上軟下硬地層盾構近距離側穿立交橋樁基影響分析

蒙蛟， 李文彪

（1.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142；2.四川鐵盛工程勘察設計有限公司，成都 610031）

0 引言

城市的建設發展中，修建了大量的立交橋，使車輛快速通行而不受紅綠燈的約束，且減緩了公路的交通壓力。由于土地空間資源限制，后續工程尤其是地下盾構隧道無法避免近距離側穿或下穿既有立交橋。為了防止盾構隧道施工對土層產生劇烈擾動導致立交橋結構的變形超過其承載能力，需要在立交橋樁基處采取一定的保護措施，減少隧道施工過程中產生的附加荷載對于立交橋樁基的影響，保證橋梁的位移在規范允許的范圍內，不影響立交橋正常使用運營。

近年來隧道近距離穿越橋樁之類的問題也不斷增加，所以許多學者對此類問題進行了大量的研究。彭坤等［1］對比區間隧道開挖區域附近采用不同的加固措施，認為加固措施可降低隧道掘進對橋梁樁基的影響；游輝等［2］運用三維數值計算進行有限元分析，驗證洞外隔離保護措施的重要性；周群立等［3］提出地層損失率的控制指標和立交橋基礎差異沉降控制指標，符合實際施工情況及橋梁安全要求；袁海平等［4］根據橋樁結構耦合彈簧力學計算原理，采用變形撓曲方程推導出盾構施工中橋樁彎矩和剪力。

1 工程概況

工程盾構隧道于里程YDK8+945處側穿獅山立交D號匝道橋，橋臺下樁基采用1m的鉆孔灌注樁，橋臺樁長30m、1#墩樁長34.5m，橋臺樁底地層為中風化泥巖。盾構隧道覆土約21.1m，外輪廓與立交橋樁基最小凈距為約1.4m。盾構區間隧道和獅山立交D匝道橋平面位置關系如圖1所示。

圖1 盾構隧道與獅山立交D匝道橋位置關系平面圖

盾構隧道采用單層襯砌、平板型混凝土管片：管片外徑8.8m，內徑8m，環寬1.8m；采用楔形襯砌環布置；管片采用4塊標準塊，1塊封頂塊，2鄰接塊錯縫拼裝；襯砌管片混凝土強度為C50高性能混凝土，抗滲等級P12，如圖2所示。

圖2 盾構隧道管片結構詳圖

隧道主要穿越地層為強風化砂巖及強風化泥質粉砂巖，此處隧道覆土距離為21.183m，地層由上至下分別為：素填土（厚約1.6m）、粉質黏土（厚約2.4m）、全風化泥質粉砂巖（厚約2.2m）、強風化砂巖（厚約6.5m）、強風化泥質粉砂巖（厚約1.8m）、強風化砂巖（厚約11.5m）、強風化泥質粉砂巖（厚約2.3m）、中風化泥質粉砂巖（厚約2.9m）、強風化泥巖（厚約2m）、中風化泥巖（厚約5.7m）等，為上軟下硬地層。上軟下硬地層是盾構施工中的一種特殊地質，與已有的地層影響經驗公式的假設條件存在差異，措施不當可能對襯砌與橋梁結構造成工程風險［5］。盾構機在掘進的過程中由于上下土層的剛度差異過大，導致盾構機容易姿態偏移，掘進壓力難以穩定控制，對土層擾動極大，致使地表發生沉降且改變橋樁原有的受力狀態，無法穩定地控制橋樁變形。

為了減小因隧道施工擾動對立交橋橋樁產生的變形及附加內力，擬對獅山立交D匝道橋樁基采用袖閥管預注漿加固+施工中洞內同步二次注漿措施，于橋臺承臺底面至右線隧道頂范圍內使用袖閥管對土體進行預注漿加固，加固區域高度為19.04m，預注漿加固樁周邊3D范圍土體（D為樁徑），隧道與樁基的位置關系如圖3所示。

圖3 盾構隧道與獅山立交D匝道橋剖面圖

2 有限元模型分析

2.1 模型參數選取

文中使用MIDASGTSNX建立盾構隧道側穿獅山立交D匝道橋工程三維模型，為了消除模型尺寸對計算結果的影響，根據圣維南原理，隧道開挖主要影響3～5倍洞徑范圍內的圍巖，基于此，模型的x、y、z（x為隧道掌子面方向、y為隧道的掘進方向、z為重力方向）分別為70、80、50m，模型的網格劃分如圖4所示，共有37301個單元。模型中盾殼和管片為2D面單元、樁基為1D線單元，其余為3D實體單元，預注漿加固和二次注漿均采用相應區域土層與原土層相關參數進行置換的方法進行模擬。模型的上表面為自由面，底面施加z軸方向的約束，其余面添加相對應的法相約束。研究隧道開挖對橋梁0#橋臺及1#墩的影響，模型中盾構隧道與獅山立交D匝道橋及預注漿加固區域位置關系如圖5所示。

圖4 三維有限元分析模型

圖5 盾構隧道于橋梁及預注漿加固區域位置關系

2.2 計算參數

模型分為11個土層，各土層的物理力學參數如表1所示，橋梁及區間隧道的材料參數如表2所示。

表1 土體物理力學參數

表2 材料計算取值

2.3 模擬施工

隧道左右線分步施工，左右線施工時間錯開，先開挖右線隧道。所模擬的隧道盾構掘進中，單線隧道分為35個開挖段，每段掘進2m。

第一步：進行位移清零，施加重力形成初始應力場；第二步：施作立交橋，位移清零；第三步：樁基周圍預注漿加固；第四步：掘進第一步開挖范圍，在相應的開挖面施加法向的掘進壓力，承受來自地層壓力防止隧道前方土體坍塌；第五步：依次對隧道進行開挖，施作管片襯砌；第六步：對已完成安裝的盾構管片周圍進行同步注漿并施加注漿壓力和千斤頂力，鈍化已開挖區域范圍內的掘進壓力；以此類推直至全部開挖支護完成。

3 計算結果與分析

為了分析隧道側穿立交橋時預注漿加固措施的效果，文中通過對比分析使用閥管進行預注漿加固與不使用注漿加固兩種不同情況下樁基的位移。工況1為使用閥管進行預注漿加固保護措施的盾構掘進，工況2為未使用預注漿措施的盾構掘進。考慮現場為上軟下硬地層，預注漿措施在上部軟弱地層中進行。文中橋樁編號如圖6所示。

圖6 橋樁編號示意

橋梁樁基的位移隨著隧道掘進而不斷變化，選取隧道掘進過程中比較關鍵的6個施工步來分析整個掘進過程的樁基位移變化。施工步1：右線盾構至預注漿加固區域；施工步2：右線盾構至0#臺-1、2樁基中心線；施工步3：右線盾構施工完成；施工步4：左線盾構到達預注漿加固區域；施工步5：左線盾構到達0#臺-1、2樁基中心線；施工步6：左右線盾構施工完成。

3.1 橋樁豎向位移分析

盾構隧道掘進過程中，由刀具切割土體，盾構隧道范圍內土體的缺失帶來的變形傳遞至其他土體，形成地表沉降。當隧道盾構掘進至橋樁附近時，土體的缺失會導致隧道上方的地面沉降，對于橋梁結構，土體的變形會極大的影響結構的內力，嚴重時可能會使橋梁結構出現裂縫甚至發生破壞。

對于工況1的預注漿加固措施，會使得原有橋樁樁基因為土體的擠壓而發生豎向位移如圖7所示。

圖7 預注漿加固施工橋樁的豎向位移

通過對比工況1、工況2見圖8、圖11橋梁樁基的豎向位移情況，可發現兩種措施下的樁基隨著隧道的掘進沉降不斷加大，工況1最大沉降為1.17mm，工況2最大沉降為2.4mm。采取閥管預注漿加固可以很明顯的限制了土體的豎向位移，最終位移沉降相對于工況2減小約50%。這主要是因為注漿加固增強了樁基周圍土體的強度與粘聚力。

3.2 橋樁水平位移分析

由計算結果可知，隨著盾構隧道的掘進，盾構到達橋樁之前，盾構前方土體受到掘進壓力發生第1階段變形，橋樁變形的表現形式，豎向小幅度沉降；水平方向主要是沿盾構掘進方向變形，垂直盾構掘進方向變形較小。

盾構通過橋樁附近土體過程中，外側土體受到開挖卸載作用后發生第2階段的變形，橋樁變形的表現形式為：豎向迅速沉降后穩定；水平方向沿盾構推進反方向變形，垂直盾構推進方向向盾構一側變形。

盾構通過橋樁附近土體后，盾構對周邊土體影響逐漸減小，第三階段各方向變形趨于穩定。

3.2.1 盾構掘進縱向水平位移

如圖9和圖12所示盾構掘進縱向上的位移（即Y方向位移），在Y方向上的水平位移并不大，工況1為0.88mm，工況2最大值為0.96mm。可以看出在Y方向的位移上。對于Y方向樁基位移的控制，預注漿加固作用的效果不明顯。

3.2.2 盾構掘進橫向水平位移

如圖10和圖13所示盾構掘進橫向水平位移（即X方向位移），在限制盾構掘進橫向水平位移方面，閥管注漿無明顯的效果，兩中工況下所產生的的X方向上的位移相差不大（工況1、工況2最大值都為-2.58mm）。

圖8 工況1橋樁豎向位移隨施工步變化曲線

圖9 工況1橋樁Y方向位移隨施工步變化曲線

圖10 工況1橋樁X方向位移隨施工步變化曲線

圖11 工況2橋樁豎向位移隨施工步變化曲線

圖12 工況2橋樁Y方向位移隨施工步變化曲線

圖13 工況2橋樁X方向位移隨施工步變化曲線

4 結語

文中以盾構隧道側穿獅山立交D匝道橋案例為工程背景，選取兩種不同的加固手段，運用Midas GTS NX軟件對盾構掘進的過程進行數值分析模擬，分析兩種加固措施對橋梁樁基的保護效果。結論如下：

（1）上軟下硬地層盾構掘進過程中，臨近的橋樁變形表現為：豎向先小幅度沉降、后迅速沉降、最后后趨于穩定；水平方向先沿盾構推進方向變形，后沿盾構推進反方向變形；垂直盾構推進方向向盾構一側變形由小至大，最后趨于穩定。

（2）在隧道開挖至橋樁前，使用閥管對橋樁進行預注漿加固的措施有效可行，對減小橋樁豎向位移的效果十分明顯，與未采取預注漿加固的工況相比，在豎直方向上的位移減少約50%，保證了橋梁結構的安全。

（3）數值分析模型對邊界條件進行了簡化，在實際的施工中應結合監測結果，調整施工的相關參數，減小對橋梁結構的影響。