北京地鐵14號線高家園站－望京站區間單洞雙線盾構臨近穿越群樁的響應與防護

黃愛軍

(上海市城市建設設計研究總院，上海 200125)

0 引言

隨著盾構施工技術的不斷完善，繁忙鬧市地區地下工程施工中出現了越來越多的單洞雙線盾構區間。盾構直徑越大，其施工影響范圍和影響能力越大。這類課題越來越引起了國內外工程界的關注。N.Loganathan等［1］通過離心模型試驗得出了隧道開挖引起的地層移動和對于鄰近樁基的影響;朱合華等［2］應用不連續模型分析了盾構施工過程的內力變化;王善勇等［3］運用RFPA2D程序對廣州地鐵二號線盾構開挖對均勻地基沉降的影響，但未考慮樁基的承載特性的影響;朱逢斌等［4］通過采用摩爾－庫倫彈塑性屈服準則，研究軟土地區盾構隧道施工對鄰近樁基的影響規律;張海波等［5］采用三維非線性有限元方法，分析了盾構近距離掘進施工全過程對橋梁樁基的影響分析;王炳軍等［6］通過數值模擬，分析了地鐵隧道盾構法施工對不同類型樁基的影響;李松等［7］運用MIDAS/GTS三維有限元分析軟件，模擬了盾構隧道動態施工對近接高架橋樁基的影響，重點分析了樁基水平位移及沉降的發展規律。針對越來越嚴格的保護要求，周正宇等提出了主動防護的概念和措施［8］，并在工程中得到實踐［9］。本文通過數值分析，研究盾構施工對群樁中不同位置樁基的變形和內力影響，并利用復合錨桿樁［11］作為隔斷樁用于10 m內徑盾構隧道施工對鄰近樁基的主動保護。

1 工程背景

1.1 項目概況

北京地鐵14號線高家園站－望京站區間為單洞雙線形式，采用10.6 m的土壓平衡盾構施工。管片外徑10 m，厚度0.5 m，環寬1.8 m。區間側穿機場快軌位置處盾構距離地表面約為15.9 m，與近端群樁前排樁凈距為3.3 m，與遠端前排樁凈距為18.8 m，軌頂面標高為 19.10 m。

該段機場快軌為高架結構，穿越處相鄰橋樁的距離為30 m。橋墩的高度為8.25 m，承臺厚度為2 m，橋樁深度為35 m，橋梁的寬度約為8 m。

盾構隧道與機場快軌平、剖面關系見圖1。

圖1 盾構隧道與機場快軌平、剖面關系圖Fig.1 Relationship between shield-bored tunnel and airport transit line:general plan layout and profile

1.2 機場快軌現狀及控制要求

機場快線是高架簡支梁結構。高峰時段運營時間間隔8.5 min，其他時段10 min，最高運營速度100 km/h。由于機場快軌采用三軌供電，且運營速度高，要求盾構施工引起的樁基豎向沉降小于2 mm，側向變形小于1 mm。

1.3 工程地質

地層自地表往下為:人工堆積層(填土層①)，第四紀全新沖洪積層(粉土層③、粉質黏土層④、粉土層④1、粉細砂層④3)，第四紀晚更新沖洪積層(粉質黏土層⑥、卵石圓礫層⑦、粉質黏土和黏土層⑧、卵石圓礫層⑨、粉質黏土和黏土層⑩)。盾構主要穿越⑥層粉質黏土層。

2 盾構穿越時的樁基響應

2.1 計算模型的建立

計算中取橋梁相鄰兩跨，模型全長122 m，寬74 m，高50 m。土體頂部不受任何約束，4個側面限制與該面垂直方向位移，底部限制豎向位移。

模型中土體采用德魯克－普拉格(D－P)彈塑性模型模擬土層性狀。承臺及樁基為C30混凝土，襯砌管片為C50混凝土，建模時采用線彈性模型，泊松比為0.2。襯砌管片為拼裝結構，計算時考慮將其剛度折減至0.8，樁、土之間采用接觸面模型。盾構施工采用地層損失率0.4%模擬，并充分考慮盾構機掘進的施工工序，按照每環寬度1.8m為一個施工步進行分析。模型參數見表1，土體有限元模型見圖2。

表1 模型材料參數Table 1 Parameters of materials

圖2 隧道開挖的土體有限元模型Fig.2 Finite element model

2.2 群樁力學行為分析

根據盾構法施工工藝，施工過程可以分為4個典型階段:頂推階段、盾尾注漿、盾尾脫開、固結沉降階段。理想的頂推和盾尾注漿應為土壓平衡階段，本文主要考慮盾尾脫開及固結階段的影響。盾構施工時釋放周邊土體應力，周邊土體向隧道方向產生位移，由于土體橫向位移沿樁身變化不均勻，樁體發生彎曲。樁基橫向變形及附加彎矩見圖3和圖4。從圖3可見，近、遠端樁基變形形態一致，遠端樁基受影響較小，滿足使用要求。近端樁基中前排樁距離隧道更近，其受開挖應力釋放引起的側向土體位移更大;同時由于承臺約束作用，前、后排樁樁頂水平位移值幾乎相同，樁身水平位移有較大差別，但最大值均出現在隧道中心位置附近。

圖3 樁基橫向變形圖Fig.3 Lateral deformation of pile

圖4 樁基附加彎矩圖Fig.4 Additional bending moment of pile

由于樁體剛度遠大于周邊土體，近盾構側土體脫開的趨勢導致樁體在隧道中心對應位置附近處產生較大的附加橫向彎矩，且遠端樁基產生的附加彎矩遠小于近端。由于樁頂與承臺剛接，前排樁與后排樁樁頂處均出現了負彎矩，且前排樁彎矩大于后排樁彎矩，但不論前排樁還是后排樁，樁身彎矩最大值仍出現在隧道起拱線深度附近。

計算結果顯示，盾構施工過程中，樁基跟隨周邊土體共同變形并產生附加內力，當盾構距離樁基較近時，群樁中的前排和后樁基橫向變形和附加彎矩值都比較大。同時，由于盾構影響范圍內土體擾動產生負摩阻力導致樁體周邊及樁端反力的重新分布，樁側和樁端軸力增大，并導致豎向沉降的發生。

樁基沉降及附加軸力見圖5和圖6。

圖5 樁基沉降圖Fig.5 Settlement of pile

圖6 樁基附加軸力圖Fig.6 Additional axial force of pile

由圖5可見，由于樁體軸向剛度較大，沉降沿樁身基本不變。前排樁及后排樁的沉降最大值出現在樁頂，樁身有較小的壓縮變形。同時，由于樁體頂部承臺的聯結作用使得群樁中前、后排樁的沉降差比較小。

盡管前排樁的沉降僅略大于后排樁，但由于前排樁樁側受盾構影響的程度明顯大于后排，產生的負摩阻力較大，前排樁樁側磨阻力、樁端阻力增量均明顯大于后排樁，故前排樁內軸力增量值較后排樁要大。樁身軸力最大值均出現在隧道底部深度附近。

通過以上分析可見，盾構推進對樁基的變形和內力都有影響，尤其對距離較小的樁基影響更為明顯。距離較近時，應采取措施減小該影響。

3 綜合防護技術

3.1 綜合防護機理

本工程的風險來源于土體開挖，采用大盾構施工，是一種對地層擾動少、環境變形小的施工方法。對盾構施工的相關參數進行優化后，需要控制地層變形，按土層變形發展機理，可采取"降"或"堵"2種方式進行主動干預。

1)加固地層降低地層變形。采用洞內注漿、地面注漿等多種方式改良隧道周邊、隧道和樁基之間的土體，以達到降低地層變形的目的。注漿加固可大大提高土體的E、c、φ的值，減小μ值，從而提高了土體的整體強度和自穩能力。

2)隧道與既有橋梁間隔離樁阻隔變形。隧道邊有剛性樁基時，地層開挖釋放能量將被樁基部分吸收而導致地層變形降低。通過設置隔離樁吸收變形來達到阻隔變形傳遞的目的。隔離樁設計時一般可以采用錨桿樁、樹根樁、灌注樁等結構形式。

復合錨桿樁成孔后在同一鉆孔中設置不同長度的高壓注漿管，分段中、高壓注漿，施工采用了特殊的施工工藝根據需要調節注漿壓力，注漿壓力最高可達5 MPa，孔壁外側土層在高壓下，孔隙被充填，土體被劈裂、擠密，孔壁周圍的土體也被逐漸固結和強化，從而有效地提高了土體的物理力學性質。

采用多排復合錨桿樁，提高隔離樁剛度，同時加固剛性樁體之間的土層，兼具以上兩種作用，更有效的阻斷地層變形傳遞，達到了綜合防護的效果。

采用套管護壁微擾動施工，經分析基本可忽略復合錨桿樁施工對橋樁的影響。

3.2 復合錨桿樁防護效果分析

3.2.1 計算模型的建立

在前述模型基礎上增加復合錨桿樁的模型，將注漿體及錨桿樁視為不同的彈性體。力學參數見表2。

表2 模型力學參數Table 2 Mechanical parameters

3.2.2 樁體參數的選擇

隔離樁必須穿過土體滑移面并具備一定的插入深度才能有效地限制土體位移。隨著隔離樁樁長的增加，地面土體變形逐漸減小。采用3排復合錨桿樁布置，隔離樁樁長分別為21 m(到盾心)、26 m(到盾底)、29 m(盾底3 m)、31 m(盾底5 m)情況下的計算結果。錨桿樁樁長對橋樁變形的影響見圖7。

圖7 錨桿樁樁長對橋樁變形的影響Fig.7 Lengths of anchor piles Vs deformation of existing bridge piles

由于盾構施工導致的土體應力釋放是全周范圍，因此，為了達到控制樁基沉降，隔離樁的設計樁長必須達到一定的深度，才能起到一定的遮擋作用，發揮減小地層變形的作用。根據計算分析，樁體達到盾構底部3 m后，樁基的豎向沉降明顯變小。

單個錨桿樁直徑小，剛度相對較小，但可以采取多排梅花形布置并于頂部設置圈梁使多排錨桿樁形成整體，且其間的土體經過加固，使得鋼筋與加固后的加固體形成了一個有一定水平剛度的隔離體，同時加固后的土體自身應力釋放率也得到改善，復合錨桿樁能起到較好的隔離作用。采用1、2、3、4排29 m復合錨桿樁情況下的計算結果見圖8。

圖8 錨桿樁排數對橋樁變形的影響Fig.8 Rows of anchor piles Vs deformation of existing bridge piles

由圖8可知，單排樁剛度較小，頂部連接的多排樁剛度明顯增加，控制樁后土體變形的效果很明顯。設置3排錨桿樁即可滿足工程需求。

3.2.3 錨桿樁布置

在大盾構與近端橋梁樁基之間設置3排復合錨桿樁，樁徑 φ150@600，呈梅花形布置。樁頂設置1 350 mm×600 mm冠梁。復合錨桿樁底標高8.9 m，樁長26 m，樁底距隧道底約3 m。剖面圖見圖9。

圖9 采用錨桿樁防護橫剖面圖(單位:mm)Fig.9 Profile of protection of existing bridge piles by means of anchor piles

3.2.4 樁基位移

根據分析，采用隔離樁保護措施后，地層損失率0.4%時，盾構施工對橋梁的主要影響如下:橋樁最大豎向變形1.9 mm，最大水平變形為1.35 mm，承臺水平位移0.5 mm。相鄰橋墩累計最大差異沉降1.7 mm，軌道累計最大沉降2.0 mm，滿足變形控制標準要求。錨桿樁防護后橋樁沉降分析結果見圖10。

圖10 錨桿樁防護后橋樁沉降分析結果Fig.10 Analysis result of settlement of existing bridge piles protected by anchor piles

該盾構區間已經于2013年3月成功穿越機場快軌，根據現場監測，穿越側橋墩最大豎向變形1.5 mm，水平變形0.9 mm。采用多排復合錨桿樁具有明顯的防護作用。

4 結論與建議

本文在已有研究成果的基礎上，對單洞雙線盾構近距離穿越橋樁基礎進行了模擬分析，對不同位置橋樁的位移、應力進行比較，并對用復合錨桿樁進行防護的方法進行了深入研究，主要結論和建議如下。

1)單洞雙線盾構隧道近距離穿越已建橋樁基礎時，將使樁基產生相當大的位移和應力，距離較近時，將嚴重影響樁基礎的安全使用，需要論證采取隔離樁主動防護的必要性。

2)復合錨桿樁可多排組合形成較大剛度，并同時對樁基周邊土體加固，在環境條件嚴苛處作為盾構穿越的防護隔斷樁顯示出其獨特的優點。

［1］ Loganathan N.Centrifuge model testing of tunneling-induced ground and pile foundations［J］.Geotechnique，2000，50(3):283－294.

［2］ 朱合華，丁文其，李曉軍.盾構隧道施工力學性態模擬及工程應用［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(3):388－392.(ZHU Hehua，DING Wenqi，LI Xiaojun.Construction simulation for the mechanical behavior of shield tunnel and its application［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(3):388 －392.(in Chinese))

［3］ 王善勇，唐春安，王述紅.地鐵開挖對地基沉降影響的數值分析［J］.東北大學學報，2002，23(9):887－890.(WANG Shanyong，TANG Chun ＇an， WANG Shuhong.Numerical simulation and research of influence on the excavation of the subway to the bade sedimentation［J］.Chinese Journal of Northeastern University，2002，23(9):887 －890.(in Chinese))

［4］ 朱逢斌，楊平，ONG C W.盾構隧道開挖對鄰近樁基影響數值分析［J］.巖土工程學報，2008，30(2):298－302.(ZHU Fengbin，YANGPing，ONGCW.Numerical analysis on influence of shield tunnel excavation to neighboring piles［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30(2):298 －302.(in Chinese))

［5］ 張海波，劉國楠，高俊合.盾構近距離掘進對橋梁樁基的影響分析［J］.鐵道建筑，2007(8):37－40.(ZHANG Haibo，LIU Guonan，GAO Junhe.Analysis on influence of bridge piles owe to adjacent tunnel excavation［J］.Railway Engineering，2007(8):37 －40.(in Chinese))

［6］ 王炳軍，李寧.地鐵隧道盾構法施工對不同類型樁基的影響［J］.山東科技大學學報，2009，28(6):29－35.(WANG Bingjun，LI Ning.Effect of construction with tunneling on different types of pile foundations［J］.Journal of Shandong University of Science and Technology，2009，28(6):29 －35.(in Chinese))

［7］ 李松，楊小平，劉庭金.廣州地鐵盾構下穿對近接高架橋樁基的影響分析［J］.鐵道建筑，2012(7):74－78.(LI Song，YANG Xiaoping，LIU Tingjing.Analysis of influence of adjacent viaduct pile foundation by Guangzhou Metro tunnel shield driving under passing［J］.Railway Engineering，2012(7):74 －78.(in Chinese))

［8］ 周正宇，蘇潔.地鐵施工對鄰近既有橋梁主動防護技術的研究［J］.都市快軌交通，2012，25(6):68 －71.(ZHOU Zhengyu，SU Jie.Study on active protection technology for an existing bridge adjacent to a subway project［J］.Urban Rapid Rail Transit，2012，25(6):68 －71.(in Chinese))

［9］ 李波.地鐵盾構施工與隔離樁施工對既有橋梁樁基影響的對比分析［J］.中國水運，2014，14(3):275 －277.(LI Bo.Comparison analysis of the influence on the bridge pile due to shield and isolation piles construction［J］.China Water Transport，2014，14(3):275 －277.(in Chinese))

［10］ 呂高峰，劉德國.復合錨桿樁加固橋梁樁基方案分析［J］.都市快軌交通，2013，26(5):79 －83.(LV Gaofeng，LIU Deguo.Analysis on the reinforcement strategies for bridge foundation with composite bolt piles［J］.Urban Rapid Rail Transit，2013，26(5):79 －83.(in Chinese))

［11］ 黃大維，周順華.護壁套管鉆孔灌注樁微擾動施工分析［J］.巖土力學，2013，34(4):1103 － 1108.(HUANG Dawei，ZHOU Shunhua.Analysis of small disturbing construction of protective jacket tube for cast-in-situ bored pile［J］.Rock and Soil Mechanics，2013，34(4):1103 －1108.(in Chinese))