地鐵盾構隧道小凈距穿越高架橋樁基數值模擬分析

吳曉騰，李海生，賈寶新

（1.中鐵十八局集團 南京地鐵項目部，南京 210000；2.遼寧工程技術大學 土木與交通學院，阜新 123000）

隨著我國社會經濟飛速發展，城市建設日新月異，但由于城市土地資源有限，城市規模擴展受到限制，因此地下空間被不斷地開發利用，隧道盾構法以其施工速度快、安全高效、地表變形小、對地面環境干擾小等優點成為城市地下空間開發的主要方法。

盾構施工對土體的擾動表現為盾構對土的擠壓和松動、加載與卸載、孔隙水壓上升與下降所引起土性的變異、地表隆起與下沉等。盾構施工引起的地層損失和盾構隧道周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土再固結，是地面沉降的基本原因。與其他形式的隧道盾構施工相比，小凈距盾構施工對已建高架橋基礎的影響預測及控制問題更為復雜、施工難度更大。基于此，地鐵盾構引起的現存樁基承載力、下沉量問題必須做出深入研究[1－4]。

文獻[5]分析地鐵施工對鄰近橋樁影響研究現狀，介紹典型實例和處理方法，提出目前研究中亟待解決的關鍵問題，并對未來的研究途徑做出展望。建成后的垂直小凈距穿越高架橋樁基安全分析等很有研究價值，可以為南京地鐵三號線盾構小凈距穿越高架橋復雜工況地表沉陷做出預測，為高質量建設地鐵提供可靠的技術支撐，為地鐵沿線建筑與工程的安全可靠性做出預測，可謂意義重大。

本文采用FLAC3D數值分析軟件分析南京地鐵3號線盾構推進過程中，從已有高速高架橋樁基下穿過，盾構施工對樁基應力和位移的影響，從而對工程的可行性和風險進行判斷。

1 工程概況

南京地鐵3號線吉印大道站 秣周路站部分區間段需要從已有高速高架橋下繞越，繞越高速為預應力連續箱梁橋，采用1000樁基礎，樁長46m，盾構隧道與樁基礎最小凈距約1.9m，樁頂距地面5m，盾構區間與繞越高速樁基之間采取地表壓密注漿加固方式，該路段擬采用盾構法施工，隧道直徑6.2m，隧道底板標高－13.392～－4.382m。隧道頂部距離地面xx m，隧道將樁基一側穿過，其中隧道外側距樁基的水平距離僅為2m左右，如圖1所示。

圖1 盾構區間鄰近橋基時加固示意圖

該段區間段土體物理力學指標如表1所示。隧道穿越土層及基礎底板下巖土層主要為③-1b1-2粉質粘土、③-2b2-3粉質粘土（局部為②-2b4淤泥質粉質粘土、③-2c-d2-3粉砂夾粉土），其中②-2b4淤泥質粉質粘土為軟弱土層、③-2c-d2-3粉砂夾粉土為易擾動土層，其他為可～硬塑土層。線路區內地質構造相對簡單，地層產狀一般比較和緩，走向北西，傾角小于30°。據區域地質資料反映，區內僅發育低序次NE和NW二組斷裂，對基巖面的起伏變化有一定的影響。

2 計算模型

2.1 模型建立

本計算采用Ansys軟件建立三維模型，然后導入到FLAC3D軟件進行計算，得出合理的模擬結果，為現場施工做出指導。模型尺寸長×寬×高為50m×30m×40m，隧道位于模型中上部，隧道中線兩側各25m，沿隧道盾構方向為30m，隧道為圓形斷面，半徑為3.1m，三層管片支護，共厚3500mm。管片單元采用六面體單元，土體及橋基采用四面體單元，圖2中三維模型共409323個單元，91207個節點，為盡可能準確地考察隧道、橋基變形和受力情況，模型中隧道、橋基附近單元格較密，遠離隧道、橋基處單元劃分較疏。

表1 土體物理力學指標

圖2 模型網格劃分

2.2 材料計算參數

土體材料參數詳見表1，管片、樁基、混凝土結構視為彈性體，具體參數見表2，運用Mohr-Coulomb屈服準則判斷土體的破壞。

表2 土體和材料參數

2.3 模擬結果分析

計算時，首先開挖盾構并迅速拼裝盾構管片成環，采用錯縫拼裝方法，再進行注漿加固。模擬中的隧道變形是在準靜態下完成的，總長30m，每次開挖3m，分10步開挖，每次開挖后隧道頂底板變形速率較大，有明顯的拐點，而后變形速率減小，變形基本停止，進入穩定階段，與實際情況相符合。

2.3.1 小凈距穿越高架橋對地表土體變形的影響 按照Peck理論分析，盾構開挖引起的地表沉降曲線近似呈高斯分布，會形成一個沉降槽[6]，根據模擬結果繪制了南京地鐵3號線小凈距穿越高架橋情況下地表土體沉降曲線，如圖3所示。

圖3 隧道施工引起的地表沉降

由圖3中可以看出，高架橋橋基無注漿加固時，靠近高架橋一側的土體變形大于另一側，隨著盾構的繼續進行，地表沉降繼續發展，但趨勢明顯趨于穩定，最大沉降量發生在隧道與橋基之間上方，約11mm左右；橋基有注漿加固時，地表沉降量明顯降低，最大沉降量向隧道一側移動，最大沉降量約8mm。

2.3.2 小凈距穿越高架橋受力影響分析 通過模擬隧道穿越已有高架橋樁基，其最大主應力分布如圖4和圖5所示，由圖4和圖5中可以看出，最大主應力位于橋梁樁基底部，隧道頂板、側底45°位置主應力較大，注漿加固起到了一定的效果。圖3中隧道右幫中部距離橋基2m，該處最大主應力較小，樁基的影響最大主應力得到了一定程度的釋放。

圖4 樁基中截面處樁基與隧道最大主應力分布云圖

圖5 隧道管片三維最大主應力云圖

圖6 樁體中截面處樁體與隧道剪切應力云圖

由圖6可以看出，盾構穿越樁基附近其剪切應力影響較小，隧道右幫下側剪切應力較大，主要原因為盾構機向前推進過程中，土體與管片單元摩擦加大，導致剪切應力加大，現場施工時應適當調整施工參數、減小盾構推力，勻速推進。

2.3.3 凈距對隧道穿越高架橋位移影響分析 當隧道埋深在12m情況下，取隧道與高架橋間凈距為1.0m、2.0m、3.0m、4.0m、5.0m和6.0m下重新進行有限元模擬，在地表和樁基頂部設置監測點，監測其位移變化，得到圖7和圖8所示結果。

圖7 不同凈距下地表最大變形量

圖8 不同凈距下樁基頂部位移變化

隧道開挖對地表變形、樁基頂部位移變化的影響是設計者最關心的問題之一。在圖7模擬的不同凈距下，盾構小凈距穿越高架橋樁基引起的地表水平位移和豎直位移在10 mm以下，且豎向位移大于水平位移。圖8模擬的不同凈距下，樁基頂部豎直位移和水平位移隨著凈距的增加而減小，凈距越小位移變化率越快，當凈距小于2.5m時，樁頂水平位移大于豎直位移。

3 計算結果與現場監測數據對比

在南京地鐵三號線盾構小凈距穿越高架橋樁基礎施工中對樁軸力進行了實測，本文重點就盾構過程中橋墩軸力和豎向位移進行分析。在樁基頂部向下約2m處向樁身鉆孔，鉆入深度約為樁徑的1／3，安裝應力盒，并用速凝混凝土澆注振搗密實堵孔，保持應力盒受力狀態良好并能靈敏反應樁內軸力的變化情況。同時，樁基豎向位移監測采用精密水準測量方法，控制網采用一等水準測量精度要求施測，觀測點采用二等水準測量精度要求施測，監測精度為0.3mm。監測第一天盾構機掘進到高架橋附近，第二天開始下穿施工，現場監測過程中，每天記錄一次數據。

樁基軸力、豎向位移計算值與實測值對比情況如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知，隧道施工對樁基軸力和豎向位移影響的實測值與數值模擬結果在總體規律上較為吻合，所不同的是樁基軸力實測值大于計算值，樁基豎向位移實測值小于計算值，主要原因在于：FLAC3D數值模擬考慮的是樁基底段軸力變化情況，而現場實測值是樁頂附近軸力變化情況；同時這兩部分側摩擦阻力不同，現場實測含有側向摩擦阻力，而計算中未考慮，故樁基豎向位移實測值小于計算值，其在數值上有一定的差異，總體趨勢相同，因此可以說明本文中數值模擬結果的可靠性。

圖9 樁基軸力實測值與計算值對比曲線

圖10 樁基豎向位移實測值與計算值對比曲線

盾構未到達樁基階段，樁基豎向位移曲線變化較小，現場實測豎向位移在0.3mm附近；盾構到達樁基階段，土體擾動加劇，帶動樁基快速產生向上位移，樁基豎向位移迅速由負向轉正向，盾構過程中，不斷的開挖支護導致樁基軸向應力、豎向位移波動，現場實測樁基豎向位移控制在1.5mm以下；盾構離開樁基階段，土體擾動減小，隧道管片支護作用明顯，樁基位移進入穩定階段，現場實測豎向位移在1mm附近。

4 結 論

通過模擬地鐵盾構小凈距穿越高架橋樁基的整個施工過程，分析了隧道小凈距從已有高架橋樁基穿過過程受力和變形，得出以下主要結論和建議：

1）盾構推進過程中，地表和樁基的受力和變形受到整個施工過程的影響，地表最大變形量大于樁基頂部變形量，隧道右幫下側管片應力較大，注漿加固時對減小地表和樁基的受力和變形影響效果顯著。

2）從仿真模擬計算結果知，凈距對隧道穿越高架橋橋基和地面的位移影響較大，施工時應適當調整施工參數、減小盾構推力，勻速推進。

3）通過與現場監測對比分析，樁基軸力和豎向位移實測值與數值模擬結果在總體規律上吻合，數值模擬結果可以為現場提供參考。

4）為了保證現場施工過程中樁基的安全穩定，建議控制好施工參數，加強跟蹤監測，必要時進行跟蹤注漿加固。

[1]Loganathan N，Poulos H G，Stewart D P.Centrifuge Model Testing of Tunneling-induced Ground and Pile Foundation[J].Geotechnique，2000，50（3）：283-294.

[2]楊曉杰，鄧飛皇，聶雯，等.地鐵隧道近距穿越施工對樁基承載力的影 響 研 究 [J].巖 石 力 學 與 工 程 學 報，2006，25（6）：1290-1295.

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[6]Peck R B.Deep Excavations and Tunneling in Soft Ground[M].New York：Published by ASCE，1984.