軟土地區地鐵盾構區間的橋梁穩定性研究

周國強，楊高偉，奚靈智，2

（1.杭州未來科技城建設有限公司，浙江 杭州 311121；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

近年來，隨著城市化進程的加快，城市立體化建設與城市軌道交通的建設也如火如荼地發展著。目前，盾構隧道施工是建設地鐵軌道交通的主要方法，盾構法施工有著快速高效、安全可靠、適應性較強以及對周邊環境影響較小的特點。在我國的城市化發展進程中，發展最快速的當屬沿海城市集群，而沿海城市大多屬于軟土分布區，軟土地基的工程條件使這些城市開發地下空間的施工變得更加復雜。在地鐵等軌道交通路線必須經過大型結構物的條件下，必須考慮近接施工以及軌道運行對已有結構物的影響，同時還要注意盾構施工在軟土區域下受地表沉降及樁基工作性狀的影響以及地鐵運行時產生的振動對土體的影響。

國內外相關科研工作者針對盾構法施工過程中盾構機對樁基的影響做了大量的研究。Poulos H G等[1]發現采用盾構法施工時，盾構機在推進過程中會對周圍樁基產生一定的軸力和彎矩，且建筑體的樁基受到隧道埋深、樁體到隧道的距離和樁長的影響。Pang C H等[2]和Selemetas D等[3]為了研究盾構施工對樁基及周圍土體的影響，通過對現場監測數據的整理分析獲取了近接施工對樁基的穩定性影響規律。韓進寶等[4]通過對比數值解析和現場監測的實際數據提出了可以用于模擬隧道開挖對周圍樁基影響的模型。國內一批工程師對軟土地區的地鐵盾構下穿橋梁結構體的工程進行了案例描述，在盾構施工下穿橋梁的情形中主要研究靠近結構體附近的近接施工情況，并結合軟土區域的工程地質特點和盾構近接施工的技巧，通過案例經驗匯總，為軟土區橋梁結構體附近的下穿盾構施工提供了指導[5-12]。

文章主要研究軟土區域的盾構施工以及地鐵建設運營對橋梁及周圍土體的影響，以詳細案例為基礎進行總結。

1 盾構施工對橋梁樁基影響的工程研究

國外的城市化進程較早，對城市地下工程的開發和近接施工產生的問題也給出了較為詳盡的施工對策和規范性指導，例如日本的鐵道技術研究所在1996年就針對盾構近接施工的問題提出了工程規范說明[13]。伴隨著城市大基建的發展，我國的地下工程中也涌現了有代表性的地鐵盾構近接施工的案例，如上海明珠線下穿南浦大橋工程、廣州地鐵2號線內的越秀公園站、深圳地鐵羅湖至大劇院區的地鐵線與民房樁基存在特殊情況，還有成都地鐵1號線近川機場高速立交橋樁基工程等都是典型的近接施工的案例。文章主要以具體工程為例展開討論，分析總結地鐵盾構區間的施工對近橋梁的影響，并對工程中應用的施工技術、提出的加固措施、開展的變形監測特征進行分類分析，為軟土地區地鐵盾構施工提供參考。

王曉慶[14]發現在盾構穿過既有橋梁時，盾構機的推進速度和刀盤轉速對樁基結構和周圍土體荷載分布起到重要作用，這主要是因為盾刀運行產生動荷載進而影響周圍土體；并強調了盾構機推進與注漿加固應當做好協調以減少土體損失。郭靚[15]對下穿津秦客專無砟軌道高架橋段的天津濱海B1線盾構施工過程進行了分析。該施工區域屬于淤泥質軟塑地層，土體自身強度較低、孔隙以及含水量高，這種地層分布的區域對隧道的下穿工程挑戰巨大，在這種不良工程條件下施工要注意結構體周圍形變量，避免盾構施工引起高架橋梁的較大沉降。王哲等[16]采用同心圓三段高差立體刀盾構穿越鳳起橋橋樁獲得了較好的切削樁基效果，利用這種特制刀盾切削鋼筋效果較好且只有極少部分鋼筋纏繞在刀具上。此項技術成功應用于杭州地鐵2號線鳳起橋磨樁工程，可為今后類似磨樁工程提供借鑒。

張凱偉[17]在對杭州地鐵2號線鳳起路段監測數據進行匯總分析時發現，監測點的位移變化主要是在盾構穿越階段及盾構離開階段，而且盾構隧道穿越橋梁樁基時橋梁結構各項監測點沉降值均較大，這主要由注漿量和盾構速度的不協調產生土體的損失所致。李進軍等[18]針對典型的軟土區域施工的上海虹橋站兩條穿越西航站樓樁基的地鐵盾構隧道工程進行研究，通過位移控制法和簡化分析法對單隧道工況和多隧道工況下的盾構機掘進過程對PHC樁基的影響進行分析，并且通過監測盾構機在推進過程中對西航站樓的影響，利用監測技術和數值模擬相結合的方式更加準確地評價地鐵施工對橋梁樁基及周圍土體的影響并做出指導。李圍等[19]對淤泥質分布廣泛的南京地鐵1號線盾構工程進行研究。該施工段在土層各向異性明顯且沿線有較淺的弱承壓水分布的條件下，通過三維數值模擬和室內三維相似模型試驗與現場監測相結合，同時進行盾構機盾尾脫環與注漿。此外，通過提高注漿的凝固速度來減少地面沉降。

綜上所述，發現盾構的近接施工（甚至切削樁基）對橋梁樁基產生擾動主要是由盾構開挖導致的土體缺失所致，還有盾構機運行所產生的動荷載對結構體和其周圍土體產生影響。這種開挖產生的兩種改變結構體周圍荷載的情形在軟土分布區更加明顯。對于上述問題的解決方法包括協調盾構掘進速度和注漿支護時間，同時要注意盾構機刀具的設計，并且要結合監測數據和數值分析軟件實現對危險區域的判斷和二次支護措施的判定。

2 盾構施工對橋梁樁基影響的數值研究

利用力學原理和相關的邊界條件，將現場數據與模型相結合更好地獲取盾構在施工過程中對周邊建筑物的擾動，同時借助數值模擬等手段實現對工程的指導作用。袁海平等[20]通過橋梁結構的耦合彈簧力學機理與有限差分方法相結合的方法，研究了在盾構機工作時橋樁、橋基的水平位移，內部受力特征以及不均勻沉降的規律。楊曉杰等[21]利用FLAC 3D軟件分析了廣州地鐵2號線盾構施工時樁體的承載力變化規律，同時分析了樁底軸力、樁側摩阻力以及樁端總抗力的變化規律。何海健等[22]通過數值模擬建立有限元模型，研究了地鐵盾構隧道在施工過程中的主要因素對周邊樁基的影響。畢景佩等[23]對軟土區域地鐵側穿橋樁基對高鐵橋樁的影響進行研究，施工區域是京滬高鐵南倉特大橋段區，利用邁達斯巖土和隧道分析系統有限元軟件對大斷面盾構區間下穿施工進行有限元分析，得到盾構區間大斷面下部穿越京滬高鐵南倉特大橋時橋面、橋墩、承臺及橋樁位移變化的規律特征。方勇等[24]借助數值分析建立模型，模擬了樁基地層在注漿后的應力狀態，得到了盾構施工過程中樁基礎本身和土層之間的應力-應變曲線。李早等[25]基于Winkler地基模型，提出了考慮被動群樁樁內的相互作用，在整體考慮下計算隧道開挖對群樁的影響并得到被動群樁遮攔位移以及與有限元法和邊界元法計相近的預測值。徐長節等[26]對杭州地鐵1號線下穿涌金立交橋進行研究，發現施工段地層中的淤泥質和粉質黏土處于流塑態，如果采用以往的盾構法施工極易引起施工區域的較大變形。徐長節利用有限差分軟件建立FLAC 3D地層結構模型對橋梁結構的變形和內力變化進行了分析，確定了盾構施工對橋梁的影響范圍，并為盾構區間內的支撐加固提供了可靠建議。

國內一批工程師針對軟土地區的地鐵盾構下穿橋梁結構體的工程案例，都不約而同地選擇監測與數值模擬相結合的方法，利用三維軟件模擬盾構施工以及地鐵運營對周圍結構體的影響。力學模型和耦合邊界條件以及三維軟件的選擇都各不相同，但總的來看，由于問題的復雜性，這些有限的研究對于完全理解隧道開挖與鄰近樁基礎以及對周圍環境的相互作用還遠遠不夠，應做好施工與監測的同步，并將相似模型試驗、現場監測數據與數值分析等相結合，從而更好地指導工程實踐。

3 地鐵運營階段誘發振動的影響

關于地鐵運營階段誘發振動對橋梁結構體穩定性的影響，同樣基于具體工程案例展開研究討論。地鐵軌道在運行過程中會產生動荷載，這種動荷載會對周邊建筑物的穩定性產生影響。當前對地鐵運營對周圍結構體的擾動問題的研究主要是利用現場監測的實際數據與數值模擬相結合的方法，驗證力的耦合場模型的準確性。現場測試工作主要是對既有軌道隧道壁及周邊建筑物進行實時監測來研究軌道運營引起周邊環境振動的衰減曲線、影響范圍及分布規律，通過統計分析獲取公式模型，再利用得出的模型對運營期間軌道交通線路對周邊建筑物的振動進行評估。眾多專家學者對這種模型的建立測試和研究分析做了大量的嘗試研究。金學健等[27]對近距離隧道軌道列車同時運行對環境產生的影響進行研究，建立了近距離平行隧道-地基平面有限元模型，用于預測不同列車荷載組合。張開偉等[28]以北京某地鐵線路周邊建筑為研究對象對盾構施工周圍建筑進行監測，并梳理了大量的監測數據，結合類比測試和數值仿真的方法發現地鐵運行振動會引起建筑物樓板的振動，同時隨著樓層的增高建筑物的平均振動加速度有效值也隨之增大。通過試驗研究，在建筑物基礎鋪設減振墊及縱向軌枕減振道床軌道實際減震效果較好。宮全美等[29]基于輪軌耦合計算模型模擬換算地鐵運行時產生的輪軌力，并結合有限元軟件發現列車振動會引起軌道的拱底軌枕正下方地層集中受力；地鐵運行過程中動剪應力與列車通過次數正相關。高廣運等[30]通過建立有限元模型，根據分層總和法與固結沉降理論預估上海地鐵1號線人民廣場施工區段隧道的沉降，由分析結果可知預估結果與實際結果相近，同時總結了隧道的地基沉降和車速關系。韋凱等[31]基于軟土工況下的地鐵運輸行為，發現了軟土的動剛度特征對于地鐵盾構隧道產生的振動影響，并且建立了在軟土地區地鐵盾構隧道的振動模型。張鶴年等[32]基于三維振動仿真模擬研究了地鐵隧道埋深、土層特性和列車行駛速度3個因素對隧道樁基的影響規律，并結合現場數據進行對比。

這種以監測與模型相結合的模式研究地鐵對周圍建筑結構的影響較為準確，模型數據和實測數據結合可以更好地驗證理論模型的可靠性，同時證明地鐵運行相對于施工過程對周圍建筑的影響較小。

4 結論

地鐵盾構施工應當在施工前注意近接施工（甚至切削樁基）對橋梁結構體與周圍土體的影響，在施工過程中應當注意盾構機產生的動荷載與土體損失對橋梁樁基的影響，同時做好盾刀選型和掘進速度與注漿支護及具體工程地質條件的協調。另外，在工程條件較為復雜的軟土區域進行施工時，要做好監測和數值模擬的數據結合，為盾構下穿橋梁做好區域支護和預防措施。