新建橋梁樁基對既有地鐵隧道影響的數值分析

□文/程永歡

近年來，隨著城市化的不斷推進，城市交通量日益增大，為有效改善人們的出行條件，各城市都加大了道路交通基礎建設，地面道路、立交、高架、地鐵等同步推進；由于地下空間有限，各種管線、橋梁樁基與地鐵盾構常常相互影響。本文通過某立交橋梁上跨地鐵盾構隧道的工程實例，運用有限元數值分析的方法，對軟土地基橋梁樁基對既有地鐵盾構的影響進行模擬分析，評價橋梁樁基對地鐵隧道盾構區間結構的影響。

1 工程概況

某工程為全互通半苜蓿葉型立交，共三層，橋梁面積約17萬m2。立交上部結構主要采用現澆混凝土箱梁，下部結構采用鉆孔灌注樁基礎。既有地鐵線路位于立交南側，走向大致與立交主線平行，盾構埋深（地面—盾構頂）約7～12 m。上下行盾構間凈距正常段6.8 m，最寬處凈距達13.3 m。樁基與地鐵隧道間的最小凈距為3.8 m。樁徑分為0.8、1、1.2、1.5 m，樁長47～60 m。見圖1。

圖1 橋梁樁基與盾構隧道位置關系

場地屬海陸交互相沖淤積平原，周邊勘察深度內均由第四紀覆蓋層組成，地表總體平整，為典型的軟土地基。

2 施工措施

為保證橋梁及地鐵隧道結構的安全，控制樁基工后沉降≯29 mm，地鐵結構設施絕對沉降量及水平位移量≤20 mm(包括各種加載和卸載的最終位移量)。

基于以上原則，施工時采取以下措施[1]：

1）地鐵盾構底標高以上部分土體對樁身的側阻力不計，適當增加樁長減少沉降；

2）嚴格控制樁底沉渣厚度，利用樁身聲測管進行樁底注漿，以減少沉降，同時增加樁基承載力儲備；

3）跨地鐵的樁基施工時先采用靜壓法壓入鋼護筒，護筒壓入深度超過地鐵盾構側土層，以減小樁基成孔作業對盾構的擾動，同時也能避免護筒范圍內土體塌孔；

4）跨地鐵的橋梁基礎采用“間跳施工”方式，即跨越地鐵同一斷面兩側的樁基不同時作業，以減小對土體的擾動。

3 有限元模擬

采用Midas GTS程序建立有限元模型對施工過程進行模擬。

3.1 模型

模型尺寸為80 m×160 m×60 m，即南北方向取寬度為80 m，隧道前進方向取寬度為160 m，地層埋深取為60 m；盾構襯砌厚度為0.35 m。樁長根據橋梁施工的實際長度選取。見圖2。

圖2 有限元模型

盾構區間結構、樁基、承臺等混凝土材料本構采用線彈性模型，土體本構采用莫爾-庫侖模型進行模擬。土體單元選用八節點構成的六面體單元，隧道襯砌選用曲面板單元，承臺選用4節點板單元，土體及樁為實體單元，隧道襯砌為板單元。隧道襯砌與土的接觸采用曲面彈簧進行模擬。土體模型邊界選用地面支承邊界。

3.2 施工階段模擬

1）鋼護筒打入土體階段。先壓入鋼護筒，穿過盾構區域，以便在樁基成孔過程中形成保護，同時也有效避免盾構相鄰土層在樁基成孔中塌孔。

2）采用振動相對較小的施工設備，在鋼護筒內成孔，穿過盾構區域至設計樁底標高，沉入鋼筋籠及澆筑混凝土。

3.3 運營階段模擬

考慮橋梁的自重，同時考慮最不利荷載組合[2]下的活載、制動力、離心力等作用對橋梁下部結構受力的影響。

4 計算分析

4.1 施工階段

4.1.1 鋼護筒施工

鋼護筒的打入對整個土層造成的影響很小，最大位移位于樁基周邊，位移量1.8 mm，隨著距離樁基的距離增大而減少，影響范圍較小；鋼護筒的貫入對地鐵襯砌的影響很小，襯砌的最大位移量0.34 mm。見圖3和圖4。

圖3 鋼護筒施工階段沉降

圖4 鋼護筒施工階段地鐵盾構管片變形

可見鋼護筒的貫入對土層及隧道襯砌管片的影響非常微小。

4.1.2 樁基施工

對樁基施工過程中結構的工況進行仿真模擬，見圖5-圖8。

圖5 樁基施工完成土體豎向沉降

圖6 樁基施工完成盾構管片變形

圖7 樁基施工完成盾構管片剪力

圖8 樁基施工完成盾構管片彎矩

從圖5 和圖6 可以看出，土體表面最大位移為12.05 mm，土體表面沉降較大的均在樁位附近且沉降量的大小與樁受到的豎向荷載的大小成正比，約3～5倍樁徑外的土體發生的位移變得非常小，有微小的隆起；管片位移較小，距離樁較近位置位移相對大，最大值為1.75 mm。

從圖7 和圖8 可以看出，管片單位寬度剪力最大值為15.8 kN 且管片距離樁較近的局部位置剪力較大，遠離樁的中間位置剪力較小。管片單位寬度最大彎矩值為230 kN·m 且出現彎矩最大值的部位較少，仰拱方向管片所受彎矩較小。

4.2 運營階段

由于活載、制動力、離心力等作用會對樁基內力產生影響，從而對地鐵隧道產生一定的影響；因此，需要對橋梁運營階段對隧道的影響進行分析。見圖9-圖13。

從圖9 和圖10 可以看出，土體表面最大位移為16.7 mm，沉降較大的均在樁位附近，約3～5 倍樁徑外的土體發生的位移變得非常小；隧道上方土體發生的側向位移聚集在樁位附近，最大值為2.2 mm，隨著距樁基距離的增大而逐漸減小。

圖9 運營階段土體豎向沉降

圖10 運營階段土體側向位移

圖11 運營階段盾構管片變形

圖12 運營階段盾構管片剪力

圖13 運營階段盾構管片彎矩

從圖11 可以看出，管片的位移量較小，最大值為3.36 mm，位移較大的部位均在隧道兩側距離樁位較近的位置。

從圖12 和圖13 可以看出，管片單位寬度剪力最大值為15.8 kN且管片距離樁較近的兩端局部位置剪力較大，遠離樁的中間位置剪力較小；管片單位寬度彎矩最大值為240 kN·m且出現彎矩最大值的部位較少，仰拱方向管片所受彎矩較小。

5 結論

新建橋梁在施工及運營工況下，會使其影響范圍內的盾構管片產生變形，區間隧道整體發生向下的沉降及水平變形，但差異沉降絕對值較小，變形值和內力值均在控制標準范圍內，不影響行車安全。在施工階段做好施工控制、落實實時監測，可確保既有地鐵盾構區間正常使用與運營。