復合地層曲線盾構隧道對鄰近樁基變形影響研究

李海堂

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300）

1 研究背景

我國地鐵建設發展迅速，地鐵線路錯綜復雜，地下結構的合理空間布設是新建地鐵線路規劃的重點關注問題，曲線盾構施工和近接地下結構物逐漸普遍，地鐵隧道工程建設難度增大，安全風險提高。盾構施工產生卸荷擾動區，該區內土體強度先變小，之后土體發生固結，強度增大。盾構隧道開挖，隧道下部出現地層損失，土體出現應力釋放，地表回彈隆起[1]。因隧道軸線線型特點，曲線隧道施工引起的額外地層損失將導致更大的卸荷擾動區。盾構施工擾動通過土體傳遞到附近樁基，使樁基產生附加變形，樁基變形過大將引發橋梁結構的沉降、開裂、傾倒等問題，使橋梁結構的穩定性與安全性受到威脅。因此，開展有關隧道結構、土體和樁基的相互作用機理研究，探究盾構施工對鄰近樁基的影響規律，對于復雜工況下隧道施工控制與安全評估有重要意義。

近年來采用數值模擬方法研究盾構隧道施工的案例逐年增多。王勇[2]以武漢大道高架橋橋樁參數為基礎，模擬盾構隧道側穿樁基時橋樁的變形狀況，計算結果表明，不采用加固措施的情況下，橋樁變形滿足控制要求，盾構隧道可安全通過；羅肖[3]以寧波地鐵2號線盾構施工工程為背景，通過數值模擬發現，盾構施工頂推力與注漿壓力的大小對周邊環境影響很大，盾構近接樁基時，樁頂荷載、樁土界面參數及盾構隧道與樁的相對位置對樁體位移均有不同程度影響；王禹椋[4]以深圳地鐵9號線盾構近接群樁為工程背景，采用數值模擬結果與現場監測數據相結合的方法，考慮頂推力與刀盤扭矩的作用，研究發現樁基的數量對沉降槽寬度影響較??；王春凱[5]以上海市軌道交通盾構區間隧道近接高架橋樁基為背景，驗證了數值模擬分析盾構隧道近接橋梁樁基變形規律的可行性；漆偉強[6]建立有限差分數值模擬模型，計算分析盾構隧道施工引起的鄰近樁基變形特征，從變形的多個角度總結規律；胡佳[7]結合數值模擬結果和實測結論探究發現，盾構開挖引起的建筑物變形有時效性，在盾構開挖20 m以后測點變形達極大值；龐星[8]以太原地鐵2號線為研究背景，運用FLAC3D有限差分軟件計算盾構開挖導致的地層、樁基礎以及周圍建筑物的傾斜、變形特點。

南京地鐵7號線萬壽村站—丁家莊站區間線路多段穿越上軟下硬復合地層，且以曲線隧道先后近接經五路高架橋和涂家營橋。以該工程為研究背景，本文采用數值模擬方法，充分考慮復合地層、曲線盾構與近接橋梁樁基的工程特點，計算隧道施工引起的樁基變形，并據此提出相關控制措施。

2 工程概況

南京地鐵7號線萬壽村站—丁家莊站區間隧道先后近接經五路高架橋樁基和涂家營橋樁基，2處樁型均為鉆孔灌注樁，其中經五路高架橋樁基樁徑1.5 m，樁長27 m，與區間最小水平凈距1.26 m，區間隧道線路曲線半徑為450 m；涂家營橋樁基樁徑 1.0 m，樁長23 m，與區間最小水平凈距3.6 m。區間隧道多段穿越上軟下硬復合地層，復合地層上部主要為人工填土、粉質黏土；下部基巖埋深最深為31.0 m，主要有砂巖、粉砂巖、泥巖以及白云質角礫巖，東南側靠近丁家莊主要為燕山期侵入巖閃長巖。盾構機掌子面地層有全斷面黏土、全斷面巖層和上軟下硬3種地層。萬壽村站—丁家莊站區間平面圖如圖1所示。

3 計算模型及參數

3.1 模型建立

本文采用ANSYS建立數值模擬三維幾何模型，網格劃分后，采用FLAC3D進行參數賦值、應力施加、邊界條件設置。三維模型橫向寬度87 m，豎向寬度9.6 m，縱向高度32.1 m，隧道間距設置為15 m，埋深15.1 m。

樁頂承臺與樁體之間采用剛接，承臺尺寸為22.12 m×6 m×0.5 m，樁體截面為圓形，樁長27 m，樁徑1.5 m，隧道軸向相鄰樁體間距3.8 m，垂直于隧道軸向的相鄰樁體間距6.5 m。盾構隧道管片環外徑6.2 m，內徑5.5 m，環外側為注漿層，層厚0.1 m，注漿層外側建立超挖層，利用超挖層模擬曲線盾構隧道引起的地層損失。

模型建立均采用實體單元，土體和巖體的本構模型為摩爾-庫倫模型，其他部分包括管片環、注漿層、超挖層和樁基的本構模型為彈性模型，隧道內土體開挖采用null單元模擬，各組之間的接觸關系采用interface結構單元模擬。模型底部施加z向位移約束，頂部為自由邊界，兩側分別施加對應的x向位移約束與y向位移約束。

樁基與隧道模型如圖2所示。

圖2 樁基與隧道模型

3.2 地層損失確定（超挖層）

盾構機曲線掘進時為滿足自身姿態要求，實現盾構機的順利轉彎，將采用超挖刀切削土體，擴大開挖半徑，此部分超挖量勢必造成額外的地層損失。直線隧道掘進與曲線隧道掘進對比如圖3所示，盾構機向前掘進距離S，若曲線隧道掘進保持隧道原寬，易出現盾構機侵入隧道邊界，無法按照設計軌跡掘進的問題，使用超挖刀增加超挖量，超挖量的增大給盾構機的轉向提供可能，但同時隧道開挖半徑增大f（即超挖層厚度），對土體擾動大，會造成更大的土體沉降。

圖3 直線隧道掘進與曲線隧道掘進對比示意圖

本區間隧道軸線以最小半徑為450 m的曲線近接經五路高架橋，為正確表征曲線盾構隧道開挖對樁基的影響，在建立模型時，在注漿層外補充超挖層以模擬盾構機為滿足沿設計曲線掘進而造成的地層損失。經計算，盾構機450 m曲線轉彎時，對應最佳鉸接角為0.55°，此時超挖層厚度f= 6.46 mm，由于工程中使用的是被動鉸接裝置，考慮其無法控制張開角度，易發生鉸接過剩或鉸接不足的情況，取最不利無鉸情況，計算得超挖層總厚度f= 20.45 mm。

4 數值模擬結果及分析

4.1 隧道開挖對經五路高架橋樁基的影響

經五路高架橋樁基總位移（包括隧道開挖前自然狀態下的橋樁位移與隧道開挖引起的橋樁位移）如圖4所示，從總位移提取隧道開挖引起的樁基位移如表1所示。由表1計算結果可知，隧道開挖后，樁基整體向隧道開挖側傾倒，樁基的最大橫向位移為12.72 mm，最大豎向位移為8.413 mm，均位于樁頂；樁間最大差異沉降為4.92 mm；樁深12.5 m與樁深15.1 m處的位移有較大突變，這是由于隧道開挖后土體發生擾動引起樁基的附加變形，在土體與巖體的地層分界面處彈性模量有較大的突變，土體中樁體位移遠大于巖體中樁體位移。

表1 隧道開挖引起的經五路高架橋樁基位移

圖4 經五路高架橋樁基總位移云圖（單位：m）

4.2 隧道開挖對涂家營橋樁基的影響

涂家營橋樁基總位移（包括隧道開挖前自然狀態下的橋樁位移與隧道開挖引起的橋樁位移）如圖5所示，從總位移提取隧道開挖引起的樁基位移如表2所示。由表2計算結果可知，隧道開挖后，涂家營橋樁基橫向位移最大值為6.796 mm，豎向位移最大值為8.303 mm，均位于樁頂處；與經五路高架橋樁不同，涂家營高架橋樁體四周地層彈性模量變化不大，隧道開挖后樁體整體呈向隧道側傾倒的趨勢，不存在變形明顯突變處。

表2 隧道開挖引起的涂家營橋樁基位移

圖5 涂家營橋樁基總位移云圖（單位：m）

4.3 隧道施工樁基控制值與計算值對比

表3給出了隧道開挖后樁基位移控制值與計算值對比，由表3可知，經五路高架橋樁與涂家營橋樁的橫向位移計算值均超出控制值；表4給出了不同水平凈距時涂家營橋樁基的位移計算值與控制值對比，由表4可知，數值模擬隧道與樁基水平凈距為2.4 m時涂家營橋樁基橫向位移、豎向位移均超過控制值。因此施工過程中應重點關注隧道開挖軌跡，曲線掘進時，有針對性地監測隧道掘進時的預偏量和糾偏量，特別在隧道近距離側穿樁基時增加監測頻率，若隧道軸線發生向樁基側的偏移應及時采取有效措施。

表3 隧道開挖后樁基位移控制值與計算值對比

表4 不同水平凈距時涂家營橋樁基的位移計算值與控制值對比

表5給出了隧道無地層損失（注漿完全）與超挖量20 mm（注漿不完全）時經五路高架橋樁基位移對比。由表5可知，合理地提高注漿量可有效限制樁基變形，變形值均小于控制值。

表5 盾構隧道施工時注漿量對經五路高架橋樁樁基位移影響

5 盾構隧道近接橋梁樁基施工安全控制措施

5.1 安全監測

為保證盾構近接樁基施工的安全性，施工過程中應進行以下3方面監測：

（1）針對橋樁應監測其結構損傷、裂縫特征和豎向變形；

（2）針對施工現場地基土體，應監測土體的水土壓力和地表沉降；

（3）針對盾構機自身，應監測其施工參數，包括盾構機鉸接角、千斤頂推進力、土倉壓力、刀盤扭矩和注漿量。

5.2 施工措施

在管片環脫離盾構機尾部之后，管片外會存在空隙，曲線隧道不可避免存在更大的超挖量，因此應通過增加注漿量，及時填補空隙以降低地層損失帶來的影響，控制土體位移，減小樁體變形。經計算，20 mm厚超挖層至少需要增加0.469 m3注漿量，使樁體的變形值滿足控制要求，提升施工安全性。

6 結論及建議

本文以南京地鐵7號線萬壽村站—丁家莊站區間工程為背景，建立復合地層曲線盾構隧道近接橋梁樁基仿真模型，計算得到隧道開挖后經五路高架橋樁基最大橫向位移為12.72 mm，最大豎向位移為8.413 mm，涂家營橋樁基最大橫向位移為6.796 mm，最大豎向位移為8.303 mm；經五路高架橋樁和涂家營橋樁的橫向位移超出控制值，應采取監測隧道糾偏量、控制壁后注漿量等措施，控制樁基變形，確保施工安全。