淺析盾構施工對高架橋樁基的影響

倪煌俊,嚴峻

（1.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230001；2.中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

隨著城市地鐵建設的發展，加之城市本身復雜的特性，原有的城市高架橋與新建地鐵隧道不可避免的會交織在一起，相互間會產生一定的影響[1]。當隧道與高架橋接近時，既有高架橋會受到新建隧道的施工產生不利影響，造成高架橋承載能力下降，或因不均勻沉降造成高架橋破損或不能正常使用等問題[2]，同時也妨礙了隧道的安全施工。本文所選取的樁均為端承樁，盾構法施工時樁體應力基本上沒有什么變化，本文不做過多的討論，計算時從樁頂位置開始，每2m為一個間距在樁身布置觀測點，分析盾構法施工對高架橋樁基位移的影響。

1 工程概況及模型參數

1.1 工程概況

圖1 樁體與盾構位置關系圖

本文依托合肥市地鐵一號線馬鞍山路段中盾構下穿馬鞍山路高架橋。地鐵盾構隧道直徑為6.0m，襯砌為0.3m，注漿層厚度為0.15m，埋深為12m。依據隧道開挖的影響范圍，參考既有的計算經驗和實際的工程條件，左右邊界取為隧道外徑的3倍，即18m，模型底部取距隧道中心27m，最后整個計算模型寬42m、高40m，縱向長度為40m（每環管片幅寬1.0m）。所以模型尺寸為42m×40m×40m,其中水平y方向為42m,數值y方向為40m（樁長方向），z方向（隧道掘進方向）為40m。樁端為中風化泥質砂巖的持力層且樁端進入巖層至少2m，為端承樁，樁長27m，樁頂荷載擬取1800kN。樁洞距s，即樁距離盾構中心的距離取s=9m[3]（見圖1）。

1.2 相關參數

1.2.1 土體數值相關參數

1.2.2 管片及樁體相關參數

隧道襯砌結構用的管片采用C50混凝土材料制作而成，數值模擬時將襯砌結構管片單元設置為孔模型（Null）。在進行管片模擬支護時，將盾構管片設置為各向同性彈性模型（Elastic)，管片及樁體相關參數（見表2、表3）。

土體數值模擬計算參數 表1

盾構管片混凝土材料計算參數 表2

2 數值模擬計算

2.1 模型的建立

根據上述說明，建立下圖的三維數值計算模型（見圖2、圖3）。為方便模擬計算，隧道的縱向施工長度為2.0m/次。

圖2 整體模型圖

圖3 管片與樁的關系圖

2.2 計算結果

盾構開挖面到觀測截面的水平距離為H，當H的數值為正，說明盾構機朝著樁體的位置進行推進；當H的數值為負，說明盾構機已經離開樁體所在位置并逐漸遠離樁體。通過計算得出盾構在 H=14m、H=8m、H=2m、H=-16m、H=-20m時的樁體所在截面的土體豎向位移圖（見圖4～圖8）。

圖4 H=14m時樁體所在截面的土體豎向位移圖

圖5 H=8m時樁體所在截面的土體豎向位移圖

圖7 H=-16m時樁體所在截面的土體豎向位移圖

圖6 H=2m時樁體所在截面的土體豎向位移圖

當開挖完成后，根據不同H時的土體豎向位移圖，提取相關位置觀測點的變化，得出不同施工階段的地表沉降曲線（見圖 9）。

圖8 H=-20m時樁體所在截面的土體豎向位移圖

圖9 不同施工階段的地表沉降曲線

由圖9可知，盾構施工對地表沉降的影響，一般呈現出隨著開挖步距的推進，地表沉降逐漸增大的規律。另外，地表沉降發生最大沉降通常在盾構樁體所在的位置，即當H=-20m（即完成整個模型的開挖）時，此時的地表沉降最大為14.094mm，方向豎直向下。

通過計算得出不同施工階段沿樁身方向樁體豎向位移與水平位移變化規律（見圖10～圖11）。

由圖10可知，由于樁體本身的剛度比較大，所以樁體在豎直方向上的位移很小，且沿樁身方向遞減，產生這一現象的最主要的原因是由于樁體底部因土體位移使樁體在水平方向上發生了撓曲變形。樁頂的最大沉降發生在盾構施工完成后，大致為1.7174mm，方向豎直向下。

由圖11可知，樁體水平位移大致呈現出沿樁身方向逐漸減小的趨勢，埋深約為15m時，樁體水平位移隨著深度的增加而增大，當到埋深約為20m時，樁體水平位移又逐漸減小。各施工階段的最大水平位移均發生在樁頂部附近，最大為-2.166mm，結合端承樁自身的特點以及樁端處有堅實的巖層支撐的緣故，所以樁端處基本不發生水平位移，可認為水平位移為0mm。

當H=14m時，樁體的水平方向位移從樁頂至樁底基本上沒有太大的變化，基本上呈直線的狀態,能夠說明此時的盾構施工并未對樁體水平位移造成影響。當H=8m時，樁頂水平位移最大，位移值為-1.4583mm，說明盾構施工已經對樁體的水平位移造成影響。H=2m時，此時的盾構施工的開挖面已經非常靠近樁體，樁頂水平位移為-1.7697mm。H=-16m時，此時的盾構施工的開挖面已經遠離樁體所在位置，樁頂水平位移為-2.166mm。H=-20m，樁頂水平位移為-2.0815mm。相對H=-16m時變化很小，說明此時盾構施工對樁體影響已經很小。

圖10 樁體豎向位移圖

圖11 樁體水平位移圖

3 結 論

本文運用有限差分法模擬盾構施工對高架橋樁基的影響，分析了盾構施工時地表沉降、樁體豎向和水平位移的變化規律，得出以下結論。

①盾構施工對地表沉降的影響，一般呈現出隨著開挖步距的推進，地表沉降逐漸增大的規律，隨著樁離盾構中心線距離增大而逐漸變小，地表沉降曲線形式與數理統計中的正態分布曲線形式相似。當S=9m時地表最大沉降為-14.094mm。

②盾構施工對樁體水平位移的影響要大于豎向位移，樁體自身的位移且遠小于樁基附近地表沉降。

③盾構施工時，樁體水平位移在樁體頂部最大，沿樁身方向水平位移逐漸變小，但到當樁體埋深15m時，即與盾構中心線在同一水平線上時是一個拐點，沿樁身方向逐漸增大，至埋深約20m時，由于遇到巖層，樁體水平位移沿樁身方向遞減，最后在樁端為0。

[1]侯玉偉.盾構隧道側向穿越樁基時對樁體土體及地面變形的影響[J].城市軌道交通研究,2010(5).

[2]劉庭金，魏立新，房營光，等.隧道建設對緊鄰高架橋影響的三維數值分析[J].巖土力學，2008(5)．

[3]孫宗軍.盾構施工與樁基礎相互作用的三維力學分析與研究[D].南京：東南大學，2005.