盾構施工對高速鐵路橋梁樁基的影響分析及防護措施

李 波

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

近年來，隨著新建地鐵下穿既有橋梁工程的大量涌現，如何保證地鐵施工過程中既有橋梁的安全至關重要。地鐵隧道盾構施工法因具有對周圍環境影響小、施工安全快速等優點已成為地鐵建設的主流施工方法［1］。盾構施工由于超挖、頂推力、盾尾空隙、注漿等因素的影響，不可避免使地層產生位移［2］，從而降低了既有結構的基礎承載力，同時引起附加變形、差異沉降以及側向位移。地層變形達到一定程度后就會危及鄰近結構物的安全［3-4］。如何預測盾構穿越既有結構所引起的地層位移，確保既有結構的正常使用和盾構的順利掘進，是盾構隧道設計與施工中的關鍵技術問題［5］。國內外學者對此進行了大量研究，文獻［6-9］分別對地鐵盾構下穿房建樁基、公路橋梁樁基和普通鐵路樁基等實際工程進行了分析，并歸納總結了盾構施工對樁基的影響機理。文獻［10］對地鐵盾構下穿京津城際高速鐵路段路基研究發現，對下穿段一定范圍內的土體進行注漿加固，可有效控制施工引起的路基沉降。然而，對于盾構下穿高速鐵路橋梁樁基的實例研究較少。本文結合南京城軌線工程，對盾構下穿京滬高速鐵路橋梁樁基的施工過程進行數值模擬，計算分析盾構施工對橋梁樁基的影響，同時提出施工防護措施，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

南京至高淳城際快速軌道祿口機場至南京南站工程(簡稱城軌線)，長約34.9 km，其中高架段長約16.3 km。本次下穿京滬高速鐵路橋梁段位于勝太路站～南京南站區間，線路由西南向東北穿行，在下穿大片臨建片區及規劃龍西立交至機場路后沿道路向北行進，于里程ZDK33+625—ZDK33+650(左線)從京滬高速鐵路跨秦淮新河特大橋37～39號墩之間穿越，隧道埋深26～28 m。左線隧道洞身距樁基最小凈距僅6.4 m，右線隧道與樁基最小凈距為8 m，如圖1所示。由于高速鐵路對線路的平順性要求高(兩軌面差異沉降不得大于5 mm，相鄰兩墩臺工后沉降差不得大于5 mm)，且隧道外邊緣至高鐵橋梁樁基的凈距小，因此研究盾構法施工隧道對京滬高速鐵路橋梁樁基的影響規律，確保盾構施工的順利進行和京滬高速鐵路的正常運營十分必要。

圖1 盾構隧道與鐵路橋梁樁基的位置關系

隧道穿越橋墩處巖性從上至下主要有:①-2b2-3素填土，由軟～可塑狀粉質黏土組成;③-1b1-2粉質黏土，可塑～硬塑，中壓縮性;③-2b2-3粉質黏土，軟～可塑，中壓縮性;K1g-2強風化粉砂巖，風化強烈，巖芯呈砂土狀;K1g-3中風化粉砂巖，風化較弱，巖石較完整。

2 有限元數值模擬

2.1 有限元模型的建立

采用Abaqus軟件建立橋梁樁基、土體和隧道的三維有限元模型，分析模型沿隧道縱向取30 m，橫向取100 m，土體厚度為40 m。模型中土體、管片結構、注漿層和承臺樁基均采用八節點實體單元模擬。樁基和土體分別采用線彈性材料和彈塑性材料模擬，樁土間摩擦效應采用面—面接觸單元模擬，土體的本構關系服從Mohr-Coulomb彈塑性屈服準則［11］。邊界采用位移邊界，頂板為自由邊界，側面僅約束水平位移，底部僅約束垂直位移。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.2 計算參數

盾構施工對地層的擾動采用綜合地層損失來模擬。參照已有施工經驗，以0.5%地層損失率作為直線段正常施工時的取值，此時工作面徑向位移經換算為8 mm。土體、承臺和樁基礎的計算參數見表1。

表1 計算參數

2.3 盾構施工過程模擬

盾構施工是一個動態過程，盾構法施工主要分為3個階段:第1階段是土體開挖階段，旋轉盾構機前端的全斷面切削刀盤來切削開挖面的土體，通過殺死盾構機處所在單元來模擬開挖土體，同時施加150 kPa的均布頂進力;第2階段是襯砌(管片)拼裝、注漿階段，盾構機向前推進一定長度(即襯砌或管片的寬度)后，進行襯砌(管片)的拼裝及盾尾注漿，通過設置10 cm厚的等代層來模擬漿體材料，此時，由于盾構密封艙的脫離，隧道洞室表面的土壓力主要由從盾尾向襯砌環外圍注入的漿體壓力來平衡;第3階段是盾尾脫離階段，填充在襯砌(管片)和土層間的注漿材料逐漸凝固，強度不斷增加，此時通過增加襯砌單元來模擬。

在施工過程中，隨著盾構與樁基間距離的不斷變化，盾構施工會對樁基產生持續的影響。在不同施工階段，盾構施工對樁基的影響機理和程度均有所不同。

3 計算結果分析

樁基布置見圖3。其中，角點1、2靠近左線隧道開挖線，因4個角點變形規律相似。本文選取左右線隧道之間距隧道最近的38號橋墩處具有代表性(對盾構施工的影響最為敏感)的樁基進行分析，探究盾構施工過程中樁頂周圍土體及樁基位移的變化規律。

圖3 樁基布置

3.1 樁基沉降分析

沉降較大的1號樁頂部及其周圍土體節點的沉降值隨隧道開挖步的變化趨勢如圖4所示。

圖4 沉降值隨隧道開挖步的變化趨勢

由圖4可知，土體節點沉降的發展規律與樁基類似，但土體節點沉降量始終大于樁基，且1～3步的沉降量增幅較4～6步大。樁基和土體的沉降差異說明它們之間產生了滑移，這種滑移隨著開挖步數的增加而逐漸增大，最終滑移量約為1.27 mm。

3.2 樁基側移分析

側移量較大的1號樁的頂部、中部、底部的x方向(順橋向)位移隨隧道開挖步的變化情況如圖5所示。

圖5 1號樁x向位移隨隧道開挖步的變化趨勢

由圖5可知，樁基底部向遠離隧道方向偏移(位移為正值)，樁頂部向靠近隧道方向偏移(位移為負值)，樁基頂部產生的位移最大。這是由于該隧道埋深較大，盾構掘進過程中，盾構機對土體的擠壓使隧道兩側的土體向遠離隧道的方向移動，從而引起樁基底部發生遠離隧道的側移，而隧道開挖引起隧道上覆土體向隧道內移動，土體的移動帶動樁基的上半部分發生靠近隧道的側移。另外，左線開挖結束時，1號樁頂部的x向位移為－2.25 mm;右線開挖結束時，其x向位移為－1.31 mm，說明左線隧道開挖對樁基的影響較大，這是因為左線隧道距離樁基較近。

受盾構機頂進力的影響，樁基還將在y方向(盾構掘進方向)產生側移。1號樁在不同開挖步y方向的側移如圖6所示。

圖6 樁基y向側移隨隧道開挖步的變化趨勢

由圖6可知，1號樁頂部的位移大于中下部，可見樁基在y方向也會發生傾斜。在隧道開挖過程中，隨著盾構機的靠近，樁基y向位移增大，頂進力對樁基的影響變大;隨著盾構機的遠離，樁基y向位移逐漸減小，頂進力的影響逐漸變小。

3.3 樁基內力分析

隧道開挖過程中，樁基和土體之間產生了沉降差，其對樁基會產生一定的附加力。隧道開挖后1～4號樁的樁身附加軸力如圖7所示。

圖7 樁基附加軸力分布

由圖7可知，隨著隧道的開挖，樁身軸力均有增大，軸力增幅最大處約在樁長9～16 m的位置，且1號和2號樁的附加軸力較大，在樁身15 m左右的位置其軸力分別增至164 kN和180 kN。盾構施工引起的樁基附加軸力會對橋梁的地基帶來不利影響。

4 防護措施

由上述盾構施工對樁基的影響分析可知，盾構施工會引起樁基沉降和側移，使樁身的軸力增大。其擾動作用會引起橋墩的變位，從而給高速鐵路的安全運營帶來風險。因此，除了在盾構施工過程中嚴格控制盾構掘進的施工參數和減少土體擾動外，在施工前也必須采取主動防護措施，盡量消除盾構施工對高速鐵路橋梁樁基的影響。

常用的主動防護措施主要有地層注漿加固、隔離防護樁阻隔、樁基托換和結構頂升等。由于設置隔離防護樁的風險最易控制，本項目選用此措施。在隧道與橋梁樁基之間設置一排鉆孔灌注隔離樁，采用分批次跳躍施工。隔離樁直徑1.0 m，間距1.5 m，距隧道外邊緣凈距0.5 m，隔離防護樁的樁身伸入隧道底以下1 m，防護長度沿隧道線路方向超出鐵路橋梁樁基6 m左右。隔離防護樁的樁頂設置1.1 m×0.8 m冠梁，冠梁間采用0.4 m厚鋼筋混凝土梁支撐，冠梁及橫撐加強了各隔離樁之間的聯系，從而形成剛性隔離墻，能有效阻隔隧道施工對橋梁樁基的擾動。

在設置隔離防護樁及隧道盾構施工全過程中，對38號橋墩墩底和墩頂的縱橫向位移及沉降進行了監測，其中墩底值為承臺4個角點監測的平均值。選取38號橋墩墩底和墩頂的縱橫向位移及沉降最大值，對其設置隔離防護樁前、后的理論計算值和監測值進行了對比，見表2。

表2 38號墩墩底和墩頂縱橫向位移及沉降最大值 mm

由表2可以看出，設置隔離防護樁能大大降低盾構施工對橋墩縱橫向位移的影響，橋墩的沉降也得到較好的控制。設置隔離防護樁后橋墩位移和沉降的監測值與理論計算值吻合較好，驗證了隔離防護樁的有效性。

5 結論

1)隧道盾構掘進過程中，樁基和土體不但會產生沉降，而且相互之間還存在沉降差。隨著隧道的開挖，其沉降差逐漸增大。

2)隧道盾構掘進過程中，樁基發生傾斜，樁基底部向遠離隧道方向偏移，樁基頂部向靠近隧道方向偏移，且樁基頂部產生的位移最大。距隧道越近，樁基受開挖的影響越大。

3)盾構掘進引起的地層擾動使樁基和土體之間產生沉降差，從而導致樁基產生附加力，承載力降低。

4)對設置隔離防護樁前后橋墩位移和沉降的理論計算值和監測值進行了對比，設置隔離防護樁后的理論計算值與監測值吻合較好，說明設置隔離防護樁能有效減小盾構施工對橋梁樁基的擾動。

［1］周文波.盾構法隧道施工技術及應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2004:21-22.

［2］胡雄玉.不同加固方式下盾構施工對橋梁樁基影響的研究［J］.鐵道建筑，2013(2):75-77.

［3］張志強，何川.地鐵盾構隧道近接樁基的施工力學行為研究［J］.鐵道學報，2003，25(1):92-95.

［4］李強，王明年，李德才，等.地鐵車站暗挖隧道施工對既有樁基的影響［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(1):184-190.

［5］張海波，殷宗澤，朱俊高.地鐵隧道盾構法施工過程中地層變位的三維有限元模擬［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(5):755-760.

［6］劉楓，年廷凱，楊慶，等.隧道開挖對鄰近樁基工作性能的影響研究［J］.巖土力學，2008(增):615-620.

［7］劉波，陶龍光，李希平，等.地鐵盾構隧道下穿建筑基礎誘發地層變形研究［J］.地下空間與工程學報，2006(4):621-626.

［8］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(1):42-47.

［9］高爾新，陳志廣，李魯，等.盾構隧道施工引起的地層位移對既有橋梁樁基的影響分析［J］.科技導報，2007，25(19):53-56.

［10］徐干成，李成學，王后裕，等.地鐵盾構隧道下穿京津城際高速鐵路影響分析［J］.巖土力學，2009(增2):269-273.

［11］許宏發，吳華杰，郭少平，等.樁土接觸面單元參數分析［J］.探礦工程，2002(5):10-12.