軟弱地層盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋梁樁基影響分析

【中圖分類號】：U445.43 【文獻標(biāo)志碼】：C 【文章編號】：1008-3197（2025）02-25-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.02.006

Research on the Influence of Shield Tunnels in Weak Strata on Bridge Pile Foundations

LI Jianqiang1，YUQi2，ZHANG Jiawei2

（1.TianjinBinhaiNewAreaRailransitIvestmentamp;DevelopmentoLd.Tianjin3Oo450，China；2.TianjinMunicipalEging Designamp;ResearchInstituteCo.Ltd.，Tianjin30o392，China）

【Abstract】：Inorder to research the impact of subway shield tunnelconstructiononadjacent bridge pile foundations，Midas GTS NX finiteelement numerical analysis software Was used to simulate the actual construction conditions of shield tunnelexcavation and analyze the deformationof bridge pile foundations during shield tunneling.The resultsshowthattheconstructionof intermediate tunnels in weak strata hasacertain impactonthe deformationof adjacent bridges.The maximum verticaldeformationof the bridge is 4.25mm，the maximum horizontal deformation is 2.19 mm，and thesettlement diference betweenadjacent piers andabutments is 2.39 mm.The numerical calculation is basicallyconsistentwith the on-site measured data，and thedeformation of the bridge structure meets the control requirements.

【Key words】：shield tunnel； urban bridges；weak strata

地鐵隧道在施工過程中會遇到下穿或鄰近城市橋梁樁基的情況，目前國內(nèi)已有眾多隧道穿越橋梁的工程案例＼～5]。王麗等對比分析樁長、車輛荷載等因素對隧道穿越橋梁樁基后變形情況的影響；趙方彬指出盾構(gòu)施工參數(shù)、注漿加固參數(shù)等因素對既有橋梁結(jié)構(gòu)變形控制的影響。通過對比分析各地盾構(gòu)隧道穿越橋梁的變形情況，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)類型對橋梁變形影響較大。本文依托天津濱海地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道側(cè)穿西中環(huán)快速路工程，借助midasGTSNX軟件，針對濱海地區(qū)特殊軟弱地層，分析地鐵施工對既有橋梁的影響，同時提出軟弱地層下盾構(gòu)穿越橋梁的加固方案。

1工程概況

1.1既有橋梁與地鐵工程

天津濱海某地鐵盾構(gòu)區(qū)間為單洞單線，左右線各一條盾構(gòu)法隧道，分別以 5.098%c？5.091%o 下坡側(cè)穿西中環(huán)快速路立交橋及其匝道橋。區(qū)間穿越西中環(huán)快速路立交橋樁基段覆土厚度約 9.42m ，穿越位置位于橋樁中上部，與橋樁最小水平凈距 3.002m 。見圖1。

圖1 區(qū)間隧道下穿橋梁

西中環(huán)快速路高架橋主線橋樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑 1.5m ，樁長 西中環(huán)快速立交橋主橋下部結(jié)構(gòu)為承臺 + 樁基礎(chǔ)，承臺下方為4樁或6樁。匝道橋均為路基段 + 橋梁段，路基段設(shè)置擋墻，采用擴大基礎(chǔ)。西中環(huán)快速立交橋主橋?qū)?40m ，為雙向8車道。

盾構(gòu)隧道采用C50高強混凝土預(yù)制管片拼裝而成，內(nèi)徑 5.9m 外徑 6.6m ，每環(huán)管片寬度 1.5m 。每環(huán)襯砌環(huán)由1塊封頂塊K、2塊鄰接塊L、3塊標(biāo)準(zhǔn)塊B組成，采用錯縫拼裝的拼裝方式。管片之間采用螺栓連接，螺栓的機械性能等級為8.8級。

盾構(gòu)穿越西中環(huán)快速路前 100m 作為盾構(gòu)掘進試驗段，總結(jié)盾構(gòu)施工經(jīng)驗及施工參數(shù)；盾構(gòu)穿越期間及時進行同步注漿和二次注漿；穿越段采用多孔注漿管片，對鄰近樁基一側(cè) 范圍內(nèi)深孔注漿，漿液為雙液漿，注漿壓力為 0.3～0.5MPa 。

1.2工程與水文地質(zhì)

沿線場地地勢平坦，地層巖性分布相對均勻，土層主要為素填土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉砂，局部存在淤泥質(zhì)黏土。不良地質(zhì)作用主要為地面沉降、液化土層及軟土震陷。

潛水含水層水水位 -1.47～1.82m ，埋深 1.9～3.8 m，初見水位不明顯，接受大氣降水和地表水入滲補給；排泄方式主要有蒸發(fā)、人工開采和下滲補給下部承壓水。潛水水位一般變幅在 。

2有限元分析

為計算盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿對西中環(huán)快速立交橋的影響，采用有限元分析軟件midasGTSNX按照實際尺寸對各土層、盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)、既有橋梁結(jié)構(gòu)建立整體三維有限元計算模型。

2.1模型范圍

盾構(gòu)隧道在開挖過程中主要影響3＼～5倍隧道洞徑范圍內(nèi)的巖土體內(nèi)力與變形8。為消除模型邊界效應(yīng)， X 軸方向取 200m ，Y軸方向取 150m，Z 軸方向取80m 。模型共劃分單元224747個，節(jié)點157079個。見圖2。

2.2計算假定

1）盾構(gòu)隧道在施工期間，僅考慮既有橋梁結(jié)構(gòu)正常使用工況。

2）各土層為各向同性材料；結(jié)構(gòu)體的變形、受力均在彈性范圍內(nèi)。

3）計算中忽略構(gòu)造應(yīng)力，將初始應(yīng)力場假定為自重應(yīng)力場，同時將土體視為彈塑性連續(xù)體，施工中產(chǎn)生的變形連續(xù)。

隧道周邊巖土體與加固體采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)，橋梁、盾構(gòu)管片等結(jié)構(gòu)材料采用彈性本構(gòu)。土體、加固體與橋梁墩臺采用實體單元，盾構(gòu)區(qū)間襯砌采用板單元，樁基采用梁單元。模型建立時設(shè)置橋梁樁基與土體的界面關(guān)系，盾構(gòu)施工過程中考慮樁基與土體的接觸作用。

2.3計算參數(shù)

由于區(qū)間隧道所處地層以粉質(zhì)黏土為主，故回彈模量取壓縮模量的5＼～7倍。見表1和表2。

2.4荷載與邊界

根據(jù)JTGD60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》要求，計算橋梁上方結(jié)構(gòu)自重等恒載、車輛荷載與人群荷載等活載，按照均勻分配原則，將荷載施加在橋梁樁基的頂部。

模型頂面為自由面，無約束；底面 X，Y，Z 方向均約束；模型4個側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無約束。

2.5計算步驟

采用動態(tài)模擬施工過程的計算方法，按盾構(gòu)隧道開挖工序和橋梁樁基保護的實際施工順序進行數(shù)值分析計算。模擬實際開挖步驟，深孔注漿層強度逐漸上升；左右線分部施工。

工況1：初始地應(yīng)力計算，位移清零。

工況2：生成橋梁結(jié)構(gòu)，施加橋梁荷載與地面超載，位移清零。

工況3＼～65：區(qū)間左線隧道施工，包括左線隧道盾構(gòu)管片拼裝、深孔注漿加固共63個工況。

工況66＼～128：區(qū)間右線隧道施工，包括右線隧道盾構(gòu)管片拼裝、深孔注漿加固共63個工況。

由于計算過程中不考慮地面荷載及自重情況下地面已經(jīng)產(chǎn)生的先期位移，只考慮區(qū)間隧道施工引起的附加位移，故在步驟2中對位移清零。

2.6計算結(jié)果

隧道側(cè)穿樁基施工完成后，樁基的變形以豎向沉降為主，樁基的水平變形朝著靠近區(qū)間隧道方向。見圖3和圖4。

左線隧道施工完成后橋梁樁基豎向變形最大值為 2.97mm ，水平變形值為 -1.36～1.52mm ；左右線隧道施工完成后橋梁樁基豎向變形最大值為 4.25mm ，水平變形值為 -1.91～2.19mm 。由此可以看出，隧道施工完成后，對周邊土體產(chǎn)生擾動，土體應(yīng)力有釋放再固結(jié)的過程，降低樁基周邊土體對樁的豎向承載力，樁基產(chǎn)生豎向沉降，同時隧道開挖完成后，當(dāng)注漿慢于兩側(cè)土體向洞內(nèi)變形時，樁基隨著土體產(chǎn)生靠近隧道方向的水平位移值。

通過對比不同位置樁基的變形值，可以發(fā)現(xiàn)位于左右線區(qū)間隧道中間的樁基豎向變形最大，位移值為4.25mm ；左右線隧道兩側(cè)樁基豎向變形較小，位移最大值為 2.17mm 。而樁基水平變形值的變化規(guī)律與豎向變形相反，位于左右線隧道中間的樁基水平變形最大值為 0.40mm ；左右線隧道兩側(cè)樁基水平變形較大，位移值為 2.19mm 。主要原因在于左右線區(qū)間隧道施工對樁基變形的影響有疊加效應(yīng)。

2.7結(jié)果分析

JTG5120—2021《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》第4.9.1節(jié)要求，橋梁墩臺基礎(chǔ)的容許沉降值與位移值：

1）墩臺的總沉降值不得超過

2）相鄰墩臺的總沉降差值不得超過

3）墩臺頂面水平位移值不得超過 O

L 為相鄰墩臺的跨徑，當(dāng) Llt;25m 時，仍按照 25m 計算。

西中環(huán)快速路立交橋相鄰墩臺的最小跨徑為27.79m ，故按照上述規(guī)范要求，墩臺的允許總沉降值為 105.43mmgt;4.25mm ，相鄰墩臺的允許總沉降差值為 52.72mmgt;2.39mm ，墩臺頂面充許水平位移值為26.36mmgt;2.19mm 。由此可以看出，盾構(gòu)隧道施工完成后，橋梁的變形值均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

根據(jù)Q/TRT-TT-006—2016《天津軌道交通地下工程施工監(jiān)測參考通用圖》、CJJ99—2017《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)合既有橋梁的實際使用情況，制定橋梁變形控制標(biāo)準(zhǔn)：豎向變形、水平變形與差異沉降累計值為 6mm 。

3施工監(jiān)測

為進一步探究盾構(gòu)隧道施工對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，驗證設(shè)計方案中對橋梁結(jié)構(gòu)保護方案的合理性，在區(qū)間隧道左右線下穿既有橋梁期間，對橋梁結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測。見圖 5

隨著時間的推移，位于左右線隧道之間的樁基豎向變形逐步增加，在左線隧道施工完成后，最大沉降值為2.4mm，在左右線隧道施工完成后，最大沉降值為 3.7mm ，與有限元分析結(jié)果基本一致且滿足變形控制要求，充分說明區(qū)間隧道下穿橋梁的安全性與設(shè)計方案的合理性。

4結(jié)論與建議

1）區(qū)間隧道側(cè)穿橋梁樁基，位于左右線區(qū)間隧道中間的樁基豎向變形為 4.25mm ，兩側(cè)樁基豎向變形為 2.17mm 。而位于左右線隧道中間的樁基水平變形值為 0.40mm ，兩側(cè)樁基水平變形值為 2.19mm ，可發(fā)現(xiàn)橋梁變形值滿足規(guī)范限值要求，且左右線區(qū)間隧道施工對樁基變形的影響有疊加效應(yīng)。

2）根據(jù)施工過程中的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，在左線隧道施工完成后，橋梁樁基最大沉降值為 2.4mm ，在左右線隧道施工完成后，最大沉降值為 3.7mm ，與有限元分析結(jié)果基本一致，且滿足變形要求。

3）天津的地層以粉質(zhì)黏土為主，地質(zhì)條件較差，地下水位高，盾構(gòu)開挖對周邊土體、既有建構(gòu)筑物變形的影響程度較大，在施工過程中需加強對外部環(huán)境的監(jiān)測

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