雙線隧道盾構側穿施工對橋樁內力的影響分析

王馨霆

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

隨著我國城市地鐵隧道的大量興建，出現大量地鐵隧道與既有橋樁相互影響的案例。橋樁的安全是保證橋梁正常工作的基礎，城市盾構施工所面臨的重要問題。

孫逸瑋等[1]，采用三維有限元模型，分析不同樁徑和樁-隧道間距對地表沉降槽曲線的影響，提出一種適用于預測盾構近距離側穿橋樁時地表沉降槽的偏態分布曲線。高利琴等[2]，對側穿鄭西高鐵跨繞城高速大橋段區間隧道進行設計, 揭示了地鐵盾構側穿作業施工過程對高速鐵路上跨繞城公路特大橋基礎影響的規律。豐土根等[3]，依托廣州地鐵8 號線盾構隧道側穿華南快速高架橋樁基工程，研究了橋樁附加軸力、附加彎矩和樁身位移的變化并開展了加固優化設計。甄正等[4]，依托太原鐵路樞紐新建西南環線盾構隧道，在考慮流固耦合作用下，研究了盾構下穿高架橋時地表和地下結構的穩定性。劉強等[5]，模擬某工程雙線小直徑電力盾構隧道對臨近立交橋樁基的影響, 重點分析了影響樁基水平位移的主要因素及位移發展規律。楊冬梅等[6]，為降低完全疊落段盾構隧道掘進對鄰近橋樁的影響,確保鄰近橋梁結構安全和正常運營，提出并實施了在隧道內對隧道和橋樁間的土體實施斜向注漿的保護措施, 并采用三維數值模擬方法研究了完全疊落段區間盾構隧道施工影響下橋樁的變形規律。綜上可知，目前盾構施工影響橋樁力學性能是當前的熱點內容，上述研究中對橋樁附加內力的研究，針對卵石地層的較少。本研究依托洛陽地鐵2 號線側穿牡丹大橋工程為依托，研究卵石地層盾構開挖對大直徑橋樁的影響。

1 工程概況

洛陽市地鐵2 號線，博物館站-九都西路站區間需要下穿牡丹大橋，由博物館站始發，九都西路站接收。區間左、右線線間距為12.0～14.8 m，線路最大縱坡為26.2‰。隧道結構覆土約為9.6～19.2 m，盾構穿越的主要地層為卵石層。盾構隧道與牡丹大橋相對位置見圖1，在河道位置兩者為平行狀態。

圖1 洛陽地鐵2 號線與牡丹大橋位置

圖2 為隧道與牡丹大橋的空間相對位置關系，樁基與隧道的最小水平凈距離6.5 m。取最靠近隧道的樁作為研究對象，樁身直徑1.5 m，樁端高于隧道底部1.2 m，蓄水期間河面高程134 m，樁頂取河床底部標高為130 m，樁長23 m。隧道直徑6.2 m，隧道中心間距12.0 m。場地除了表層1～2 m 淤泥外，均處于卵石地層，分布于全場地，雜色，中密，局部稍密，稍濕-飽和，級配一般，粒徑以2～10 cm 為主，最大粒徑可達40 cm，多呈亞圓形，磨圓度中等，分選性差，卵石成分主要為砂巖、石英巖、安山巖、玄武巖等，一般為微風化，少量為強風化-中風化，卵石含量約為50%～60%，填隙物砂、礫砂為主，次為黏性土，局部夾有粉質黏土薄層，見圖3。層底標高99.00～112.68 m，層底埋深26.40～36.50 m，層厚21.00～35.80 m，平均厚度26.81 m。超重型動力觸探試驗經桿長修正后平均值N120=10.7 擊。由地勘資料知，樁側摩阻力為120 kPa，樁端阻力為2 200 kPa。

圖2 隧道與牡丹大橋橋樁空間位置關系

圖3 沿線基坑現場調查

2 有限元分析

2.1 有限元模型

如圖4 所示為幾何模型，為了消除邊界效應的影響，本計算中，模型尺寸長50 m 寬9 m 高32 m。模型左右前后兩側為水平方向約束，底部為豎向約束。隧道襯砌管片采用板單元模擬，樁體采用嵌入式樁單元模擬，有限元網格見圖5。襯砌管片采用C50 混凝土，樁基采用C40 混凝土。土體參數取值見表1。

圖4 幾何模型

表1 土層參數

圖5 有限元網格

2.2 計算過程

本次計算中考慮隧道的施工過程，具體的計算步驟如下：

（1） 場地地應力平衡。

（2） 樁安置并再次進行地應力平衡。

（3） 開挖左側隧道，每次開挖1.5 m，分6 步開挖結束。

（4） 開挖右側隧道，每次開挖1.5 m，分6 步開挖結束。

（5） 計算結束。

3 結果分析

選取典型的3 個工況進行分析，分別為左側盾構開挖至樁所在位置（左中），左側貫通，右側貫通。隧道開挖導致的樁體內力主要涉及軸力、剪力、彎矩。見圖6。另外土體位移是樁基礎受荷的基礎，因此本節將首先分析土體位移，再分析樁身內力的變化。

圖6 計算工況

隧道開挖導致土體產生豎向沉降，豎向沉降在3個工況下的土體位移場見圖7，從圖7 中可以發現，隨著開挖的進行，隧道產生的土體沉降逐漸增大，在隧道貫通后土體沉降值達到最大，沉降槽寬度也達到最大。從圖中也可以發現，由于樁的存在，左側沉降稍小于右側沉降，云圖上呈現出不對稱性。

圖7 土體沉降

樁身附加軸力變化見圖8，隧道開挖導致樁身產生向下的拉力，即樁身存在負摩阻力。當左線隧道開挖至樁身所處位置時，軸力超過500 kN，當左線隧道貫通后，軸力值超過700 kN，當右線隧道貫通后，軸力值最大超過800 kN。右線隧道由于距離樁較遠，其影響遠小于左線隧道，說明隨著距離的增加，隧道開挖對樁基礎的影響迅速減小。樁身剪力產生來自兩個方向，一個是向隧道方向的土體位移產生的，即橫向剪力；一個是由于盾構掘進過程中刀盤壓力導致的沿隧道前進方向產生的剪力，即縱向剪力。從圖9 中可以發現，橫向剪力隨著盾構的掘進過程在樁的底部逐漸增加，樁的中部在左側貫通后達到最大，樁頂部在右側貫通后達到最大。從圖10 中可以看出，對于縱向剪力，主要與刀盤與樁的距離有關，當刀盤位于左中時，剪力最大，當刀盤原理樁后，剪力減小，左側和右側貫通時差別不大。

圖8 樁身附加軸力變化

圖9 橫向剪力

圖10 縱向剪力

樁身彎矩產生也來自兩個方向，一個是向隧道方向的土體位移產生的，即橫向彎矩；一個是由于盾構掘進過程中刀盤壓力導致的沿隧道前進方向產生的彎矩，即縱向彎矩。從圖11 和圖12 中可以看出，橫向彎矩隨著盾構的掘進過程逐漸增加。縱向彎矩，主要與刀盤與樁的距離有關，當刀盤位于左中時，彎矩最大，當刀盤遠離樁后，彎矩減小，左側和右側貫通時差別不大。

圖11 橫向彎矩

圖12 縱向彎矩

4 結論

（1） 對于雙線隧道開挖導致的樁身內力變化，距離樁較近的隧道對樁的影響遠大于距離較遠的樁。

（2） 橫向剪力和彎矩均隨著盾構的掘進逐漸增加，樁身軸力和彎矩較大位置均處在樁的中下部。

（3） 縱向剪力和彎矩在靠近一側隧道開挖時達到最大值，當隧道貫通后，剪力和彎矩值均減小，且右側隧道開挖后差別與左側不大。