天津地鐵6 號線盾構區間下穿城市高架橋梁影響分析

高俊升

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津300000）

1 引言

隨著近年來社會經濟增長，城市交通基礎設施持續建設，地下地上空間不斷開發，如修建城市地鐵隧道、城市高架橋梁等。大部分立交橋以及高架橋都采用樁基礎。隧道在施工過程中難免會穿越這些基礎，如北京地鐵10 號線區間下穿國貿立交橋樁基，最小凈距僅2.41m 等[1~3]。在盾構掘進穿越樁基的過程中，會擾動周圍土體，這些擾動產生的地層應力及變形傳遞到樁基周圍，會引起樁基承載力的損失，從而導致上部結構發生一定的不均勻沉降。另外，橋梁上部結構的自重與荷載，會增加樁基變位，影響上部橋梁結構的安全使用，甚至可造成橋梁失穩。因此，對地鐵盾構隧道下穿城市高架橋梁影響進行研究對實際工程具有一定的指導意義。

2 工程案例

2.1 工程概況

天津地鐵6 號線一中心醫院站—紅旗南路站區間下穿天津王頂堤交橋樁基。如圖1 所示，隧道中心平均埋深25m，線間距約17.5m，隧道結構外徑6.2m，內徑5.5m，管片厚度0.35m，環寬1.5m。

圖1 區間平面示意圖

王頂堤立交橋為城市快速主干道。上部構造為混凝土連續梁，下部構造為承臺+樁基礎，承臺平面尺寸4m×3.4m，承臺高1.5m。每個承臺下設6 根直徑400mm 的鉆孔灌注樁，樁長20.5m。樁基距盾構管片外皮最小凈距2.29m。盾構隧道與高架橋梁位置關系如圖2 和圖3 所示。

圖2 隧道與橋梁樁基平面位置關系 圖3 橋梁樁基圖

2.2 地質概況

盾構隧道主要穿越⑦粉質黏土、⑧-1 粉質黏土等土層，根據天津市地鐵6 號線一期工程詳細地質勘察報告，如表1 所示。

表1 各土層物理學參數表

3 控制標準

3.1 承臺沉降標準值

承臺沉降控制指標，主要依據GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》及天津市城市軌道交通地下工程監測標準圖中要求進行控制。通過類比相似工程，并結合本工程實際情況，選取20mm 作為承臺沉降允許值[4]。選取允許值的80%作為承臺沉降警值，30%作為承臺沉降預警值（見表2）。

3.2 樁基水平位移警戒值

樁基水平位移控制指標，JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》中規定，取樁基地面處水平位移允許值為10mm，水平位移敏感處為6mm。依據本工程特點，樁基水平位移允許值為6mm[5]。選取允許的80%作為樁基水平位移控制的警戒值，30%作為樁基水平位移控制的預警值（見表3）。

表2 承臺沉降控制值

表3 樁基水平位移控制值

4 模型建立及參數選取

4.1 建立模型

采用三維有限元軟件Midas/GTS 建立模型，X軸方向為橋梁方向，Y方向為水質橋梁方向，Z方向為豎向。模型選取范圍為：X方向120m，Y方向80m，Z方向50m，從而有助于消除模型邊界效應。模型共劃分單元587 260 個，節點98 645 個。隧道埋深取25m，如圖4 和圖5 所示。

基本假定：（1）各土層呈勻質水平層狀分布且同一土層為各向同性，土體采用修正摩爾-庫倫本構關系；結構體的變形在彈性范圍內；模型處于彈性半無限空間中；（2）模型頂面為自由面，無約束；模型底面每個方向均約束；模型4 個側面均只約束法向，其余方向自由無約束。

圖4 整體模型圖

圖5 隧道、橋樁、承臺空間關系圖

4.2 參數選取

注漿加固過程采用屬性替換實現，盾構管片、橋梁樁基采用板單元模擬，周圍土體選用實體單元模擬。材料參數如表4 所示。

表4 結構單元及實體單元參數表

5 注漿加固影響分析

5.1 加固方案

為保證工程順利實施，盾構安全穿越高架橋樁基，本工程采用局部注漿加固方式。加固范圍為：隧道穿越的樁基附近平面30m 范圍內，隧道中線外輪廓3m 范圍內進行加固。

模擬過程：將盾構機掘進后的一環土體單元去除，激活管片混凝土材料。注漿加固通過設置外片外皮3m 厚的加固層代替土體單元，如圖6 所示。

圖6 加固模型

5.2 地表沉降分析

盾構掘進過程中，會引起周圍地層的缺失，這種缺失延伸至地表，就會引起地表土層的沉降。通過對比未加固與加固情況下地表沉降數值，討論注漿加固措施對控制地表沉降的效果。

如圖7 所示，在未采取注漿加固措施情況下，地表沉降值最大處為1#樁基位置，即橫坐標位置為0 處，且類似于對稱分布，最大沉降值為-23.63mm，產生沉降影響范圍約30m；采取注漿加固措施后，地面沉降值有明顯減小，最大沉降值約11.13m，降低了約47%。

圖7 地表沉降值對比

5.3 承臺沉降分析

樁基沉降的原因主要有：樁周土體下沉時產生的負摩阻力會導致樁基下沉；盾構隧道穿越樁基時對樁基底部土體擾動引起樁基下沉；土體的側向位導致起樁基側向變形，引起樁基沉降，最終引起承臺沉降，以上幾方面原因最終會引起承臺產生沉降。

根據以上分析，在有限元模型中，選取承臺頂部中心點作為沉降基點，得出隧道掘進過程中承臺沉降變化曲線，如圖8 和圖9 所示。

圖8 加固前承臺沉降值

圖9 加固后承臺沉降值

對于樁基上部承臺，在盾構初始時，是隨地面沉降而均勻沉降的，承臺的變形較小，承臺上部的結構基本不會產生破壞。但是隨著盾構的不斷掘進，已經沉降的土體趨于穩定，此時的沉降主要為差異沉降，這種差異沉降可造成上部結構產生受拉或者受壓破壞。而模擬的局部注漿加固措施，則可以減小這種差異沉降[6]。

從圖9 和圖10 可以看出，承臺沉降與地面沉降趨勢基本一致，但承臺沉降值總體上小于地面沉降。在未進行注漿加固情況下，1 號承臺處最大，往兩側逐漸減小，最大沉降量約為18.2mm；采取加固措施后，承臺沉降明顯減小，最大沉降值約為12.7mm，減小了約30%。

5.4 樁基水平位移分析

隧道掘進過程中，由于地層應力狀態的不斷改變，將引起樁基水平方向產生水平位移，而隨著掘進的不斷進行，這種位移也隨之不斷變化。如圖10 和圖11 所示。

由圖中可以看出，樁基位移最大位置位于隧道加固范圍上方，2、3 號樁基最大水平位移為4.2mm，加固后最大水平位移減小至2.5mm，減少約40%。

6 監測數值

目前，該天津地鐵6 號線已通車正式運營，根據施工期間監測數據，盾構穿越橋樁處最大地面沉降約27mm，承臺沉降最大約10mm，與數值模擬計算結果相似。采用注漿加固較好地控制了盾構穿越對周圍土體的擾動，確保盾構安全穿越。

圖10 2 號樁基水平位移

圖11 3 號樁基水平位移

7 結論

采用三維有限元分析軟件MIDAS/GTS，建立計算模型，分析了盾構下穿高架橋梁變化規律。重點分析了盾構下穿過程中地面及樁基承臺沉降，樁基水平位移，并結合現場施工檢測數據，得出以下結論及建議：

1）地表沉降值最大處為1#樁基位置，即2 條隧道連線中間位置，且類似于對稱分布，承臺沉降趨勢類似于地面沉降。

2）盾構穿越過程中，采用局部注漿加固方案，可有效地樁身的變形，能把變形控制在允許范圍之內，數值模擬與現場檢測的結果相似，小于允許值，可以保證盾構施工安全。

3）盾構穿越過程中，建議采用先注漿加固，后開挖的方式加固周圍地層。

4）在編制盾構下穿橋梁工程的施工組織時，應編制詳細的施工預案，必要時可考慮采取橋梁臨時豎向支頂措施。