地鐵盾構近距離側穿橋梁樁基變形影響研究

摘" 要：以地鐵盾構隧道側穿城市立交橋工程為背景，介紹橋梁樁基保護措施并對下穿施工對樁基的影響性進行分析。采用MIDAS/GTS NX軟件建立三維有限元模擬，通過施工階段分析，結合實測數據，分析下穿工程對樁基變形影響，結果表明，通過偏離系數對實測數據分析，在穿越鼓樓立交風險源，區間隨下穿過程中的結構控制值偏離系數最大為2.7 mm，偏離系數等級為一級，表明結構安全性能未受到盾構掘進干擾，結構安全性能損傷輕微，表明該方案在控制下穿工程中樁基變形有較好的效果；盾構隧道穿越橋梁樁基采用袖閥管對樁基底部進行跟蹤注漿時，通過控制底部跟蹤注漿范圍，最大位移由5.5 mm減少至4.7 mm，即橫向加固區域取樁基直徑的1.5倍，豎向區域取樁長1/6時，對樁基加固效果最為理想。

關鍵詞：盾構；側穿樁基；跟蹤注漿；數值模擬；結構控制

中圖分類號：U231.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-00７５-0６

Abstract： With the metro shield tunnel passing through the urban overpass as the background， the protection measures of the bridge pile foundation are introduced and the influence of the underpass construction on the pile foundation is analyzed. The three-dimensional finite element simulation is established by using MIDAS/GTS NX software. Through the analysis of the construction stage and combined with the measured data， the influence of the undercut project on the deformation of pile foundation is analyzed. The results show that through the analysis of the deviation coefficient to the measured data， in the process of crossing the risk source of Gulou Interchange， the maximum deviation coefficient of structural control value is 2.7 mm， and the grade of deviation coefficient is first class， indicating that the structural safety performance is not disturbed by shield tunneling. The damage to the safety performance of the structure is slight， which shows that the scheme has a good effect on the deformation of pile foundation in controlled piercing engineering. When the shield tunnel traverses the pile foundation of the bridge， the sleeve valve pipe is used to track the bottom of the pile foundation， and by controlling the bottom tracking grouting range， the maximum displacement is reduced from 5.5mm to 4.7mm; that is， when the transverse reinforcement area is 1.5 times of the pile foundation diameter， and the pile length is 1/6 in the vertical area， the pile foundation reinforcement effect is the best.

Keywords： shield; side-piercing pile foundation; tracking grouting; numerical simulation; structure control

盾構隧道與橋梁既有橋梁樁基是通過周圍土體作為介質而緊密聯系，地鐵施工過程中擾動了周圍環境，繼而受到地鐵施工干擾土體對鄰近橋梁樁基產生影響，降低甚至破壞樁基原有的承載能力。到目前為止，隧道開挖對周圍土體和樁基擾動研究主要有以下研究成果。

李志明等[1]采用數值模擬方法分析盾構下穿橋梁保護措施的影響性；黃松[2]對地鐵盾構區間隧道連續穿越既有鐵路橋影響進行研究；孟哲瑋[3]對雙線盾構隧道對鄰近橋梁樁基及控制措施進行研究；汪云剛[4]利用數值模擬對隧道施工采用袖閥管注漿加固前后地層位移變化規律進行了總結；張召等[5]基于有限元軟件構建高架橋托換樁基的數值分析，分析盾構對高架橋托換樁基的變形影響；王宏宇[6]以西安地鐵16號線測穿橋梁樁基為背景，利用邁達斯軟件對側穿樁基的水平和豎向位移進行了計算模擬分析，給出實際施工方案。

本文通過有限元分析盾構掘進在不同階段對橋梁樁基內力和變形及周圍環境的影響；討論采用不同變形控制方案下，通過選取不同施工參數，研究盾構隧道在不同受力模式下對樁基及周圍環境不同的應用效果，選取最優施工方案；并對現場實際施工進行檢測，結合數值模擬結果，研究盾構掘進過程鄰近樁基變形特性，為地鐵建造過程中采用樁基托換技術施工提供理論依據。

1" 工程概況

呼和浩特市地鐵一號線穿越鼓樓立交西南象限地下區間起點設置在新華大街與呼倫貝爾南路交叉口處的人民會堂站，出人民會堂站后，線路沿新華大街下敷設，先后穿越新世紀地下過街通道、瑪拉沁飯店、清·將軍衙署照壁及鼓樓立交后，進入設于鼓樓立交橋東南象限空地內的鼓樓立交站。新華大街規劃道路紅線寬度為50 m，雙向8車道，現已實現規劃。

本區間線路平面最小曲線半徑為R=800 m，線間距12～18.5 m。線路縱斷面為V字坡，最大坡度25‰，區間主要穿越圓礫、細砂及粉質黏土地層。地下水位相對較高，埋深約8.3～9.8 m。區間采用盾構法施工，隧道埋深10～16.4 m，如圖1所示。

鼓樓立交匝道橋（西南象限）區間隧道穿越段為跨徑38、40 m的連續梁橋，橋樁直徑1.0 m，樁深32 m，B線橋（南北向）區間隧道穿越段為跨徑16 m的連續梁橋，西側為B1線橋，橋樁直徑1.0 m，樁深28 m，東側為B2線橋，樁徑1.2 m，樁深為32 m，均為摩擦樁。如圖2所示，區間隧道與鼓樓立交匝道橋（西南象限）樁基最小凈距約1.57 m，與鼓樓立交B線橋（南北向）樁基最小凈距約1.06 m。盾構隧道在Y（Z）DK14+850～Y（Z）DK14+920附近左右線側穿鼓樓立交橋樁。

2" 結構控制效果評估

根據DB11/T 915—2012《穿越城市軌道交通設施檢測評估及監測技術規范》[7]中附錄J（表1），確定偏離系數等級，判斷結構出現的損傷程度，進而得出變形控制效果的達成度。

偏離系數計算公式如下。

結構控制值偏離系數

根據圖3中數據計算在穿越鼓樓立交風險源，區間隨下穿過程中的結構控制值偏離系數最大為2.7 mm，偏離系數等級為一級，表明結構安全性能未受到盾構掘進干擾，結構安全性能損傷輕微，表明該方案在控制下穿工程中樁基變形有較好的效果。為進一步探究采用不同注漿范圍對樁基變形影響，遂在下一章采用數值模擬方案對樁基變形的控制效果進行探討。

3" 盾構側穿樁基的有限元模擬分析

3.1" 模型概況

取呼和浩特市地鐵一號線博物館至鼓樓立交站掘進方向為模型的X方向，選取隧道DK14+820～DK14+920與鼓樓立交樁基建立三維計算模型，整個模型的計算范圍為75 m×60 m×50 m（X×Y×Z），在此區域模擬多個巖土層及雙線區間隧道建立模型。盾構穿越的周圍土體材料使用修正摩爾庫倫本構模型進行模擬，簡化為6層土體，盾構管片采用C50鋼筋混凝土，使用殼單元進行模擬，假定為各向同性的彈性體。橋梁樁基為摩擦樁，采用1D梁單元進行模擬，假定為各項同性的彈性體。數值模擬計算模型頂部無約束，橋梁上部結構荷載以集中荷載施加在橋墩上，總推力10 000 kN將集中荷載轉換均布荷載331 kN/m2施加在盾構管片上，模型頂部無約束，底面為固定約束，其他邊界為滾軸支承，模型概況如圖4所示。

3.2" 材料參數

各地層的物理力學參數可以根據地質勘察報告得到。土體和注漿加固區按照彈塑性材料考慮，采用修正摩爾庫倫本構，3D實體單元模擬。土體參數根據地質勘察報告確定，注漿加固區參數參考文獻設計規范確定。管片按彈性材料考慮，采用3D結構單元，參數取值參考GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[8]，考慮接縫的影響，將管片剛度按照0.85倍進行折減。盾殼按彈性材料考慮，采用2D板單元模擬，數值計算模型物理力學參數見表2，結構物理參數見表3。

3.3" 模擬結果

3.3.1" 模擬結果云圖

圖5為現場樁基托換施工實際情況模擬，托換梁尺寸27.3 m×6.655 m×2.8 m，最大位移為+2.07 mm，最小位移為-3.16 mm，變形范圍均在安全控制范圍內，控制效果理想。

3.3.2" 樁頂水平位移

隧道盾構施工過程中各樁樁頂水平位移曲線圖如圖6所示，其中，1#承臺樁基1-1、1-2與隧道凈距為1.91、1.97 m；2#承臺樁基2-1、2-2與隧道最小凈距為1.06、1.91 m；3#承臺樁基3-1、3-2與隧道最小凈距為4.05、5.91 m；4#承臺樁基4-1、4-2與隧道最小凈距為6.8、6.64 m；5#承臺樁基5-1、5-2與隧道最小凈距為4.05、5.91 m；6#承臺樁基6-1、6-2與隧道最小凈距為2.17、2.18 m；7#承臺樁基7-1、7-2與隧道最小凈距為6.40、6.54 m；8#承臺樁基8-1、8-2、8-3和8-4與隧道最小凈距為2.87、1.53、5.32和7.18 m；分析圖6中結果可知。

1）不同凈距下通承臺下各樁基在隧道施工過程中的樁頂水平位移規律基本相似，這是由于承臺剛度較大，樁頂水平位移受到承臺約束的影響，基本與承臺的水平位移一致。

2）在施工過程中，樁發生的樁頂最大Y方向位移為-2.32 mm，方向為隧道法向，位于4-1樁，主要是由于該樁距右線盾構凈距較小又遠離左線盾構隧道，而位于雙線盾構隧道之間的樁基Y向變形均較小，且變形均在達到最大值后趨于穩定。

3）當盾構到達樁基位置時，樁發生的樁頂最大X方向位移為4.11 mm，方向為朝向隧道方向，位于6-2樁，主要是由于該樁基位于左右線盾構之間，與雙線凈距均較小，受雙線盾構影響均較大。

3.3.3" 樁頂豎向位移

在盾構隧道施工過程中，在盾構到達樁基位置前，由于掘進壓力擠壓開挖區前方土體，激發樁頂的隆起，其中2-1、2-2、6-1和6-2樁基的樁頂隆起量明顯大于其余樁基；在盾構到達樁基位置后，因隧道開挖引起地層損失，樁頂隆起量開始減小，但總體變化值較小（圖7）。

由圖7可知，在盾構施工過程中，樁頂最大隆起為3.47 mm，位于2#承臺2-2樁基；而6#承臺6-2號樁基變形值也達到3.06 mm，可見位于雙線盾構之間樁基變形受盾構掘進影響引起樁基沉降較大。

4" 結論

本文以呼和浩特市地鐵1號線穿越鼓樓立交風險源為工程背景，對地鐵穿越城市大型立交橋樁基變形控制效果從實測數據和數值模擬兩方面進行了分析，探討穿越過程中對樁基變形的影響，得到成果如下。

1）據實測數據整理可知，在穿越鼓樓立交風險源，區間隨下穿過程中的結構控制值偏離系數最大為2.7 mm，偏離系數等級為一級，表明結構安全性能未受到盾構掘進干擾，結構安全性能損傷輕微，表明該方案在控制下穿工程中樁基變形有較好的效果。

2）不同凈距下通承臺下各樁基在隧道施工過程中的樁頂水平位移規律基本相似，這是由于承臺剛度較大，樁頂水平位移受到承臺約束的影響，基本與承臺的水平位移一致。

在施工過程中，樁發生的樁頂最大Y方向位移為-2.32 mm；當盾構到達樁基位置時，樁發生的樁頂最大X方向位移為4.11 mm，主要是由于該樁基位于左右線盾構之間，與雙線凈距均較小，受雙線盾構影響均較大。

3）加固區域取1.8 m×2 m時，最大位移為+4.70 mm，最小位移為+0.54 mm，樁基位移明顯減小；加固區域取1.8 m×2.5 m時，最大位移為+4.60 mm，最小位移為+0.3 mm，樁基位移略有減小；加固區域取2.4 m×2.5 m時，最大位移為+4.70 mm，最小位移為+0.12 mm，樁基變形基本保持穩定，故在盾構側穿橋梁樁基過程中，橫向加固區域取樁基直徑的1.5倍，豎向區域區2.5 m時，對樁基加固效果較為理想。

參考文獻：

[1] 李志明，孔德駿，應輝，等.地鐵盾構下穿橋梁的保護措施及影響性分析[J].江蘇建筑職業技術學院學報，2023，23（1）：7-13.

[2] 黃松.地鐵盾構區間隧道連續穿越既有鐵路橋影響研究[J].現代城市軌道交通，2023（2）：60-65.

[3] 孟哲瑋.雙線盾構隧道施工對鄰近橋梁樁基影響及控制措施研究[J].廣東建材，2022，38（12）：55-57，49.

[4] 汪云剛.盾構隧道施工對鄰近立交橋地層及樁基的變形影響[J].山東交通科技，2022，189（2）：99-101.

[5] 張召，鮑凱，張文一，等.盾構掘進對高架橋樁基變形影響的研究[J].工程建設與設計，2022，479（9）：14-16.

[6] 王宏宇.地鐵盾構隧道側穿城市橋梁樁基數值模擬分析[J].山西建筑，2022，48（2）：147-150.

[7] 穿越城市軌道交通設施檢測評估及監測技術規范：DB11/T 915—2012[S].2012.

[8] 混凝土結構設計規范：GB 50010—2010[S].2010.