雙孔平行地鐵順穿橋梁對橋梁樁基礎影響研究

錢 浩，王 琦

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市300074）

0 引 言

目前，國內大中型城市多存在地鐵順穿橋梁基礎的現象，地鐵盾構施工對橋梁基礎具有較大影響，甚至會威脅橋梁基礎安全[1-4]，因此橋梁設計需要考慮規劃地鐵的實施因素。

目前，國內外基于實體項目對橋隧交叉進行了廣泛研究，如Yong-Joo Lee 等人研究了樁基地鐵變形相互作用及分析方法[4]，章維明討論了不同樁基深度對地鐵及周邊土體變形影響[5]；孔濱討論了哈爾濱遠期地鐵明挖施工對橋梁基礎的影響[6]，陳聰研究了武漢地鐵施工對周邊鐵路橋樁基橫、縱向變形的影響[7]；張月東從工藝角度提出了地鐵施工對既有橋梁變形的控制措施[8]。

目前，國內外研究主要集中在盾構施工對既有橋梁變形的影響及處理工藝上。由于工程地域及工況差異，現有分析數據對其它工程的指導具有局限性。本文以杭州市某橋梁工程為背景，提出在橋梁樁基設計時考慮遠期地鐵建設因素，通過有限元分析盾構施工前后地鐵隧道、周邊土體的變形趨勢及其對地鐵順穿的橋梁樁基礎軸力、彎矩、水平變形、沉降的影響，尋求遠期地鐵施工時橋梁基礎正常運營的最經濟設計方案。研究為該工程的合理性及經濟性提供理論依據。

1 工程概況

工程橋梁總長度84 m，總寬度33.6 m。上部結構采用（22+30+22）m V 型剛構箱梁；下部采用U 形橋臺，實體式橋墩，摩擦灌注樁。橋梁工程地點規劃下穿地鐵，隧道外徑6.2 m，厚度350 mm，軌道底距離樁頂11.5 m。基礎設計考慮遠期地鐵下穿因素，1、2 號墩采用8Φ1.8 m 鉆孔灌注樁上接34.9 m×16.5 m×3 m 承臺，上接墩柱。0、3 號橋臺采用7Φ1.5 m 鉆孔灌注樁，上接36.7 m×10 m×3 m 承臺，上接U 形橋臺。橋梁總體布置如圖1 和圖2 所示。

圖1 橋位圖（單位：m）

圖2 墩臺基礎剖面示意圖

2 力學模型及參數

2.1 模型

考慮盾構機開挖前、開挖后基礎應力及變形。采用有限元分析軟件進行數值分析，由于地鐵順穿橋梁，建立二維平面應變計算模型。考慮土體變形的非線性特征及土體硬化階段的特性，計算模型采用硬化土模型（HS）。土體模型參數取值見表1。

表1 硬化土模型參數

橋梁承臺、樁及隧道采用性彈性板單元模擬。隧道采用均質圓環的板單元。考慮隧道實際施工過程中管片的拼接效應，以及裝配式襯砌的螺栓連接剛度對隧道整體結構的影響，對隧道襯砌剛度進行折減[9，10]；考慮盾構機殼脫出后管片與土體之間的間隙，根據經驗，隧道體積收縮率取值為0.2%。線彈性材料參數見表2。

表2 線彈性材料參數

根據類似工程和其他學者的研究結果, 隧道周圍3～5 倍隧道直徑以外的土體受到隧道開挖的影響較小，可以認為沒有影響。因此，模型尺寸取為160 m×160 m（X×Y）。隧道外徑為6.2 m，厚度為350 mm。

該工程共4 組群樁承臺，兩兩對稱。本文只列舉“承臺1”模型，厚度3 m，其下樁基礎樁徑1.8 m，樁長80 m。承臺與樁基礎連接為剛接。

2.2 荷載

該工程“承臺1”模型頂部均布荷載為125.16 kPa，由于實際工程中上部結構相對于承臺并不是對稱布置，因此模型中為考慮實際情況，荷載也按工程實際情況進行非對稱布置。

2.3 模型邊界約束條件

如圖3 所示，模型左右邊界約束水平向位移，底部約束水平及豎向位移，模型上表面取為自由邊界。樁基礎與土體的接觸面采用interface 單元進行模擬分析，而接觸面的強度折減系數根據工程經驗均取值0.7。

圖3 模型橫斷面圖

2.4 計算步驟

為簡化計算，有限元模型計算分析主要分為以下幾個步驟：

（1）地應力平衡；

（2）生成橋梁承臺及樁；

（3）施加上部結構荷載；

（4）開挖隧道。

3 計算結果分析

3.1 隧道變形

隧道開挖后橋梁、隧道及其附近土體變形分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 隧道開挖后局部土體變形

圖5 隧道開挖后隧道變形（變形放大200 倍）

隧道開挖后，隧道上部土體沉降，隧道下部土體隆起，隧道呈現出被壓扁的橢圓形，地面土體出現沉降槽，這與已有的隧道開挖經驗相吻合。說明該計算模型參數選取較為合理，可以真實反映隧道開挖后，土體、隧道、橋梁基礎的受力、變形及相關位移關系。

3.2 整體沉降

3.2.1 施加上部荷載

上部結構荷載施加后，承臺帶動樁基礎相對土體有向下移動，通過承臺底面和樁側、樁端帶動周圍土體移動。承臺底面應力較為集中，該位置土體豎向位移最大，達到9.68 mm，為豎向沉降。豎向位移沿樁長向下逐漸減小，至樁端位置，豎向位移約為7.06 mm，為豎向沉降。

3.2.2 盾構施工

隧道開挖步完成后，隧道內土體被挖除，局部土體卸荷，隧道上方土體沉降，最大沉降約為4.78 mm，隧道下方土體隆起，最大隆起值約為3.46 mm。隧道在土體作用下出現豎向壓縮、水平向拉伸的變形。隧道中心標高附近土體被隧道向外側擠壓。

3.2.3 盾構施工完成

隧道開挖完成后，由于隧道上部土體沉降與隧道開挖前該位置土體位移疊加，土體豎向沉降進一步增大，最大值達到11.81 mm。隧道以下土體位移在隧道開挖步表現為隆起，與隧道開挖前該位置土體位移進行疊加，土體豎向仍然表現為沉降，只是沉降值減小為6.94 mm。

3.3 樁基分析

對于隧道開挖前與隧道開挖后“承臺1”模型樁1、樁2、樁3 的內力及位移進行分析。

3.3.1 軸力分析

隧道開挖前與隧道開挖后樁身最大軸力見表3。

表3 隧道開挖前與隧道開挖后樁身最大軸力及位置匯總表

如圖6 所示，該工程隧道底距離樁頂為11.5 m，盾構隧道開挖后，隧道上部土體沉降，隧道下部土體隆起，導致樁基產生負摩阻力，負摩阻力最大值位于隧道底部附近。“樁3”最大軸力在隧道開挖前后都大于“樁1”最大軸力。出現此現象的原因為，上部結構荷載為非對稱荷載，且荷載偏向“樁3”一側，造成“樁3”軸力較大。

圖6 隧道開挖前、后樁基軸力分布圖

3.3.2 彎矩分析

隧道開挖前與隧道開挖后樁身最大彎矩見表4。

表4 隧道開挖前與隧道開挖后樁身最大彎矩匯總表

如圖7 所示，隧道開挖前，“樁1”最大彎矩約為2240.72 kN/m，最大彎矩出現在樁頂。隧道開挖后，樁身最大彎矩約為4340.94 kN/m，最大彎矩也出現在樁頂。最大彎矩增長了93.73%。隧道開挖前，“樁3”最大彎矩約為2128.96 kN/m，最大彎矩出現在樁頂。隧道開挖后，樁身最大彎矩約為4215.95 kN/m，最大彎矩也出現在樁頂。最大彎矩增長了98.03%。

如圖8 所示，隧道開挖前，“樁2”最大彎矩約為72.35 kN/m，最大彎矩出現在樁頂。隧道開挖后，樁身最大彎矩約為74.52 kN/m，最大彎矩也出現在樁頂。最大彎矩增長了3.00%。“樁2”彎矩明顯小于“樁1”和“樁3”，造成這種現象的原因在于“樁2”水平方向兩側都有隧道開挖，同時造成兩側土體卸荷，疊加后對“樁2”彎矩影響很小。

3.3.3 位移分析

隧道開挖后樁身位移變化見表5。

如圖9 所示，隧道開挖后，“樁1”、“樁3”水平呈現“3”字型變形，“樁1”最大水平位移約為0.93 mm，出現在樁頂以下9.1 m，樁身水平位移兩峰值間的最小水平位移約為0.79 mm，出現在樁頂以下15.25 m，此高度處于隧道中心標高與隧道底標高之間。“樁3”最大水平位移約為1.032 mm，出現在樁頂以下9.1 m，樁身水平位移兩峰值間的最小水平位移約為0.79 mm，出現在樁頂以下16.19 m，此高度處于隧道中心標高與隧道底標高之間。出現”3”字型變形的原因為隧道開挖后，隧道豎向壓縮、橫向拉伸，拉伸位置附近的土體水平向變形明顯小于周邊土體，造成此位置樁身水平位移明顯小于附近其他位置。

圖7 隧道開挖前與隧道開挖后“樁1”“樁3”最大彎矩圖

圖8 隧道施工后“樁2”水平位移分布圖

表5 隧道開挖后樁身位移匯總表

圖9 隧道施工后“樁1”“樁3”水平位移分布圖

如圖10 所示，隧道開挖后，“樁2”水平呈現“3”字型變形，最大水平位移約為0.07 mm，出現在樁頂以下7.38 m。“樁2”水平位移最大值僅相當于“樁3”水平位移最大值的6.78%。“樁2”水平位移絕對值很小，幾乎可以忽略不計。

圖10 隧道施工后“樁2”水平位移分布圖

3.4 墩臺沉降分析

隧道開挖后，“承臺1”橋梁墩臺沉降值約為0.22 mm，橋梁墩臺水平位移約為0.041 mm。

4 工程優化設計

分別建立樁長為70 m、60 m、50 m 模型，需求滿足規范前提下設計最優方案，計算結果見表6。結果表明，不同樁長計算結果趨勢一致，同時采用“承臺1”樁長為50 m 時，隧道開挖對該橋梁不會造成較大影響，橋梁墩臺結構沉降及水平位移在安全合理的范圍內。

5 結 語

（1）隧道施工造成隧道上方土體沉降，隧道所在深度以上的樁體和樁頂承臺豎向變形表現為沉降，而隧道附近的樁體中下部則表現為隆起。隧道上方土體沉降，引起樁身產生向下移動，而隧道開挖的卸荷作用導致下方土體隆起，帶動下部樁身向上移動。樁基產生負摩阻力，負摩阻力最大值位于隧道底部附近。

（2）樁身水平向位移主要表現為盾構隧道產生土體卸荷帶動周圍土體，造成樁基水平位移。特別值得注意的是，由于隧道產生的橫向鴨蛋形變形，擠壓周圍土體，造成靠近隧道中心標高附近的樁身水平位移明顯小于臨近樁身水平位移。樁身位移呈現“3”字形。

表6 隧道施工前后“承臺1”各樁內力及位移匯總表

（3）通過有限元分析，可尋求遠期存在地鐵順穿的橋梁基礎，在滿足規范要求及正常運營前提下的最經濟設計方案。