬化的模擬

盾尾空隙采用殺死注漿層單元來模擬。在殺死注漿層單元的同時，沿徑向施加注漿壓力，并且在下一個計算步中將注漿層和管片襯砌單元激活。考慮到注漿層的硬化有一個時間過程，計算中給不同位置的注漿層賦予了不同材料參數。

3.3.3步步掘進模擬的實現

當盾構機向前推進時，需殺死盾構機所在單元，同時在掘削面施加頂進壓力，在盾尾處施加注漿壓力和頂進反力。

3.4計算工況

為研究長隆隧道盾構掘進對東新高速橋梁工程的影響，分以下兩種工況進行計算分析。

工況一：東新高速橋梁樁基未進行加固處理下長隆隧道盾構掘進過程模擬。

工況二：東新高速樁基采取旋噴隔離墻保護下長隆隧道盾構掘進過程模擬。

4　計算結果

4.1樁基變形分析

從計算結果可以看出，盾構隧道掘進引起樁頂變形，其中樁頂水平變形最大（垂直于隧道走向），其次為樁頂豎向變形。

從樁基水平變形云圖可以看出，左洞貫通后6號樁基頂部產生傾向于左洞的最大水平變形，兩洞貫通后1號樁基頂部產生傾向于隧道的最大水平變形，工況一：左洞貫通后為6.01 mm，兩洞貫通后為5.52 mm（圖5）；工況二：左洞貫通后為2.50 mm，兩洞貫通后為2.16 mm。

圖5　工況一兩洞貫通后樁基水平變形云圖Fig.5　Horizontal deformation of Piles after two tunnels are cut through in Working Condition 1

從樁基豎向變形云圖可以看出，隧道開挖后在6號樁基頂部產生了最大沉降變形，工況一：左洞貫通后為2.13 mm，兩洞貫通后為2.16 mm；工況二：左洞貫通后為1.41 mm，兩洞貫通后為1.38 mm。

對比分析：工況二下6號樁基最大沉降變形較工況一減小了0.75 mm，減小34.7%，最大水平變形較工況一減小3.51 mm，即58.4%，可以看出通過在盾構掘進過程中對樁基進行有效的旋噴隔離墻保護可以較好地控制樁基變形，提高樁基在盾構掘進過程中的穩定性。

圖6、圖7為兩種工況下6號樁基樁頂水平（豎向）變形與開挖步關系曲線圖。當掘進至第6步時，左洞開挖面通過6號樁基所在橫斷面，當掘進至第24步時，右洞開挖面通過6號樁基所在橫斷面。

圖6　6號樁基樁頂水平變形與開挖步關系曲線Fig.6　Relationship of No.6 pile top horizontal deformation and excavation

圖7　6號樁基樁頂沉降與開挖步關系曲線Fig.7　Relationship of No.6 pile top settlement and excavation

從樁頂水平變形與開挖步關系曲線可以看出，在左洞掘進過程中，伴隨著盾構機掘進，6號樁基樁頂水平變形逐步增大，工況一最大水平變形6.01 mm，工況二最大水平變形2.50 mm。盾構機掘進至第5步時樁頂水平變形達到3.1 mm，掘進至第6步時樁頂水平變形有一定程度減小達到1.5 mm，掘進至第10步水平變形達到最大值后趨于穩定，在右洞掘進時，樁基水平變形逐漸減小，掘進至第28步（即右洞掘進至第10步）時樁基水平變形趨于穩定，工況一水平變形5.52 mm，工況二水平變形2.16 mm。

通過上述分析認為，左洞開挖面到達6號樁基所在斷面之前，由于左洞地層損失導致一定程度的樁基變形，當開挖面接近樁基所在斷面，盾構機頂推力作用下，樁基變形產生一定程度恢復，開挖面通過后，由于盾構機超挖等過程，左洞地層損失進一步增大，故樁基樁頂變形隨之增大。右側隧道盾構掘進時，樁基右側隧道地層損失，故樁基產生傾向于右側隧道變形，水平變形在一定程度上減小。

從樁基樁頂沉降與開挖步關系曲線可以看出，伴隨著左線盾構掘進樁頂豎向沉降逐漸增大，到第10步時趨于穩定，工況一樁頂沉降2.13 mm，工況二樁頂沉降1.41 mm，右線盾構掘進時，樁頂沉降有較小程度增長，后趨于穩定，工況一樁頂沉降2.16 mm，工況二樁頂沉降1.38 mm。

4.2樁基應力變化分析

根據初始應力狀態與工況一、工況二下樁基最大主應力云圖，可以看出，初始應力狀態樁基最大主應力為-327.6 kPa，左洞貫通后工況一樁基最大主應力-326.6 kPa，工況二樁基最大主應力-326.8 kPa，兩洞貫通后工況一樁基最大主應力-316.8 kPa，工況二樁基最大主應力-317.07 kPa（圖8）。

圖8　工況二兩洞貫通后樁基大主應力Fig.8　Major principal stress of piles after two tunnels are cur through in Working Condition 2

對比分析：相對于初始應力狀態下樁基最大主應力，左洞貫通后，工況一樁基最大主應力變化1 kPa，即0.31%，工況二樁基最大主應力變化0.8 kPa，即0.24%；兩洞貫通后，工況一樁基最大主應力變化10.8 kPa，即3.3%，工況二樁基最大主應力變化10.43 kPa，即3.18%。可以看出，盾構機掘進過程中對樁基應力狀態影響程度相對較小，左右洞貫通后最大主應力變化為3.3%，在盾構掘進過程中對樁基進行旋噴隔離墻保護，則可將樁基最大主應力變化幅度降至3.18%。

5　結語

本文結合佛莞城際長隆隧道側穿東新高速橋梁樁基工程，采用數值計算方法分析了盾構推進及相應加固措施對橋梁樁基的影響，得出主要結論如下：

1）盾構機到達樁基所在斷面之前，由于隧道開挖引起地層損失導致一定程度的樁基變形，當掘進面接近樁基所在斷面，盾構機頂推力作用下，樁基變形產生一定程度恢復，掘進面通過后，樁基樁頂變形逐漸增大并最終趨于穩定。

2）盾構隧道掘進過程中對橋梁樁基采取旋噴隔離墻保護可以有效減小盾構隧道掘進對橋梁工程的影響。

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Influence of construction of side-crossing shield tunnel on adjacent bridge pile foundation

CHEN Tao1,2,Lü Yong-gang3
（1.Ningbo High Grade Highway Construction Management,Ningbo,Zhejiang 315192,China;2.Ningbo University,Ningbo, Zhejiang 315211,China;3.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100088,China）

Based on the Changlong shield tunnel which is a part of Fo-Guan railway project,the numerical simulation method is used to investigate the influence of side-crossing on the adjacent highway bridge pile foundation at a close range.The research results show that it is an effective method to use jet grouting shelter piles to protect the pile foundation of the highway bridge and greatly reduce the influence of shield tunneling on the pile foundation.

shield tunneling;side-crossing;pile foundation for bridge;jet grouting shelter pile

U655.54；U455.43

A

2095-7874（2016）08-0020-05

10.7640/zggwjs201608005

2016-04-26

陳濤（1977—），男，河北滄州市人，高級工程師，隧道及地下建筑工程專業。E-mail：9350750@qq.com