雙線盾構隧道側穿既有橋樁影響分析及加固優化

豐土根，況夢祥，沈正偉，張 箭*，張彥紅

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.中鐵(上海)投資集團有限公司，上海 200126)

城市中的地鐵隧道在施工過程中，不可避免地會從各個既有橋梁建筑物橋樁基礎的側面或者下部等位置穿越，并且隧道掘進施工過程中會對隧道周邊的土體產生不同程度上的擾動。當土體的位移場作用于橋樁基礎上時就會使鄰近的樁基產生內力和附加變形，對樁和橋梁上部結構產生不利的影響，當沉降量過大或者橋梁產生不均勻沉降，將嚴重威脅到橋梁上部主體結構的壽命和它的正常使用。對高架橋橋樁及上部結構進行安全穩定性分析，并計算工程施工的變形值從而指導現場施工采取合理的安全措施，對盾構隧道建設的安全順利推進和確保橋梁的后續健康使用是十分必要的。目前，國內外研究盾構隧道下穿橋樁的影響已經取得較多成果[1-15]。比如，李永盛等[1-4]研究了盾構隧道開挖給地層和橋樁產生的影響規律；李早等[5-6]基于兩階段法，分析了盾構開挖施工過程中橋樁的變形和內力的變化并建立出了相應的公式；劉喆等[8-10]利用有限元模擬、分析不同支護方式及施工方法對群樁的影響，并分析了單樁與群樁的受力影響的區別。但是研究成果主要涉及了隧道施工對近鄰樁基和土體的內力與變形的影響規律，及其對隔離樁加固后樁基的受力和位移等方面的影響。對于隧道開挖前后通過有無隔離樁支護的原有樁體水平位移和軸力變化缺少更具體的研究。

本文結合廣州地鐵8號線延長線下穿華南快速路高架橋工程實際，采用三維有限元模型計算研究了盾構法隧道下穿該高架橋工程過程中產生的地表變形規律，分析了下穿過程中對有無隔離樁的鄰近橋梁樁基的變形和內力影響，并對橋樁的隔離樁加固進行了優化設計，可以為今后類似工程提供參考經驗。

1 工程概況

廣州地鐵八號線北延段崗站—白云湖站區間隧道垂直下穿華南快高架橋樁下穿段長度約68.0 m，橋梁跨度長約25 m，橋身距地面高約9.0 m，主線及右幅加寬部分承臺尺寸為2.5 m ×2.5 m，高0.15 m，基礎是直徑為1 500 mm鉆孔樁樁基；左幅加寬部分承臺尺寸為2.8 m ×2.8 m，高0.2 m，基礎為直徑為1 800 mm鉆孔樁樁基，鉆孔樁均入巖，入巖深度為0～3 m。為了控制盾構下穿對橋樁的影響，對靠近隧道的樁基增加加固措施，隔離樁至灰巖層。盾構隧道埋深約12 m，隧道管片外徑6.0 m，管片寬度1.5 m，管片厚度300 mm，華南快速立交橋橋樁樁長約為18.5 m，隧道底部高出樁底約4.86 m。隧道與快速路在水平方向投影有小夾角，左線隧道與中心橋樁距離6.58～10.87 m，屬側穿情況。示意圖如圖1所示。

圖1 盾構隧道下穿橋樁示意圖Fig.1 Schematic diagram of shield tunnel underpass bridge pile

2 數值模擬

2.1 模型建立及參數選取

綜合考慮精度和邊界效應，模型范圍沿盾構掘進方向取值36 m，橫向尺寸取100 m，深度方向取值36 m，滿足3～7倍隧道洞涇范圍要求。利用Abaqus有限元分析軟件建立樁、土、盾構相互作用的三維模型，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型進行計算，盾殼、襯砌、注漿層為理想線彈性模型，所有的部件均采用C3D8R實體單元。設定橋樁和隔離樁的樁端與巖土層綁定以防其脫離，樁側與土體采用面面接觸，盾構與土體也采用綁定設置，默認兩者不發生滑移。橋梁上部結構及荷載均采用等效荷載替代法來計算，每根樁的樁頂施加400 kPa的壓力，土倉壓力值為200 kPa，注漿壓力0.22 MPa。

在土體的底部施加X、Y、Z三個方向的位移約束，垂直盾構隧道掘進方向為X方向，平行盾構隧道掘進方向為Y方向，豎直方向為Z方向。在平行掘進方向的土體邊緣面施加Y方向的約束，在垂直掘進方向的土體側邊緣施加X方向的約束，頂部土體視為自由面。三維模型如圖2所示。

圖2 三維數值模型Fig.2 Three-dimensional numerical model

模型中橋樁自左向右編號為A-1、A-2、B-1、B-2、C-1、C-2，隧道左線與橋樁中線上方標號為A點，隧道中間與橋樁中線上方標號為B點，隧道右線與橋樁中線上方標號為C點。根據地勘報告的資料，地層以及地下結構物參數詳見表1。

表1 地層及結構物參數

2.2 工況說明

根據實際施工步驟，先行開挖左線隧道，再開挖右線后行隧道。考慮橋梁結構建成時間已久，將橋梁結構與土體一起做地應力平衡。局部模型示意圖如圖3所示，左右隧道模型段分為六段開挖，每一段開挖分為三個階段：開挖、拼裝、硬化。在第一段開挖的第一階段完成后進行拼裝和下一段的開挖，拼裝結束后進行第一階段的硬化、第二段的拼裝和第三段開挖，依次逐步推進。

圖3 局部模型示意圖(有隔離樁)Fig.3 Schematic diagram of partial model (with isolation piles)

主要計算步驟為：

(1)將開挖土體的模量軟化50%，用以模擬應力釋放；

(2)殺死土并激活盾構，加上土倉力用來模擬刀盤對開挖面土體的支護力；

(3)在第二塊開挖區實行步驟(1)、(2)后，在第一個開挖區域殺死盾構及土倉力，激活并賦予泥漿層和襯砌的新的模量參數，施加注漿壓力；

(4)賦予泥漿層新的模量，用于模擬泥漿層的硬化。

左線開挖完成后和右線開挖完成后的各項數據影響曲線，分別取左右線盾構通過前、通過中、通過后、單線泥漿全部硬化完成后四步，故兩線共八步。

2.3 模擬方案驗證

根據王國富等[10]人的研究結論建立有限元模型并進行分析。關于地表沉降，本文選取該文獻中的無橋樁和工況8(隔離墻加固)進行分析對比；關于樁頂沉降和樁頂水平位移，本文選取其工況8(隔離墻加固)進行對比分析；關于橋樁樁身水平位移，本文選取其1、2號樁基的工況8進行對比分析，分析比對結果如表2。

表2 模型結果對比分析結果

驗證結果與原文的結果基本趨向一致，與原文的數值差值基本控制在15%以內，考慮到計算誤差以及工程經驗可以認為，采用本文編制的模型對盾構隧道施工側穿有隔離樁保護的橋樁進行模擬分析是可行有效的。

3 計算結果分析

3.1 地表沉降

在有、無隔離樁支護條件下，左右線隧道施工結束后地表沉降如圖4所示。當無隔離樁支護時，左線開挖完成后，截面I最大沉降值為5.0 mm；右線隧道開挖完成后，沉降槽曲線由“U”型轉變為“W”型，兩條隧道的沉降曲線疊加范圍小，兩條隧道對稱軸處的地表沉降值為0.9 mm，且右線地表沉降達到4.6 mm，右線施工全過程基本處于“雙峰”的形狀。盾構施工對土體的影響范圍在隧道中心線的18 m左右，盾構影響地表沉降范圍約為3倍盾構直徑，可以證明本文對橋樁數量的選取和建模的尺寸以及參數的選取是在合理范圍內的。

圖4 有無隔離樁施工結束地表沉降圖Fig.4 Surface settlement map after construction with or without isolation piles

有隔離樁支護時，沉降曲線基本與無隔離樁一致，說明隔離樁的存在并不能改變地層的沉降趨勢。但是左線開挖完成后，截面I最大沉降值為4.7 mm，兩條隧道對稱軸處的地表沉降值為0.17 mm，且右線地表沉降為4.3 mm，說明隔離樁對土體的反作用力使得土體沉降的趨勢一定幅度減小。有隔離樁存在時，外側的土體沉降值由無隔離樁時的0.8 mm減小到0.3 mm，削減比例達到60%左右，而沉降槽中心的最大沉降值也由5.0 mm減小到4.7 mm。

不論有無隔離樁，A點和B點在盾構開挖階段的沉降曲線趨于一致，如圖5。在盾構通過及離開時產生的沉降占總沉降量的70%以上。說明盾構時產生的沉降占總沉降量的70%以上。說明盾構開挖的過程中，盾構機所引起的沉降主要集中在盾構通過相應地層和盾尾脫離的階段，最后是由于土體的固結所帶來的沉降。有隔離樁存在時，B點處的位移趨于0，是因為隔離樁的彈模遠大于土體，且隔離樁的樁端在巖石層上，土體向下位移時對樁產生的負摩阻力不足以讓樁產生大變形。隔離樁的存在使得沉降曲線整體朝上移動，相應的減少了地表的沉降，對橋樁起到了一定程度上的保護作用。

圖5 截面I地表隨掘進階段沉降圖Fig.5 Settlement map of section I surface along with excavation stage

3.2 橋樁影響分析

由于橋樁鉆孔深入巖層之中，尤其還添加了作用在巖層上屬于端承樁的隔離樁對橋樁進行保護，因此豎向的沉降量極小。考慮到該工程盾構施工下穿鄰近橋樁時對橋樁產生的豎向沉降影響極小，故對樁頂沉降不作具體分析。

3.2.1 樁身水平位移

左右線隧道掘進結束后樁身水平位移如圖6所示。隧道掘進過程中，由于隧道掘進帶來了地層損失，土體應力釋放后土體向盾構中心位移，樁體也隨之位移。樁端由于是嵌固在巖石層當中，模擬中將樁端與灰巖層綁定，隧道開挖帶來的水平位移接近于0。無論有無隔離樁時，橋樁發生最大位移都在12 m左右，即接近隧道開挖中心深度。

圖6 有無隔離樁時樁身水平位移Fig.6 Horizontal displacement of pile with or without isolation pile

考慮有無隔離樁時橋樁X方向水平位移的比較，如圖6(a)，無隔離樁時橋樁樁頂的最大水平位移分別為0.95、-0.73 mm，有隔離樁時橋樁樁頂的最大水平位移分別為0.81、-0.42 mm，隔離樁的施加使得樁頂的X方向水平方向的最大位移平均減少17%；橋樁中部和樁端的水平位移基本不變，甚至有變大的趨勢，這是由于隔離樁對土體的牽引作用。因為右線的開挖對地層的擾動部分抵消了左線擾動帶來的對橋樁的影響。監測報告中的樁頂X方向水平位移值為1.61 mm，模型的計算結果與廣州地鐵8號線最終監測報告中的水平位移相接近。

考慮有無隔離樁時橋樁Y方向水平位移的比較，如圖6(b)，在盾構掘進的過程中，盾構刀盤對前方土體施加一個頂推力以及盾殼與周圍土體的摩擦力的作用下，使得平行與盾構掘進方向的土體發生移動，移動的土體隨之作用于樁身，使得橋樁發生相應的位移。在無隔離樁時，樁頂的最大位移位于橋樁A-1，位移值為0.4 mm；在有隔離樁時，樁頂最大位移值位于橋樁A-1，位移值小于0.1 mm。這說明隔離樁的存在大大減弱了盾構掘進時引起的平行于掘進方向的橋樁橫向位移。

3.2.2 樁身附加軸力

如圖7所示，當無隔離樁支護時，橋樁附加軸力呈現“S”型變化，并隨著掘進的進程趨勢愈發明顯。盾構開挖時的地層損失引起隧道上部地層發生向下的位移，土體與樁基發生相互作用，增大橋樁的負摩阻力，引起橋樁的附加軸力增大，樁身上部附加軸力最大增量出現在A-1埋深約9 m處，值為70 kN。在隧道中心水平面上，因管片變形引起土體向隧道外側位移并向上、下擴散，隧道中心線附近土體位移與地層損失引起的土體位移部分抵消從而引起橋樁正摩阻力增大，附加軸力減小，最大減小值為20 kN，出現在A-1橋樁上埋深約13 m處。隧道中心線以下土體則是持續加大位移，樁身附加軸力持續增大，最大值可以達到140 kN。

當有隔離樁支護時，樁身軸力出現反“C”型變化，隔離樁的存在基本消除了盾構開挖時地層損失對樁身附加軸力的影響，這一現象與因隔離樁的存在減小了橋樁一側土體沉降相吻合。正由于管片變形引起土體向隧道中心線外側擠壓及其擴散作用，導致隧道中心線上側橋樁的正摩阻力增大，中心線下側橋樁的負摩阻力增大。隔離樁的存在可以減少橋樁附加軸力極值達60%。

注：圖中負值代表樁身附加軸力增加，正值代表樁身軸力減少。圖7 截面I各樁身最大附加軸力圖Fig.7 Maximum additional axial force diagram of each pile in section I

3.2.3 樁身附加彎矩

橋樁與土體相接觸，橋樁通過自身附加變形的形式吸收部分由盾構施工引起的底層損失而釋放土體應力，從而導致橋樁自身的內力的相應變化。圖8為有無隔離樁時各樁身在X、Y方向上的最大附加彎矩圖。

由圖8(a)可知，無隔離樁時，X方向樁身附加彎矩呈反“C”字型分布，這是由于樁端受到巖石層的約束，而樁端模擬為自由端所導致的，X方向附加彎矩峰值出現在B-1樁的隧道中心線以及樁端，分別為71、-115 kN·m。隔離樁的存在大大削減了垂直盾構方向橋樁附加彎矩的變化，由于B-1兩側都有隔離樁的存在，垂直盾構方向的彎矩值削減到8、-14 kN·m，達到85%。A-1和C-1的X方向樁身最大附加彎矩減小幅度也達到了75%左右。

由圖8(b)可知，A-1樁身Y方向附加彎矩呈反“C”字型分布，而B-1，C-1為“C”字型分布，這是因為A-1樁身撓度方向與其他兩樁身相反。由圖可以看出隔離樁的存在對于平行盾構方向的彎矩基本沒有影響，符合實際情況。

圖8 截面I各樁身最大附加彎矩圖Fig.8 Maximum additional bending moment diagram of each pile in section I

4 加固優化設計

由前面的分析結果可知，盾構隧道下穿施工對周圍土層會產生一定程度的擾動并影響橋樁樁身位移及內力變形，從而會給橋樁上部結構的正常使用帶來不利影響。為降低不利影響，優化施工參數，本文以地表沉降及X方向橋樁水平位移作為影響控制指標，研究左線開挖過程不同隔離樁與橋樁間距L、樁身直徑d情況下盾構隧道開挖對土層及橋樁的影響。

4.1 不同隔離樁與橋樁間距

為了解隔離樁與橋樁之間的相對位置變化引起的不同影響，選取間距L為0.75D、2D、3D三種工況進行分析。D為當前既有樁基的樁徑，隔離樁與隧道間距保證大于規范規定的安全間距6 m，即隧道直徑。

由圖9可知，隨著隔離樁與橋樁的間距增大，地表最大沉降值逐步減小。當L為0.75D時，地表沉降峰值為4.7 mm，當L為2D時，地表沉降峰值為4.4 mm，當L為3D時，地表沉降峰值為3.7 mm。對比L=0.75D的工況，當L=3D時，地表沉降削減幅度可以達到20%。

圖9 隔離樁與橋樁不同間距時地表沉降圖Fig.9 Surface settlement diagram with different spacing between isolated piles and bridge piles

由圖10可知，隨著間距L的增加，既有橋樁樁身上部及樁身中部的水平位移有較明顯減小。對比L=0.75D的工況，當L=3D時，A-1樁身上部水平位移削減41%，樁身中部水平位移削減14%；B-1樁身上部水平位移削減73%，樁身中部水平位移削減13%。因此隨著既有橋樁與隔離樁之間間距的增加，可以大幅度地減少樁身上部的水平位移，小幅度地減少樁身中部的水平位移。故適當增大隔離樁與橋樁間距，控制隔離樁與隧道間距在6～8 m時，對減小樁身水平位移有較大幫助。

圖10 不同樁間距時X方向橋樁水平位移Fig.10 Horizontal displacement of bridge piles in X direction at different pile spacing

4.2 不同隔離樁直徑

為研究隔離樁在不同直徑工況下的不同影響，選取間距d為1、1.5、2 m三種工況進行分析。

由圖11可知，當d=1 m時，地表沉降峰值為4.7 mm，當d=1.5 m時，地表沉降峰值為4.1 mm，當d=2 m時，地表沉降峰值為3.6 mm。對比d=1 m的工況，當d=2 m時，地表沉降削減幅度達到23%。隨著隔離樁的自身樁徑的增大，有效地降低了地表沉降值。

圖11 不同隔離樁直徑工況下地表沉降圖Fig.11 Surface settlement diagrams under different isolation pile diameters

隔離樁樁身直徑d的變化對于橋樁樁身水平位移的整體趨勢仍然呈現“C”字型，樁徑的增大也意味著隔離樁剛度的增大。

由圖12可知，隨著間距d的增加，既有橋樁樁身上部及樁身中部的水平位移明顯減小。對比d=1 m的工況，當d=2 m時，A-1樁身上部水平位移絕對值削減90%，樁身中部水平位移削減70%；B-1樁身上部水平位移絕對值削減70%，樁身中部水平位移削減77%。隨著隔離樁直徑的增加，可以大幅度地減少樁身上部及樁身中部的X方向水平位移。

圖12 不同隔離樁直徑時X方向橋樁水平位移圖Fig.12 Diagram of horizontal displacement of bridge piles in X direction with different isolation pile diameters

5 結論

本文依托廣州地鐵八號線盾構隧道側穿華南快速高架橋樁基工程，采用數值三維建模等方法研究了不同工況下盾構隧道開挖掘進下穿公路橋樁對既有橋樁樁基礎的影響及加固方式優化設計。得出以下結論：

1)隔離樁可有效減小既有橋樁垂直于掘進方向的樁頂位移，由于隔離樁的牽引作用，對于橋樁中部位移基本無削減作用，甚至極小地加大其水平位移。隔離樁基本消除平行于掘進方向的橋樁水平位移，對既有橋樁存在一定的遮蔽作用。

2)隔離樁大幅地減小了橋樁的附加軸力，大幅減小橋樁垂直盾構方向附加彎矩，對平行盾構方向附加彎矩基本無影響。由于隔離樁的牽引作用，極小范圍地增大平行盾構方向附加彎矩。

3)建議將隔離樁設置在離地鐵凈距為6～8 m的范圍內，這樣既可以滿足地鐵規范的安全凈距，也能夠最大限度起到保護既有橋樁的功能。隔離樁樁徑的增大有明顯降低附加內力的作用，本工程中樁徑為1 m時已滿足規范要求，后續工程若不能滿足規范要求，可增加隔離樁樁徑以提高橋樁的安全性能。