地鐵隧道施工對附近橋梁樁基的影響及控制措施研究

摘要：地鐵隧道施工過程中會對附近的橋梁樁基造成擾動等影響，對橋梁結構的穩定性帶來一定沖擊。文章介紹了橋梁樁基的作用機理，分析了橋梁樁基各部分載荷受力情況，并對引起橋梁樁基形變的主要因素以及橋梁樁基形變的主要模式進行了研究，提出了控制橋梁樁基形變的具體措施。

關鍵詞：地鐵隧道;施工;橋梁;樁基形變;研究

0 引言

隨著我國城鎮化進程的不斷加快，城市土地面積使用率在逐漸縮小，如何充分利用城市中的每一寸土地已成為當前社會各界所關注的主要問題。地鐵隧道工程的建設和投入使用，使得城市可利用的土地空間變大，也為人們日常的出行提供了諸多便利，其優勢不言而喻。地鐵隧道工程已成為目前國內各大型城市的必備市政工程，在提高城市的社會生產力和競爭力方面具有一定作用。地鐵隧道工程的施工技術復雜，需要綜合協調各施工環節，并考慮可能對周邊建筑帶來的破壞和影響。以地鐵隧道工程附近的橋梁為例，橋梁樁基可能受到地鐵施工的影響，情況嚴重時會波及到橋梁整體結構的穩定性，影響車輛及行人的安全。為此，研究地鐵隧道施工過程中對附近橋梁樁基的影響十分必要[1]。

1 橋梁樁基作用機理

樁基屬于當前建筑領域較為常用的一種基礎模式，其應用范圍比較廣泛。樁基可穿過軟弱地質結構最終達到持力層，建筑上部的載荷也傳到持力層中。地鐵隧道工程的施工將對橋梁樁基周邊的土體造成擾動，進而使土層在橫向及縱向上發生位移改變，使得橋梁樁基的載荷能力降低，引起橋梁結構的形變破壞。樁基端部土質總抗力以及樁基側方土質總阻力共同承載樁基頂部的縱向載荷，可通過以下公式表示：

根據橋梁樁基的受力特征將受力劃分為兩方面：（1）依靠樁基端部阻力進行載荷;（2）通過樁基側方阻力來承擔。以上兩方面組成了樁基受力的全部，且樁基側方阻力相對于下部作用更早，二者具有不同的力學傳輸特性，樁基側方阻力以剪力形式逐漸擴散到周邊土體中，而樁基端部阻力則由樁體直接作用[2-3]。

2 地鐵隧道施工對附近橋梁樁基的影響

2.1 橋梁樁基形變的主要因素

（1）樁基周邊土質特性

橋梁樁基形變的一個主要原因是樁基周邊的土質特性。由于在地鐵隧道施工過程中對各種深度的地層具有擾動作用，使得樁體周邊各種深度土層結構發生改變，影響樁基端部以及側方的阻力。地鐵隧道施工過程中對地層的擾動作用分區如圖1所示。在一些富水以及軟土等特殊地質結構中，在允許的地表沉降范圍之內，樁基側方阻力通常較正常情況小，這種現象多由地鐵隧道開挖而引起地層沉降范圍超過橋梁樁基沉降范圍所致[4]。

（2）施工工藝

地鐵隧道的施工工藝對附近橋梁樁基的形變具有重要影響。地鐵隧道施工工藝的不同對周邊地層的擾動程度和影響范圍也不同。如果地鐵隧道施工過程中影響地表的沉降范圍很大，則附近的橋梁樁基受到的擾動也會很大。為有效防止地鐵施工對附近橋梁樁基擾動而引發的形變，要選用合適的施工工藝，盡可能選用對周邊土質及地層擾動較小的施工工藝[5]。

（3）地下水因素

地下水因素對于樁基周邊土質結構變化的影響不能忽略。地下水主要是對土質具有一定的軟化作用，進而引起土層結構力學特性的改變，使得樁基端部以及側方的抗壓強度減弱。在降水情況下對地鐵隧道進行施工，會引發樁基周邊土質的固結沉降，使得樁基周邊土地應力隨之增加，當固結沉降范圍大于樁基固有的沉降范圍時，會使樁基發生負摩阻力效應[6]。

橋梁樁基形變的主要因素如表1所示。

2.2 橋梁樁基形變的主要模式

地鐵隧道施工對附近橋梁樁基造成不同程度的影響，而橋梁樁基剛度相對于周邊土地的剛度較大，因此，可將橋梁樁基視作完全剛性體，橋梁樁基與周邊土體的位移形變可通過土體的位移形變過程來進行分析。發生位移形變的土層將重新分配應力，使橋梁樁基側方以及端部的阻力均發生變化，最終使橋梁樁基縱向載荷能力以及側方抗壓能力發生改變。由于樁體軸向剛度非常大，因此樁周土體和樁基的位移方向近乎直線，橋梁樁基發生沉降以保持這種情況下的平衡狀態。此時，地層土質對橋梁樁基的形變起到了一定的約束作用，橫向上的傳遞因此而受到橋梁樁基的阻力，二者間呈現相互制約、彼此作用的關系。地鐵隧道施工過程中地層位移變化對橋梁樁基形變的主要影響有：在橋梁樁基部分的影響趨勢逐漸減弱;地鐵隧道開挖引起的橋梁樁基應力逐漸向樁基端部傳送，對橋梁樁基的載荷能力有影響;相對于周邊土體而言，樁基可被視作剛性體結構[7-8]。

3 橋梁樁基形變的控制措施

3.1 參數優化控制措施

參數優化控制措施在橋梁樁基形變的控制中較為常用，這種參數優化控制措施貫穿于施工過程的始終。在施工開始時，依據歷史工程經驗可選用適宜的施工參數，并對參數適當優化，在實際施工中應根據具體變化情況對地鐵隧道開挖的機械設備進行參數調整，最大程度弱化對附近橋梁樁基的影響。地鐵隧道開挖面的參數控制尤為重要，地鐵隧道施工中的作業面與土體壓力值應在規定范圍之內。土體壓力超出允許的范圍將為地鐵隧道的施工帶來一定影響：土體壓力偏大會造成地表結構的凸起，而土體壓力偏小則會引起地表沉降。因此，在地鐵隧道開挖面參數控制過程中應首先核對目標土體壓力，使用特定的儀器對開挖面土體壓力進行核實[9]。

3.2 工程施工控制措施

為使地鐵隧道在施工過程中減少對附近橋梁樁基的影響，除了對施工機械設備進行參數優化之外，還應在具體的工程施工過程中采取相應的控制措施，如隔斷墻、土體穩固以及樁基托換等措施。

（1）隔斷墻

隔斷墻在保護橋梁樁基的措施中較為常見，主要是通過在隧道與橋梁樁基中間搭設隔斷墻的方式來弱化施工機械設備對附近橋梁樁基的影響，地面上和地面下均可進行隔斷墻施工，在地鐵隧道開挖時可使用高壓旋噴樁以及密排灌注樁等方式。此種措施需要一定的施工空間。

（2）土體加固

土體加固一般包括兩種方式，一種是采用化學注漿法，另一種是通過噴射進行攪拌的方法。化學注漿法主要對土體進行注漿以實現增加土體剛度的作用，進而降低地鐵隧道施工對附近橋梁樁基的影響。噴射注漿則利用改善樁體周圍土質特性的方式來提高樁周土的結構完整性。

（3）樁基托換

樁基托換即使用新樁來替換原來的舊樁以承擔上部結構的載荷，新樁將與原基礎共同組成新的結構體系，以優化原來的結構應力狀態，使沉降范圍得到進一步控制。樁基承壓及樁基轉換是樁基托換的兩種常用方法[10-11]。

工程施工部分的橋梁樁基形變控制措施如表2所示。

4 結語

地鐵隧道施工會給附近橋梁樁基結構的穩定性帶來一定影響。本文對橋梁樁基的作用機理進行了分析，對引起橋梁樁基形變的主要因素進行了總結，包括樁基周邊土質特性、施工工藝以及地下水等因素。從參數優化和工程施工兩方面討論了控制橋梁樁基形變的具體措施，工程施工部分列舉了隔斷墻、土體加固以及樁基托換等方法。在地鐵隧道施工對附近橋梁樁基的影響方面，本文進行了系統性的總結并提出了控制措施，研究內容具有一定的工程實用價值。

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作者簡介：馬佳仁（1980—），工程師，研究方向：公路與橋梁。