小半徑近距離盾構隧道側穿高架樁基影響研究

王春凱

（上海市城市建設設計研究總院,上海市200125）

小半徑近距離盾構隧道側穿高架樁基影響研究

王春凱

（上海市城市建設設計研究總院,上海市200125）

以上海市軌道交通某盾構區間隧道側穿內環高架橋樁基為背景，通過有限元數值模擬，分析盾構隧道穿越施工引起的樁基豎向位移、水平位移及傾斜率。研究表明：使用有限元軟件模擬盾構穿越施工，可以較好地得到盾構隧道穿越引起的鄰近橋樁變形量，以及樁基變形變化趨勢；計算結果結合現場實測數據對比表明，在采取可靠措施的前提下，盾構隧道施工引起的鄰近樁基豎向變形、傾斜，在樁基變形允許范圍內，滿足高架橋正常運營要求；小半徑盾構隧道施工，需嚴格控制地層損失率，避免糾偏量過大、過猛。

盾構隧道；高架橋樁；有限元計算；樁基沉降

0 引言

盾構法施工是我國各大城市軌道交通區間隧道常用的工法，隨著城市軌道交通的大力發展，中心城區盾構隧道施工越來越普遍，隨之而來的是沿線障礙物對盾構隧道實施的限制，以及盾構隧道施工對周邊地下建（構）筑物的保護。其中較為典型的一種情況是盾構隧道穿越高架橋樁，因高架橋樁對豎向及側向變形要求較高，因此對盾構隧道鄰近穿越提出了較高的變形控制要求。

隨著盾構隧道鄰近穿越高架橋樁基的情況增多，更多的從業者針對盾構隧道施工引起的樁基變形、樁基力學性能改變等進行了深入的研究。M o r to n等通過市內試驗研究了隧道施工對樁基承載力和沉降的影響。研究結果表明隧道施工會對樁基產生嚴重的影響，隧道施工對軟弱土層中的近鄰樁基和位于其上的樁基的影響是要考慮的重要因素[1]。楊永平、朱逢斌、凌燕婷、侯玉偉等人針對盾構隧道近距離穿越樁基，采用莫爾-庫侖彈塑性屈服準則，建立有限元數值模型，對盾構穿越引起的樁基變形和內力進行分析[2-5]。吳劭旸通過三維有限元計算，分析大直徑泥水盾構近距離側穿樁基引起的樁基變形及地面沉降，并將數值計算結果與施工實測數據進行比對，研究盾構穿越引起的變形規律[6]。周冠南等通過有限元數值計算，除研究盾構穿越樁基施工對樁基變形影響外，對盾構穿越施工引起樁基框架結構內力變化做了分析[7]。

本文以上海市軌道交通某盾構隧道在小半徑曲線段近距離穿越內環高架橋樁基為背景，建立有限元數值模型，分析盾構隧道施工對鄰近樁基的影響，并與實測數據進行比較，得出相應結論。為以后類似工程提供借鑒。

1 工程背景

本文以上海市軌道交通某盾構區間隧道側穿內環高架橋樁基為背景，研究盾構隧道小半徑近距離側穿對橋樁的影響。

1.1 盾構穿越情況

采用裝配式通縫拼裝襯砌管片，隧道外徑6.2m，內徑5.5 m，管片厚度350 mm，環寬1.2 m。穿越段隧道中心水平間距約20.5 m，隧頂埋深約17.8 m。穿越段盾構隧道位于小半徑圓曲線上，上行線曲線半徑為380 m，下行線曲線半徑為420 m。

盾構隧道穿越的中山南二路內環高架建于20世紀90年代，高架橋樁基為直徑1 m的鉆孔灌注樁，樁底標高-41.2 m。上行線區間隧道與樁基最小凈距為1.75 m，下行線區間隧道與樁基最小凈距為1.76 m。穿越段近似正交。

盾構隧道穿越內環高架平、剖面圖分別如圖1和圖2所示。

1.2 穿越段地層情況

區間隧道穿越高架橋樁段盾構隧道全斷面位于⑤1-1黏土層中，該層呈軟至流塑狀，有含水量高、孔隙比大、強度低、壓縮性高等特點，是上海盾構施工經常遇到的典型軟土地層。其地層特性見表1。

圖1 盾構隧道穿越內環高架橋樁基節點平面圖

圖2 盾構隧道穿越內環高架橋樁基節點剖面圖

表1 地層參數表

盾構隧道在這種典型的軟土地層中施工，易因機械擠壓、動力觸動影響土體的力學參數，對軟黏土的擾動影響非常明顯，可能造成嚴重的環境危害問題。

1.3 內環高架橋樁基允許變形要求

因被穿越的內環高架為市區重要的主干道路，盾構隧道穿越施工引起的允許變形量必須經得權屬單位認可。經與權屬單位溝通及查閱相關規范，盾構隧道施工引起內環高架橋樁基允許變形量要求如下：

（1）樁基沉降：單次量不大于2 mm，累計變形量不大于5 mm。

（2）樁基傾斜不大于1/3 500。

盾構隧道設計及施工中應嚴格按照上述允許變形要求進行考慮。

1.4 穿越施工控制措施

（1）區間穿越高架橋段設計已采用增設注漿管管片，施工中需加強監測，做到“勤量測、速反饋”，若監測表明變形量接近或達到控制標準，及時進行二次注漿，并按“多點、均勻、少量、多次”的原則有序進行，直至土體變形穩定，以此來控制高架橋樁基變形。

（2）設置試驗段，采用信息化施工，盾構推進過程中不斷調整和優化施工參數。

（3）穿越段區間位于曲線上，盾構機穿越過程中在不斷調整盾構姿態，對控制變形不利，更需嚴格控制地層損失率，盡量減小變形。

（4）控制好盾構姿態，勻速、連續地推進，減小變速推進對周圍土體的擾動。

（5）嚴格控制管片拼裝精度，確保防水材料處于最佳工作狀態，防止管片滲漏水造成上方土體的沉降。

（6）盾構推進過程中及時填充隧道襯砌壁后空隙，控制注漿壓力和注漿量。

（7）加強對高架橋樁基的變形監測，根據現場情況建議對穿越節點做深層土體位移監測。如發生較大變形及時反饋并調整施工參數。

（8）高架橋樁基預警值為變形控制值的0.7倍。當變形量超過預警值時，及時查明原因，采取有效措施防止變形繼續發展。

2 數值模擬

2.1 模型建立

選取盾構隧道穿越橋樁斷面進行數值模擬，應用有限元軟件P l a x is建模，考慮盾構施工影響范圍，模型尺寸取100 m×50 m（X×Y）,計算范圍內的土體按照實際穿越的地層選取，采用15節點三角形單元模擬；樁基及盾構隧道均采用8節點線彈性板單元模擬；條基-土、襯砌-土之間設置接觸面單元，用二維G oo d m a n單元來模擬，以更好地模擬條基-土、襯砌-土之間的相互作用狀況；在幾何模型底部施加完全固定約束，在兩側施加豎直滑動約束，在模型上表面取為自由邊界。

樁基模擬時，將空間問題簡化為平面應變問題，根據剛度等效原則將樁基簡化為樁墻，建模時對樁身彈性模量進行折減的方法模擬樁基[8]。

盾構隧道掘進過程為先上行線開挖，后下行線開挖，盾構隧道開挖通過“殺死”單元實現。計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

2.2 參數選擇

計算模型中，土層按照工程實際地層參數選取，土體的本構模型采用摩爾-庫侖模型。橋樁、承臺采用板單元模擬，樁頂與承臺采用剛接進行計算。

土層參數見表2。

表2 土層參數

結構物參數見表3。

表3 結構物參數

2.3 模擬過程

計算模擬盾構區間隧道穿越內環高架施工引起樁基變形情況，計算過程按照實際施工過程模擬，先施工上行線區間隧道，后施工下行線區間隧道。

計算過程中不考慮地面荷載及自重情況下高架橋樁基已經產生的先期位移，只考慮區間盾構隧道施工引起的附加位移。

本次分析取地層損失率為4‰進行計算，分4個工況進行分析，具體如下：

工況1：初始地應力計算，位移清零。

工況2：高架橋樁基完成，位移清零。

工況3：盾構區間上行線隧道開挖，襯砌完成。

工況4：盾構區間下行線隧道開挖，襯砌完成。

3 數值模擬結果及分析

經計算，盾構隧道施工引起的高架橋樁基附加變形結果如下：

3.1 上行線區間隧道施工

本工況分析上行線區間隧道穿越施工后引起的變形，如圖4～圖6所示。

圖4 上行線區間隧道施工引起周邊變形

圖5 上行線區間隧道施工引起樁基水平變形

圖6 上行線區間隧道施工引起樁基豎向變形

根據計算結果，上行線施工引起高架橋樁基附加最大水平位移為1.5 mm，樁基傾斜為1/14 100，附加豎向位移為1.7 mm。

3.2 下行線區間隧道施工

本工況分析下行線區間隧道穿越施工后引起的變形，并考慮上行線施工變形的疊加，如圖7～圖9所示。

圖7 下行線區間隧道施工引起周邊變形

圖8 下行線區間隧道施工后樁基水平變形

圖9 下行線區間隧道施工引起樁基豎向變形

根據計算結果，下行線施工引起的高架橋樁基附加最大水平位移為2.0 mm，樁基傾斜度為1/10 150，附加豎向位移為2.1 mm。

根據上述結果可知，盾構隧道施工引起的高架橋樁基最大豎向位移約3.8 mm，最大水平位移約3.5 mm，樁基傾斜＜1/6 000。故盾構隧道施工產生的影響在高架橋樁變形允許范圍之內，對其影響可控，滿足中山南二路內環高架正常運營的需要。

4 穿越施工及實測數據

上行線盾構隧道先行穿越，間隔32 d后，下行線盾構隧道穿越。穿越期間盾構土壓力值控制在0.17～0.18 MPa，推力控制在18 000 k N，推進速度平均為2.5 c m/m in。穿越后及時對影響段區間隧道進行二次注漿，據施工記錄，上行線盾構穿越后30 d，共進行二次注漿78次，注漿量共計42 m3；下行線盾構穿越后30 d，共進行二次注漿80次，注漿量共計43.5 m3。

盾構隧道掘進施工過程中，通過對鄰近樁基布設變形監測點進行監測。相關測點布置如圖10所示。

圖10 監測點布置圖

選擇鄰近盾構隧道穿越的樁基沉降觀測點，共3組，分別為G4/G6/G8、G3/G5/G7、G9/G10/G11。整理上行線、下行線盾構隧道依次穿越施工后引起的樁基沉降監測數據，如圖11所示。

由圖11可見，盾構隧道刀盤掘進接近樁基時，可以看到樁基豎向變形有受擠壓上抬的趨勢，待盾尾脫出樁基范圍后，樁基豎向變形下沉，通過管片二次注漿使樁基變形趨于平穩。

上行線盾構隧道穿越，引起鄰近樁基最大沉降值約為2 mm；下行線盾構隧道穿越后，引起的總沉降約4.4 mm。樁基的變形在允許變形范圍內，且與數值模擬的結果較為接近。

5 結語

本文通過有限元數值計算，就盾構隧道穿越內環高架橋樁基施工進行模擬，分析盾構隧道穿越對橋樁的影響。結合施工實測數據，分析盾構隧道穿越效果。主要得到以下結論：

圖11 樁基沉降監測數據

（1）使用有限元軟件模擬盾構穿越施工，可以較好地得到盾構隧道穿越引起的鄰近橋樁變形量，以及樁基變形變化趨勢，以此分析盾構穿越施工對橋樁的影響。

（2）數值計算結果結合現場實測數據對比表明，在采取可靠措施前提下，盾構隧道施工引起的鄰近樁基豎向變形、傾斜，在樁基變形允許范圍內，滿足高架橋正常運營要求。

（3）小半徑盾構隧道施工，需嚴格控制地層損失率，避免糾偏量過大、過猛。

[1]M O R T O N J D，K I N G K H.E ff e c t s o f t u nn el in g o n t h e b e a r in g c apa ci t y a nd s ettle m e n t o f p i le d f o u nd a t i o ns[C]//T u nn el in g 1979. P r o c ee din g s o f t h e 2nd In te r n a t i o n a l S y m p o si u m.L o nd o n,1979：51-68.

[2]楊永平，周順華，莊麗.軟土地區地鐵盾構區間隧道近接樁基數值分析[J].地下空間與工程學報,2006,2(4):561-565.

[3]朱逢斌，楊平，O N G C W.盾構隧道開挖對鄰近樁基影響數值分析[J].巖土工程學報,2008,30(2):298-302.

[4]凌燕婷.盾構隧道施工對臨近樁基影響數值分析[J].廣東公路交通,2009(3):69-71.

[5]侯玉偉.盾構隧道側向穿越樁基時對樁體土體及地面變形的影響[J].城市軌道交通研究,2010,13(5):71-74.

[6]吳劭旸.大直徑盾構穿越樁基時對樁體及地面變形的影響[J].中國高新技術企業,2011(31):91-93.

[7]周冠南，周順華.盾構隧道施工對短樁基-框架結構的影響[J].中國鐵道科學,2009,30(4):51-57.

[8]孟宇，毛毳，吳素瓊，陳悅，李娜.鋼筋混凝土靜力等效簡化模型的數值模擬[J].天津城市建設學院學報,2011,17(1):21-24.

U455

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1009-7716（2017）06-0282-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.083

2017-03-06

王春凱（1985-），男，上海人，工程師，從事地下結構設計工作。