盾構隧道小凈距正下穿橋梁樁基設計與施工

摘要：近年來，隨著軌道交通及其他市政工程的快速發展，新建軌道交通隧道無法避免小凈距下穿既有建（構）筑物。截至2022年底，成都地鐵已運營里程達約520 km，隧道穿越橋樁工程實例豐富，但小凈距正下穿橋樁尚無實例，以成都軌道交通30號線工程成功下穿新機場高速滿洲林互通立交為例，采用數值模擬、現場監測等手段綜合分析盾構隧道小凈距正下穿對橋梁的影響，結果表明：在較好地層條件下，盾構隧道以0.5D豎向凈距正下穿橋樁是可行的。研究結果可為類似地質條件下盾構小凈距正穿橋樁提供思路。

關鍵詞：盾構隧道； 小凈距正下穿； 橋梁樁基； 設計與施工

中國分類號：U452.2+6A

［定稿日期］2023-01-16

［作者簡介］劉昕銘（1987—），男，碩士，高級工程師，研究方向為隧道與地下工程。

0 引言

城市軌道交通多在城市中心修建，盾構法以其對周邊環境影響小、施工速度快等優勢，得到了廣泛應用。隨著軌道交通及其他市政工程的快速發展，新建軌道交通隧道無法避免小凈距下穿既有建（構）筑物，尤其是城市中眾多的橋梁樁基。現行規范體系中，隧道與橋樁之間的凈距是判斷風險等級的重要因素。研究結果表明：拱頂上方的樁基沉降量最大，沉降變形對合位移的貢獻率達98.7%［1］，因此，在設計階段，通常采用平面繞避、豎向拉大距離以減少隧道實施產生的風險，但在無法調整線路平、縱斷面時，隧道必須以小凈距正下穿橋樁時，如何保證二者的安全成為設計與施工的重難點。

在盾構施工對既有樁基的影響方面，國內外已經進行了一些研究，Lee等［2］采用整體有限元法分析了隧道施工對鄰近單樁與群樁的影響效應；方勇等［3］運用三維有限元法分析了不同的注漿壓力與頂推力作用下盾構施工對既有樁基的影響規律；楊永平等［4］運用有限元法研究了軟土地層中盾構施工對近接樁基的影響;魏新江等［5］推導了雙圓盾構隧道土體損失產生的三維附加應力計算公式。

目前的研究及工程實例多為隧道側穿橋樁，對于小凈距正下穿橋樁研究較少。本文以成都軌道交通30號線工程成功下穿新機場高速滿洲林互通立交為例，采用數值模擬、現場監測等手段綜合分析盾構隧道小凈距正下穿對橋梁的影響，為在類似地層條件下實施盾構隧道提供工程案例及設計思路。

1 工程概況

成都軌道交通30號線錦逸站-嬌子立交站區間長約1.6 km，采用6.28 m土壓平衡盾構機施工，隧道外徑6 m，內徑5.4 m。本區間依次穿越成自鐵路錦繡隧道、成渝高鐵跨三環路特大橋、新機場高速滿洲林互通立交、三環路嬌子立交，受前后車站位置及周邊控制性風險源影響，隧道在里程ZDK27+926～ZDK28+100范圍需正下穿新機場高速滿洲林互通立交B匝道部分樁基礎。

橋樁與盾構隧道豎向最小凈距為3 m（0.5D）。B2、B3、B5為普通圓柱墩，B4為交界圓墩。B2、B3支座類型為盆式橡膠支座，B4支座類型包括盆式橡膠支座、滑動型水平力分散型橡膠支座，B5支座類型為高阻尼隔震橡膠支座。上部橋梁構造為現澆連續梁和鋼混組合梁，采用1.6 m的雙樁基礎，樁基長25 m。橋梁底部距離地面的凈高不足3 m，橋樁位于三環路主路與輔路之間。下穿處地層主要為雜填土、黏土、全風化泥巖、強風化泥巖、中風化泥巖，隧道斷面為中風化泥巖。

隧道下穿機場高速橋樁主要涉及B0樁～B7樁，其中B2樁～B5樁范圍正下穿，其余為側下穿。橋樁及周邊環境與隧道的平面關系詳見圖1；按照隧道與橋樁接近程度，挑選了凈距較小的B1、B2樁，剖面示意詳見圖2。

2 數值模擬分析

2.1 模型的建立

采用FLAC3D有限差分軟件，根據實際情況建立三維模型，隧道結構采用殼單元，其余結構均采用實體單元。實際隧道的管片幅寬為1.2 m/1.5 m，每環管片由6塊拼裝而成，建模未考慮到環與環、塊與塊之間的柔性連接，故對殼單元的強度進行折減處理，系數取0.8［6］。

三維地層-結構模型及橋梁和隧道位置關系如圖3、圖4所示。所選取地層模型尺寸為： 288 m×140 m×80 m（X×Y×Z），包括了地層、樁基結構、高架橋承臺、梁結構。地應力場按自重應力場考慮，地下水按照隧道掘進時水位（地下6 m）考慮。地層結構采用摩爾-庫倫彈塑性模型；其余結構均采用彈性模型。模型底部約束豎向位移、四周約束水平位移，地面不設約束。

模型中的橋梁、隧道、加固措施及地層的力學參數詳見表1。

2.2 掘進過程模擬

盾構掘進過程采用“鈍化-激活”對盾構掘進及注漿加固進行模擬。

由于軟件模擬無法匹配實際掘進的工況，在盾構掘進時考慮“跳躍式”前進，隧道開挖與拼裝管片的施工按每次前進5 m考慮。模型不考慮盾尾空隙的存在，亦不考慮地面荷載［7］。

模擬計算的主要流程：

（1）初始應力場和滲流場計算，地層固結。

（2）位移清零，模擬高速橋梁及樁基施工。

（3）位移清零，施作樁基的預注漿加固。

（4）位移清零，分段掘進左、右線隧道。

2.3 模擬結果分析

計算結果如圖5、圖6所示。

（1）盾構掘進B3樁附近時，B匝道橋樁及墩臺出現明顯沉降變形，當掘進通過B7樁后，墩臺沉降趨于穩定，B1～B7樁對應墩臺最大沉降為1.95 mm。

（2）墩臺之間的差異沉降最大值發生在B7～B8樁處，為0.527 mm。從兩工程平面關系不難發現，該處為盾構隧道與B匝道平面分開處，故B8樁沉降數值較B7樁顯著降低。

（3）盾構隧道掘進全過程對橋樁的側移變形影響較小，波動幅度不明顯，最大變形量為0.641 mm。

根據JTG 3363-2019《公路橋涵地基與基礎設計規范》中的規定，沉降值小于15 mm，差異沉降值小于6 mm，樁基側移小于3 mm，均在規范允許范圍內，不影響新機場高速公路橋梁安全及正常使用。

3 設計措施

根據數值分析結果，盾構隧道正下穿橋樁造成的沉降及側移有限，但考慮到小凈距（0.5D）正下穿橋樁暫無相關工程經驗，為確保安全穿越，設計主要采取措施有：

（1）通過類似地層的掘進經驗，對掘進參數進行嚴格控制，其中主要包括：刀盤轉速、刀盤扭矩、千斤頂總推力、螺旋輸送機轉速、外加劑選擇及注入量等。

（2）盾構機穿越橋樁前，應檢查刀盤磨損情況，穿越過程中應勻速連續推進，保證掌子面的土壓平衡狀態。

（3）盾構穿越前對橋樁進行預注漿的加固措施；盾構穿越中，按照實施順序，分別進行中盾注漿、同步注漿、二次注漿，最后根據實際情況確定是否采用補充二次注漿。

（4）在采取上述各項技術措施的同時，為降低施工風險，應將跟蹤注漿（即掘進過程中的同步地層補償注漿）作為有效的補充措施，并做好相應的物資準備。

4 施工及監測

4.1 施工措施

（1）盾構參數設置。在類似地質條件下，進行試驗段的掘進，通過記錄掘進中各項參數與監測數據情況，制定了安全、合理的掘進參數，詳見表2。

（2）盾構姿態控制。通過中盾注漿孔，在掘進過程中同步注入塑性或惰性漿液，及時補償地層損失，以減少對周邊土體擾動，及時、有效填充盾構施工的建筑空隙。

（3）中盾注漿。通過中盾注漿孔，在掘進過程中同步注入塑性或惰性漿液，及時補償地層損失，以減少對周邊土體擾動，及時、有效填充盾構施工的建筑空隙。

（4）洞內注漿。由于隧道洞身基本位于中風化泥巖層中，地層裂隙情況決定了注漿壓力，在做好中盾注漿機同步注漿的前提下，洞內二次注漿以將地層填充密實為主要目的，為輔助的施工措施。

（5）跟蹤注漿。在采取上述各項技術措施的同時，為降低施工風險，應將跟蹤注漿（即掘進過程中的同步地層補償注漿）作為有效的補充措施，并做好相應的物資準備。根據試驗段經驗，對盾構掘進過程中可能造成的地層破裂影響區域作為跟蹤注漿范圍。

4.2 施工監測

本工程對隧道下穿橋樁監測的項目有：地表沉降、橋墩沉降、管線沉降、地中位移、隧道拱頂及收斂情況，限于篇幅，僅分析最直觀反應盾構掘進對橋梁產生影響的“橋墩沉降”。

B0～B7樁與隧道關系最為密切，故對該8處橋樁針對性的進行分析。橋樁B1～B5，每個樁基均布設監測點；橋樁B0、B6、B7僅靠近隧道一側的樁基布設監測點。將監測值與數值分析結果進行對比，詳見表3。

監測數據顯示，由盾構施工擾動引起的橋樁沉降在-0.35～-2.5 mm之間，最大沉降發生在B5樁，監測數據和隧道與橋樁空間關系兩者之間很難直接建立邏輯關系。

理論計算的橋樁沉降結果在-1.05～-1.95 mm之間，最大沉降發生在B2樁，從B2～B5這4處正下穿橋樁的數據來看，隧道與橋樁豎向凈距越小，引起的橋樁沉降越大。

雖然監測數據和理論計算之間存在差異，但整體趨勢基本一致，盾構隧道掘進后，橋梁結構安全。

5 結論及建議

目前該段隧道已經洞通，各項監測數據也基本穩定。通過分析監測數據和數值計算結果，針對隧道小凈距正下穿橋梁樁基的影響，得出結論：

（1）地質情況是盾構隧道能否小凈距正下穿橋樁的重要影響因素，當隧道位于穩定性較好的地層中，即使以小凈距（0.5D）正下穿樁基，盾構施工對樁基的影響也非常有限。

（2）從監測結果來看，并不是隧道越接近橋樁，掘進引起的沉降越大，這證明了盾構隧道施工對地層及臨近橋樁的影響是具有空間性、隨機性的，且與盾構機操作人員的技術水平等主觀因素有直接聯系。

（3）選取合適的施工參數并嚴格控制施工過程能大幅減少盾構掘進導致的地層損失。因此，在類似地層進行試驗段，獲得經驗參數是保障成功下穿橋樁的前提。

（4）數值模擬手段無法對實際地層的不可預測性進行模擬，其計算結果顯示，隧道與橋樁的接近程度與橋樁沉降成正比，雖然存在一定局限性，但可為判斷方案可行性提供思路。

（5）在設計階段，線路若無法避免正下穿橋樁，需避免小曲線半徑和大坡率同時發生在下穿地段，避免盾構機由于調整姿態而產生地層損失是需要考慮的重要因素。

參考文獻

［1］ 王磊，駱建軍，高立平，等，地鐵隧道斜穿施工對橋樁影響的數值分析 ［J］.北京交通大學學報，2020（9）： 24-33.

［2］ LEE C J， JACOBSZ S W. The influence of tunneling on adjacent piled foundations［J］. Tunneling and Underground Space Technology， 2006， 21： 430.

［3］ 方勇，何川. 地鐵盾構隧道施工對近接樁基的影響研究［J］. 現代隧道技術，2008，45（1）：42-47.

［4］ 楊永平，周順華，莊麗. 軟土地區地鐵盾構區間隧道近接樁基數值分析［J］. 地下空間與工程學報， 2006， 2（4）： 561-565.

［5］ 魏新江，洪杰，魏綱. 雙圓盾構施工引起鄰近樁基附加荷載的分析［J］. 巖土力學， 2013， 34（3）： 783-790.

［6］ 楊征.淺談大直徑盾構側穿橋梁樁基設計與施工［J］.四川建筑，2020（3）： 76-78.

［7］ 趙麗雅.盾構隧道近距離側穿高架橋橋樁風險分析［J］.四川建筑，2019（5）： 112-114.