盾構隧道穿越橋樁加固方案影響性對比分析

鄧敦毅 侯建林 李 鵬 李書成 陳道政

(1.中鐵北京工程局集團城市軌道交通工程有限公司，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

1 概述

伴隨著國內軌道交通的快速發展，在城市軌道交通的修建過程中側穿既有建筑物或者構筑物的情況頻繁發生，給盾構隧道和樁基都帶來了安全方面的影響。為了解決這些問題，國內外的很多學者都對盾構隧道側穿既有結構物的影響性進行了研究，也得出了很多成果。然而對于盾構隧道側穿橋樁在施工過程中的加固研究較少。國內學者胡盛斌[1]運用三維數值模擬的方法對盾構隧道中穿橋梁樁基施工過程中樁周圍土體的加固效果進行分析。李志宏[2]提出了盾構隧道下穿框剪結構大樓施工過程中樁基的三種加固方案并對其進行了對比分析。本文以本工程盾構隧道側穿橋梁樁基為例。運用三維數值模擬的方法對比研究不同加固方案對隧道和橋梁的影響，為加固方案的選擇提供參考。

2 工程概況

某工程區間隧道采用盾構法(土壓平衡盾構機)施工。區間隧道側穿輕軌高架橋橋樁。當盾構側穿輕軌高架橋時，極易擾動樁基周圍地層，造成樁基承載力下降而引起高架橋沉降超限和傾斜超限，盾構側穿輕軌高架橋橋樁風險等級為一級風險源。因此這個區間的施工是本工程的難點。本工程側穿的平面位置如圖1所示。其中，橋梁基礎為32根直徑1.2 m的鉆孔灌注樁，承臺尺寸6.5 m×3.0 m×2.0 m,樁長26.8 m,樁基礎與盾構區間水平最小凈距為0.85 m。

3 模型建立

3.1 計算模型

以本區間隧道側穿輕軌高架橋橋樁為工程依托建立盾構隧道側穿的有限元模型，在參數選取上，土體彈模取地勘資料上壓模的5倍，其余參數均取地勘資料上的實際數據。管片為梁單元材料C50，承臺為彈性實體材料C35，樁為加接觸的梁單元(接觸參數：法向剛度模量取弱土彈模的50倍，切向剛度模量取弱土彈模的0.8倍)，所用彈模取自《混凝土結構設計規范》。

3.2 地層力學和材料參數

根據勘察報告和原位測試結果的綜合分析，其勘測深度范圍內的土層主要為雜填土，粉質粘土，粉土，圓礫，泥巖和粉砂質泥巖。土體本構模型采用修正摩爾庫侖，對于加固區土體，為便于模擬和分析，我們將加固區土體設置為單一參數的土體，土體參數如表1所示。

表1 土層物理學參數表

對于管片，樁和承臺，在施工工況中，其變形仍處于彈性變形階段，因此采用彈性本構模型。其參數如表2所示。

表2 實體參數表

4 加固方案

運用MIDAS GTX NX有限元分析軟件，結合本工程的特點和實際情況，對于盾構隧道側穿橋樁制定三種加固方案，并與不加固的原土開挖進行對比，加固采用注漿加固的方式，其加固示意圖如圖2所示。

盾構隧道側穿橋梁樁基模型見圖3。

加固過程通過修改單元屬性實現，為了使模型有較高的對比性，建模時將各方案的加固區域在同一個模型中畫出，通過修改不同區域單元的屬性來實現不同的加固方案。加固方案如下：

1)注漿加固隧道兩側1.5 m土體。

2)注漿加固橋樁兩側1.5 m土體。

3)同時加固橋樁區和隧道區土體。

4)不做任何加固措施。

5 模型結果與分析

表3 盾構隧道側穿橋梁不同加固方案最大位移 mm

表3是對模型進行分析計算得到的盾構隧道側穿橋梁不同加固方案下的最大位移。由表3數據可知，方案三和方案四的加固措施實施后，其結果與不加固相比在沉降上減幅較小，而在橫向位移上不僅沒有減少，反而增大。可見對于方案三和方案四的加固措施對于本側穿輕軌橋梁樁基工程來說并不合適。而對于方案二加固隧道來說，通過注漿對隧道周圍土體在施工之前進行加固，使其具有一定的承載性能，增強了土體的穩定性和強度，使隧道拱頂土體向隧道凈空方向的變形大大減少，從而有效的限制了地表和拱頂的沉降。采取加固措施后無論是水平位移還是沉降都發生了大幅度的減少。其加固效果是顯而易見的。

6 側穿橋梁盾構隧道開挖對橋梁樁基影響性分析

在隧道施工過程中，將會對隧道周圍一定區域范圍內的土體產生擾動，破壞土體之前所固有的平衡狀態，產生應力重分布。而當橋梁樁基在這區域范圍內的話，這種破壞產生的變化就會使地基承載力發生變化，而當這種變化不斷往上部傳遞，從基礎到橋梁的上部結構，就會導致橋梁出現安全隱患。

在隧道開挖過程中，盾構隧道在荷載的作用下，隧道的頂端和底端會出現向隧道內側的變形，同時由于注漿產生的壓力，隧道左側和右側的土體會產生背離隧道的位移，而隧道—土體—樁基作為相互作用的一種特殊體系，這種背離隧道的位移體現在樁基上表現出一種背離隧道方向的壓力，相當于樁基受到一定程度的擠壓，繼而使樁基下部產生與隧道左側土體相同方向的位移，而樁基上部結構產生向隧道方向的位移。

另一方面，在施工過程中，樁基周圍土體受到隧道開挖的影響會產生沉降，然而根據研究和實踐經驗發現，樁基周圍土體的沉降比樁基本身的沉降在數值上要大。因此相對于橋梁樁基來說，土體是往下移動的，這種相對的位移可以看成土體對樁基有一個豎直方向向下的力，這個力稱為負摩擦阻力，正是這種負摩擦阻力使得樁基在隧道側穿橋梁施工過程中產生了承載力的減少，也是產生安全隱患的一個根源。

分析表4中數據可以看出，三種加固方案開挖后樁基最大拉應力和最大壓應力都較不加固開挖有所減少，其中對于方案二對隧道周圍土體進行加固后樁基最大拉應力為0.9 MPa,最大壓應力1.6 MPa,相對于不加固的最大拉應力2.3 MPa和最大壓應力3.1 MPa分別減少了1.4 MPa和1.5 MPa。由此可以看出，三種不同的加固方案在不同程度上都可以有效的減緩盾構隧道施工對橋梁樁基的影響。然而方案二在加固后對這種影響的減小相比其他方案更為有效。再次說明方案二對于本工程是一個較為合理的選擇。

表4 側穿橋樁不同加固方案橋樁最大應力 MPa

7 結語

本文采用數值模擬分析的方式，比較了盾構隧道側穿高架橋梁樁基不同加固方案的效果，得出如下結論：

1)對于盾構隧道側穿橋梁樁基的情況，通過對不同加固方案的對比研究，僅加固隧道周圍土體對于限制拱頂和地表沉降以及橋樁應力的效果相比于對其他區域土體進行加固更為理想。因此做為本工程加固的最終方案。

2)盾構隧道側穿橋梁的施工過程中，一方面隧道的變形通過土體傳遞到樁基區域，使樁基產生一定程度的位移。另一方面，由于隧道開挖會使樁身產生負摩擦阻力，這種阻力會大大降低樁基的承載力。通過對隧道與橋樁進行加固，可以在一定程度上減少隧道開挖對橋樁的影響。而經過對比得知對隧道的加固對于降低開挖對橋樁的影響具有更好的效果。因此在施工前應當及時采取加固措施，以減小由于開挖帶來的安全隱患。