地鐵區(qū)間隧道下穿鄰近高架橋樁基礎變形分析

羅勁

摘 要：【目的】隧道側穿或下穿高架橋的施工情況及相關研究越來越多，但是對于雙隧道下穿臨近高架橋且以粉土為主要成分地質條件的案例研究較少。【方法】本研究以深圳地鐵7號線西麗～珠光（DK2+420～DK5+190）段盾構區(qū)間下穿高速高架橋為背景，建立三維數值計算模型對墩頂位移和離隧道最近樁節(jié)點位移變化進行分析研究。【結果】研究表明：墩頂橫向位移在先行隧道貫通前逐漸增大，但隨著后行隧道的開挖，樁基兩側的土體產生的土壓力逐漸平衡，墩頂橫向位移逐漸減小，向初始位置靠近；墩頂縱向位移隨著隧道開挖逐漸增大，位移方向同盾構掘進方向相反；墩頂豎向位移隨著盾構掘進逐漸增大；雙隧道兩側橋樁橫向位移隨著隧道的開挖和墩頂力的共同作用，位移逐漸增大，左右線貫通后達到最大值，但雙隧道中間橋樁隨著右側隧道掘進，由于兩側土體產生的土壓力逐漸平衡，橫向位移逐漸減小，向初始位置靠近。【結論】下穿鄰近高架橋的粉土地層的地鐵隧道，應根據其工程變形規(guī)律，避免對既有工程造成影響，本研究對于同類型工程設計和研究具有一定參考。

關鍵詞：區(qū)間隧道；鄰近高架；樁基礎；位移

中圖分類號：U231.3? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2023）09-0079-05

Abstract： [Purposes] There are more and more studies on the construction of tunnels passing sideways or under viaducts and related to them， but there are fewer case studies on the geological conditions of double tunnels passing under adjacent viaducts and with powder soil as the main component. [Methods]In this article， a three-dimensional numerical calculation model is established to analyze and study the displacement changes of pier top and nearest pile nodes from the tunnel in the context of shield interval underpassing a high-speed viaduct in the Xili～Zhuguang （DK2+420～DK5+190） section of Shenzhen Metro Line 7. [Findings] The results show that： the transverse displacement of the top of the pier gradually increases before the first tunnel is opened， but with the excavation of the later tunnel， the earth pressure generated by the soil on both sides of the pile foundation is gradually balanced， and the transverse displacement of the top of the pier gradually decreases and approaches to the initial position; the longitudinal displacement of the top of the pier gradually increases with the excavation of the tunnel， and the displacement direction is opposite to that of the shield tunneling; the vertical displacement of the top of the pier gradually becomes larger with the shield tunneling; the transverse displacement of the bridge piles on both sides of the double tunnel The displacement gradually increases with the excavation of the tunnel and the joint action of the pier top force， and reaches the maximum value after the left and right lines are passed， but the middle bridge pile of the double tunnel gradually decreases with the right tunnel excavation due to the gradual balance of the earth pressure generated by the soil on both sides， and the lateral displacement approaches the initial position. [Conclusions] In this study， a three-dimensional numerical calculation model is established to investigate the deformation of the pile foundation of an adjacent viaduct under an underpass interval tunnel with powder soil as the main geological condition， to provide some reference value for the design and research of the same type of project.

Keywords： interval tunnel; near the viaduct; pile foundation; displacement

0 引言

為研究城市地下工程施工導致既有結構物變形問題，眾多學者撰文分析了隧道開挖引發(fā)地表沉降致使地上結構物發(fā)生開裂、傾斜、沉降等現象，進一步對破壞地上結構物的正常使用和承載能力的各種情況進行分析。

Soliman等［1］為了研究雙洞隧道的變形，對雙洞變形進行了基于連續(xù)介質的有限元分析，通過二維和三維的數值模擬得出單洞隧道結果的疊加可以得到雙洞的變形。Kimmance等［2］研究了jude延長線某段隧道建設過程中新奧法隧道下穿和側穿既有建筑物及在既有鑄鐵管片隧道的施工。通過分析量測數據表明，對計算地表沉降采用的深度添加系數進行修正后可以用公式估算上部已有隧道的變形沉降。通過采用有限元法和解析解法可以估算出側面基坑開挖導致既有隧道的沉降變形。王如路等［3］針對上海地鐵盾構隧道研究了超載作用下軟土盾構隧道的橫向變形機理，并認為隧道橫向變形發(fā)展過程中，其直徑變化量與隧道接頭張開量、螺栓應力和混凝土應力之間的關系存在歸一化關系。Cooper等［4］通過采集三條直徑為9 m的隧道對下穿既有隧道工程產生影響的變形數據，將精密水準儀和電子水準點布設在被穿越隧道內部，并進行長時間且廣泛的監(jiān)測，繪制出新建隧道后的沉降曲線，分析了地層沉降過程和變化范圍，得出沉降槽因既有隧道的存在影響了形狀和寬度。Krishan等［5-6］通過研究新加坡北線樞紐換乘站在既有軌道交通隧道側下方施工的數據采集過程，提出為滿足控制軌道線形平順和開挖過程中隧道結構的整體性要求，檢測儀器必須能夠描述和檢驗深基坑開挖對既有隧道附加影響的極限狀態(tài)，以此獲得的數據才具有研究性。李松等［7］以廣州地鐵六號線下穿北二環(huán)高速公路高架橋樁基工程為對象進行建模分析，總結出盾構施工推進過程中，盾構推力是影響樁基位移的重要因素，影響結果是兩側樁基水平位移在隧道范圍內呈明顯“凹槽”，發(fā)生的沉降位移較小。劉厚全等［8］通過建立有限元模型分析近距穿越群樁基礎，總結出樁基礎剪力與彎矩會隨著盾構掘進距離的增加而增大，且在盾構掘進過程中樁基礎周圍會產生較大的負摩阻力。呂懷昌等［9］結合明挖隧道與盾構隧道先后下穿橋梁工程的案例，分析了該情況施工時鐵路橋墩、橋樁位移的變化規(guī)律，以及為減小變形采用隔離樁的控制效果。

既有文獻資料對地鐵側穿、下穿建筑物的施工情況開展了不少研究，但是盾構區(qū)間隧道邊緣距離樁基最近處為2.05 m，且地質條件具有以粉土、粉細砂、圓礫等為主的較低承載力為特點的研究案例較少。本研究以深圳地鐵7號線為工程依托，研究雙線隧道先后施工下穿高架橋樁基礎情況下墩頂和臨樁節(jié)點位移發(fā)展和離隧道最近樁節(jié)點位移變化規(guī)律。

1 工程概況

深圳地鐵7號線橫貫東西方向，跨越大半個市區(qū)，地下空間包含有28個車站和27個施工地段，在27個施工地段中，有21個地段需要進行開展盾構施工，其余的采取明挖施工。整條線路穿越多種地面建（構）筑物以及河流，大風險源多、工程開展規(guī)模受限、地質情況復雜等因素都造成施工相比于其他地鐵修建難度大。

西麗～珠光（DK2+420～DK5+190）段，從珠文光站到珠光站，地鐵線下穿龍珠大道珠光大道橋。珠光大道橋左右兩幅橋，跨徑布置：22 m+40 m+22 m。橋墩采用倒八字型橋墩，橋臺采用一字型，樁基礎采用2.5 m的直徑、樁長64 m的摩擦樁。

本研究選取的地鐵7號線盾構區(qū)間段，隧道軸線距離珠光大道橋1號墩樁基中心最近處為7.364 m，隧道邊緣距離樁基最近處為2.05 m。1號橋墩處斷面如圖1所示。

2 計算模型

本研究使用有限元軟件建立三維整體計算模型對施工階段進行數值模擬，分6個施工階段32步進行開挖模擬施工，單元體采用四頂點的等四面體結構。模型建立的邊界尺寸為40 m×80 m×70 m（分別為隧道開挖方向、橫斷面方向和土層厚度）。

根據地質資料考慮不同土體分層條件和重度，結合橋墩初始應力場的影響進行初始應力場的模擬。采用“莫爾-庫倫（M‐C）”土體彈塑性模型，具體材料參數見表1，考慮土體和樁結構之間的相互作用建立摩擦界面單元，通過軟件中的樁單元可以與土體自動耦合，能較好地模擬土體與和樁之間相互作用［10］。

整個數值模擬模型以地表為建模自由面，分析與樁基礎相接觸的土體條件時，底面約束Z方向的位移變化量，側面分別約束橫向和縱向的位移變化，Z方向的轉角變化受到橋梁樁基的約束控制，構成一個邊界條件完整模型。隧道與橋樁的位置關系如圖2所示。

3 計算結果與分析

隧道施工共分為32步，左線貫通16步，右線貫通16步。根據關于六個橋墩的模擬分析，對1到4號墩頂位移變化過程和1到6號離隧道最近樁節(jié)點位移數據進行采集和分析，墩頂各方向位移隨著隧道開挖變化曲線如圖3～5所示。從圖中可以直觀

地看出墩頂和臨近樁節(jié)點的橫向位移、縱向位移和豎向位移的變化過程。

3.1 墩頂位移變化

以四個橋墩頂部為監(jiān)測對象采集模型數據，根據數據分析墩頂橫向位移、縱向位移和豎向位移隨著隧道開挖的變化過程，通過數據繪制的圖3至圖5可以看出墩頂位移在左線先行隧道開挖結束到右線后行隧道開挖之間有明顯的變化。

結果分析如下。①墩頂橫向位移在左線隧道貫通前，在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下，位移逐漸增大，達到最大值分別為2.72 mm、2.59 mm、1.91 mm、2.15 mm。隨著右線隧道的開挖，樁基兩側土體產生的土壓力逐漸平衡，墩頂橫向位移逐漸減小，向初始位置靠近。右線貫通后，位移值分別為1.0 mm、0.9 mm、0.51 mm、0.50 mm。②墩頂縱向位移在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下，縱向位移逐漸增大（與盾構掘進方向相反），最大值分別為-2.12 mm、-2.13 mm、-2.17 mm、-2.17mm。③墩頂豎向位移在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下，豎向位移逐漸增大，最大值分別為2.27 mm、2.18 mm、2.85 mm、2.97 mm。

3.2 離隧道最近樁節(jié)點位移變化

一般單線隧道施工擾動影響范圍為6倍隧道直徑區(qū)域［11］，而雙線隧道影響范圍更廣。本研究取距離隧道最近的6條樁為對象建立模型，根據模型采集的數據如圖6至8所示，可以清晰地看到離隧道最近樁節(jié)點橫向位移、縱向位移和豎向位移的變化過程。

現將結果分析如下。①隧道兩側的樁1、樁 2、樁5及樁6橫向位移在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下，位移逐漸增大，左右線貫通后達到最大值分別為4.06 mm、 4.45 mm、4.50 mm、4.90 mm。但是

隨著右線隧道的開挖，開挖面超越位于隧道中間的樁3和樁4后，樁基兩側土體產生的土壓力逐漸平衡，樁3和樁4橫向位移逐漸減小，向初始位置靠近，最大值為4.74 mm、4.27 mm，右線貫通后位移值分別為1.63 mm、1.58 mm。②離隧道最近樁節(jié)點縱向位移在隧道開挖和墩頂力的共同作用下逐漸增大，位移最大值分別為0.53 mm、0.79 mm、0.66 mm、1.26 mm、0.52mm、0.85 mm。③離隧道最近樁節(jié)點豎向位移在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下逐漸增大，位移最大值分別為3.69 mm、3.17 mm、2.79 mm、2.26 mm、 2.3 9mm、1.90 mm。④從模擬結果可以看出，隨著隧道的開挖，由于土體壓力，位于隧道開挖面以下樁橫向和縱向出現反彎點。

4 結論

①墩頂橫向位移在左線隧道貫通前，在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下，位移逐漸增大，但是隨著右線隧道的開挖，樁基兩側土體產生的土壓力逐漸平衡，墩頂橫向位移逐漸減小，向初始位置靠近。

②墩頂縱向位移在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下，縱向位移逐漸增大，與盾構掘進方向相反；豎向位移逐漸增大，與盾構掘進方向相同。

③雙隧道兩側橋樁橫向位移在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下，位移逐漸增大，左右線貫通后達到最大值。但雙隧道中間橋樁隨著右側隧道掘進，由于兩側土體產生的土壓力逐漸平衡，橫向位移逐漸減小，向初始位置靠近。

④離隧道最近樁節(jié)點縱向位移和豎向位移在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下逐漸增大。在隧道的施工中，后行隧道的開挖由于土壓力的逐漸平衡會產生明顯的反彎點。

參考文獻：

［1］ SOLIMAN E， DUDDECK H， AHRENS H. Two- and three-dimensional analysis of closely spaced double-tube tunnels［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，1993， 8（1），13-18.

［2］ KIMMANCE J P， LINNEY L F， STAPLETON M J. Potential of grouting methods to prevent and compensate for tunnelling-induced settlement of London Clay［J］. Geological Society， London， Engineering Geology Special Publications， 1995， 10（1）：289-297.

［3］ 王如路，張冬梅. 超載作用下軟土盾構隧道橫向變形機理及控制指標研究［J］. 巖土工程學報， 2013， 35（6）： 1092-1101.

［4］ COOPER M L，CHAPMAN D N，ROGERS， et al. Movements in the Piccadilly Line tunnels due to the Heathrow Express construction［J］. Géotechnique， 2002， 52（4）：243-257.

［5］ KRISHNAN R，COPSEY J P，ALGEO R G， et al. Design of the civil works for Singapore's North East line［J］. Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research， 1999， 14（4）：433-448.

［6］ SCHROEDER F C， POTTS D M， ADDENBROOKE T I. The influence of pile group loading on existing tunnels［J］. Geotechnique，2004， 54（6）： 351-362.

［7］ 李松，楊小平，劉庭金. 廣州地鐵盾構下穿對近接高架橋樁基的影響分析［J］. 鐵道建筑，2012（7）： 74-78.

［8］ 劉厚全，賴金星，汪珂，等. 盾構下穿既有群樁基礎受力特性數值分析［J］. 公路，2017， 62（8）： 298-304.

［9］ 呂昌懷，劉燕，張亮亮，等. 明挖隧道與盾構隧道下穿鐵路橋變形影響及隔離樁效果［J］. 鐵道建筑， 2022： 1-5.

［10］ 閆興寶. 復雜地層條件下深基坑施工對下臥地鐵隧道結構影響研究［D］. 西安：長安大學， 2015.

［11］ 邱明明，楊果林，吳鎮(zhèn)清，等. 雙孔平行地鐵隧道盾構施工地表沉降分布規(guī)律研究［J］. 現代隧道技術，2017， 54（2）： 96-105.