盾構下穿橋梁引起橋樁沉降變形的數值分析

喬曉鋒，鐘 哲

(1. 廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340;2.廣東省水利水電工程技術研究中心，廣州 511340)

1 概述

為緩解水資源時空分配不均勻，一系列隧洞引水工程正投入建設中。利用盾構機等現代化機械設備能有效提高施工效率，在盾構機掘進隧洞施工過程中，往往需要近距離下穿橋梁、居民房等既有建筑物，盾構施工會對上覆土層造成擾動，引起地表發生隆起或沉降變形，影響地表既有建筑物的結構安全[1-3]。針對盾構近距離穿越建筑物的問題，國內外許多學者根據實際工程，采取理論分析、數值模擬等手段計算及預測建筑物可能發生的沉降量，并采取一系列加固措施，將其控制在容許范圍內，以確保相關工程的施工安全和建筑物的正常使用[4-6]。徐前衛等[7]綜合運用理論分析和數值模擬的方法，提出了隧道穿越橋梁樁基的地基加固、樁基托換和洞內除樁方案，可有效控制橋梁的結構變形；Mroueh和Shahrour[8]運用三維彈塑性有限元分析了單樁和群樁基礎對臨近隧道掘進的反應，結果表明隧道掘進會引起臨近樁基內力增加，樁基軸力與樁基和隧道的相對位置密切相關。黃新民[9]提出了對橋梁采用上部結構頂托+樁基礎周圍注漿的保護方案可減小盾構施工對橋梁的影響，改善盾構隧道的施工條件。

盡管國內外眾多學者開展了盾構穿越既有構筑物施工影響的工程案例分析，但是各具體工程的實際情況存在較大差異，所采取的分析方法和工程應對措施亦不盡相同[10-12]。本文以半洋引水隧洞工程下穿甬莞高速橋為例，通過數值模擬對盾構隧洞近距離下穿橋梁基礎的影響進行預測分析，后期經由現場實測結果加以驗證，以期為今后類似工程提供借鑒和參考。

2 工程概況

半洋隧洞引水工程(西山溪—古巷進洞口段)采用盾構法施工，盾構隧洞從甬莞高速橋的第17、18排樁基中間穿過(里程區間BY0+266.6～BY0+307)，區間隧洞頂板覆土層厚度為13.6～14.5 m，盾構穿越地層主要以粉質粘土為主，其中盾構隧洞外壁距離第17排樁基最小距離為5.1 m，距第18排樁基最小距離為6.6 m。甬莞高速橋為預制連續橋，橋梁上部結構為預制組合箱梁，下部結構為摩擦樁，橋樁直徑為1.6 m，樁長為40.0 m，該高速為雙向4車道的國家級交通要道，車流量大，對橋梁保護要求高，風險等級為一級，盾構施工時要重點考慮橋梁基礎沉降變形等問題，并且此處為300m轉彎半徑的曲線段，盾構機姿態控制相對困難，施工難度較大。隧洞下穿橋梁情況圖1、圖2。

圖1 半洋隧道與甬莞高速橋樁關系平面位置示意

圖2 半洋隧道下穿甬莞高速橋橋梁縱斷面位置示意

盾構隧洞開挖會對周邊土體造成擾動，引起地層沉降變形、橋梁基礎發生沉降等問題，因此在盾構施工前對其影響情況進行分析預測，并采取相應的加固措施，避免影響橋梁的安全使用。

3 模型構建

3.1 模型構建設想

隧洞的開挖支護、襯砌等施工打破了原有的地層平衡，使得地層內的原始地應力場發生了改變，并逐漸向一個新的平衡過渡。在這個過程中，失衡的地應力由上往下從地表傳遞到了隧道結構，相反整個地層的變形則從隧道的拱頂延伸至地表，進而引起地表及地表上既有建筑物產生位移和變形[11]。在施工過程中，開挖卸載會導致開挖面土體向隧道內移動、隧道支護結構變形均會造成地層產生豎向位移，管片襯砌背后的空隙閉合也會對地層造成擾動，甚至因隧道整體下沉而引起地表沉降。

半洋隧道下穿甬莞高速橋，其中距離隧道最近的橋墩僅5.1 m，盾構隧道施工難免會對橋梁造成影響，因此須采取一些隔離加固措施減弱盾構施工對橋梁的擾動，保障橋梁結構的安全穩定。為此建立模型用于模擬盾構隧道無加固和采取隔離加固措施兩種工況下穿高速橋梁的全過程，數值分析盾構隧道施工對地層及地表既有建筑物的擾動情況，對比分析無加固和隔離加固兩種條件下地表及橋梁基礎的沉降變形，并通過后期施工階段對橋梁的變形監測數據驗證模型的合理性和準確度。

3.2 計算模型建立及參數選擇

建立整體三維有限元模型，包括半洋盾構隧道、甬莞高速橋16～19排橋樁、系梁、墩柱、蓋梁及橋面等結構。根據有限元計算原理及軟件的計算能力，確定計算規模。

1) 長度方向：為減小邊界效應產生的影響，橋梁兩側各取50 m，地層模型長度方向(X向)的尺寸取140 m。

2) 寬度方向：隧道施工主要對臨近橋樁的影響，為17、18排橋墩，兩側模型多建立一排橋墩，模型寬度Y方向的尺寸取82 m。

3) 高度方向：根據隧道埋深、橋樁長度以及旋噴樁加固的深度，模型高度方向取50 m。

計算模型基本尺寸及相應的位置關系見圖3、圖4。

圖3 盾構下甬莞高速橋計算模型示意

圖4 高速橋橋樁與隧道位置示意

計算模型中，土體本構關系采用Mohr-Coulomb屈服準則，進行彈塑性計算，結構采用線彈性本構模型進行彈性計算。地層和相關結構的具體幾何參數為實際設計值，物理力學參數參考地勘和設計文件選取。各材料的具體參數見表1。

表1 土物理力學參數取值

模型中各層土體均按天然重度考慮，計算荷載包括結構及土體的自重荷載。位移邊界條件：土體模型的頂面為自由邊界，底面為豎向約束，四周為法向約束。

隧道開挖過程是一個卸載過程，因此在計算中采用土體的回彈模量，其值按經驗近似取表1中壓縮模量Es的5倍。

計算分析過程中，假定圍護結構與橋梁結構均處于彈性階段，圍護結構與橋樁均采用彈性模型，除盾構隧道襯砌采用板單元模擬外，其余結構均采用實體單元模擬，模型中混凝土結構重度均為25 kN/m3，橋梁結構、隧道等結構的力學參數見表2。

表2 結構計算參數取值

隧洞開挖過程的模擬根據實際施工情況進行優化設置，本模型分12次開挖，每次開挖設置為12 m，開挖完成后施加垂直于開挖面支護壓力1.75 MPa(根據盾構機土倉壓力)，隨后激活管片單元，改變注漿層土體參數。按此循環作業12次，完成隧道開挖襯砌施工。

4 有限元計算結果分析

4.1 地層、地表豎向變形分析

隧洞開挖將破壞原有地層平衡，引起影響范圍內地層發生位移變形。圖5表示盾構隧洞開挖完成后地層和地表的豎向位移情況，由圖5可知，隧洞上覆土層在重力作用下會發生沉降變形，頂部最大沉降值為18.87 mm，超過控制值15 mm，底部土層則由于卸荷作用產生仰拱上抬，底部地層隆起最大值為2.73 mm，盾構開挖施工對地層擾動較大；地面隆起和沉降是影響當地居民生命財產安全的直觀表現，經模型計算，隧洞沿線地表最大沉降值為12.60 mm，發生在隧洞穿過橋梁正下方位置，盾構開挖施工會引起一定程度的地面沉降，造成地面塌陷、地表既有建筑物不均勻沉降等問題。

圖5 盾構施工引起土層及地表豎向位移云示意

4.2 橋梁基礎及橋面豎向變形分析

為進一步研究盾構隧洞開挖對橋梁的影響，對盾構施工引起橋梁基礎和橋面的豎向位移進行分析。由圖6可知，臨近隧洞兩側的17、18排橋墩是主要受影響的橋梁基礎結構，其中距離隧洞線路最近的17排1#樁的沉降幅度最大，豎向位移為1.98 mm，對應的橋面沉降量為1.91 mm，距離隧洞線路最遠的18排10#樁沉降幅度最小，豎向位移為0.30 mm，對應的橋面沉降量為0.26 mm；17、18排縱向橋梁墩臺間差異沉降最大值1.69 mm，橫向橋梁墩臺間差異沉降最大值為1.52 mm，接近控制值3 mm，考慮到橋梁本身受到外界諸多因素影響，為防止橋梁在實際施工過程中發生不均勻沉降，應采取一些隔離加固措施，減弱盾構施工對橋梁基礎的影響，規避安全隱患。

圖6 盾構施工引起橋樁及橋面豎向位移云示意

4.3 隔離加固措施

通過上述分析，盾構隧洞開挖會對地層造成較大擾動，引起地面、橋梁基礎及橋面發生不均勻沉降，影響橋梁結構的安全使用。以往工程常采用的隔離加固措施包括盾構加強注漿加固[5]以及對橋梁采取樁基礎周圍注漿保護和上部結構頂托等措施[7]，上述措施均能有效減弱盾構施工對橋梁的影響。

本工程橋梁加固主要采用旋噴樁隔離和同步頂升兩種措施進行隔離加固。采用旋噴樁對橋梁樁基礎進行注漿保護，可對其四周土體形成壓密，使部分漿液進入土粒之間的空隙，使固結體與四周土緊密相連，提高土體抗剪強度，改善土的變形性質，從而提高地基承載力，減小地基沉降變形。同時旋噴樁作為隔離樁搭接后形成兩道帷幕，改善地基土水流性質，提高帷幕間土體力學性質，使得土體由無側限狀態改變為有一定邊界條件的側限狀態，減少盾構穿越對橋墩樁基礎周圍土體的擾動，改善盾構施工對橋墩的影響。另外，在橋梁承臺上部增加可控頂托支架，由千斤頂抬升分擔橋梁部分應力，減小橋梁下部結構受力，在盾構施工期間對橋梁進行同步頂升，防止橋面板因地層擾動而發生不均勻沉降，削弱盾構隧洞施工對橋面板的影響，保證高速橋面平衡穩定。

兩種隔離加固措施的設計情況，在高速橋底部，沿盾構線路兩側各布設3排旋噴樁加固，旋噴樁直徑為800 mm，樁距為600 mm，樁底高程為-12.54 m，樁底低于盾構管片外輪廓以下3.0 m。橋梁頂升加固系統采用直徑900 mm鋼管，放置于1.5 m×0.5 m混凝土條基上，與千斤頂組成臨時支架系統。隔離加固措施與橋梁樁基位置見圖7。

圖7 甬莞高速橋加固剖面示意

4.4 加固后地層、地表豎向變形分析

通過模擬對隧洞沿線的橋梁樁基及周圍土體進行旋噴樁隔離加固，分析加固后盾構施工引起的地層、地表豎向變形情況。由圖8可知，在橋樁附近施加旋噴樁隔離加固后，地層最大沉降值為16.61 mm，最大隆起值為2.66 mm，相較于無加固措施，沉降變形量減小2.26 mm，隆起變形量減小0.75 mm，加固前后變形幅度相差不大；橋梁正下方地表沉降位移為3.25 mm，相較于無加固措施，豎向位移減少9.35 mm，沉降變形幅度減小約74%，地表沉降變形大幅度降低，并且隧洞沿線地面沉降變形向遠離加固區域的一側轉移。分析結果得出隔離加固前后地層的沉降位移變化相差不大，而加固后地表豎向位移遠小于加固前，這是由于地層最大沉降和隆起值發生在隧洞頂部和底部，受旋噴樁隔離加固的影響較小，而地面土體因旋噴樁加固后，固結體與四周土緊密相連，大大提高了土體抗剪強度，減小了地面沉降變形。

圖8 加固后盾構施工引起土層及地表豎向位移云示意

4.5 加固后橋梁豎向變形分析

圖9顯示了加固后盾構施工引起橋樁及橋面的豎向位移情況。

圖9 加固后盾構施工引起橋樁及橋面豎向位移云示意

由圖9可知，施加旋噴樁隔離加固措施后，橋梁整體沉降變形顯著減小，其中受影響最大依舊是距離隧洞線路最近的17排橋墩1#樁，其豎向位移為1.48 mm，對應的橋面豎向位移為1.46 mm，相較于無加固條件下分別減小了0.5 mm和0.45 mm；17、18排縱向橋梁墩臺間差異沉降最大值為1.12 mm，橫向橋梁墩臺間差異沉降最大值為1.02 mm，相較于無加固條件分別降低了33.7%和32.9%，表明采用旋噴樁等隔離加固措施后，有效減小了橋梁基礎結構的豎向變形，緩解了橋梁墩臺間差異沉降，降低了橋梁發生不均勻沉降的風險。

4.6 盾構施工全過程橋樁豎向位移變化分析

根據模型計算結果，選取臨近盾構隧洞的17、18排橋墩上位移變化顯著的節點(與隧道中部約同一標高，水平距離隧道最近節點)，分析1～10#橋樁分別在加固和無加固兩種條件下橋樁豎向位移變化規律(見圖10)。由圖10可知，盾構開挖穿越橋梁時即為開挖6、開挖7部分，此時橋梁結構位移變化最大。待隧道穿越橋梁后，橋樁位移趨于穩定收斂。盾構施工對橋墩的影響程度與橋樁距離相關，橋樁與隧道距離由近到遠，對應的樁基所受到隧道施工的影響也由強減弱，最小處變形不足1 mm。

圖10 橋墩豎向位移變化曲線示意

通過三維模型計算結果分析，無加固條件下盾構隧洞直接掘進通過橋梁結構時，隧洞開挖會引起橋梁結構產生較大的豎向位移，且墩臺結構自身沉降變化及相鄰墩臺變化較大。采取隔離加固措施后各橋墩沉降變形均有所減小，在隧道穿越橋樁過程中也減緩橋樁的沉降速率，緩解了橋樁沉降問題。并且隔離加固對橋樁的差異沉降有較好的控制作用，有效減小了橋梁承臺的不均勻沉降，確保橋梁結構變形控制在安全范圍內。

4.7 盾構施工現場監測數據分析

盾構施工時對地面、橋梁基礎的監測數據與模型計算數據進行對比，可以很好反映模型的準確性。半洋盾構隧洞于3月30日—4月6日下穿甬莞高速橋，在盾構開挖施工過程中持續對無加固區(測點D1～D5)和加固區(測點D6～D10)地面沉降變形以及1#～10#橋墩的豎向位移進行監測(見圖11)。由圖11可知，隨著盾構掘進，地面及各橋墩均發生了不同程度的沉降變形，其中無加固區測點累積豎向位移范圍為8.04～20.03 mm，加固區測點累積豎向位移范圍為4.88～5.23 mm，加固豎向位移變化幅度明顯低于無加固區；對比分析加固區與無加固區地面沉降變化趨勢，加固區地面沉降變形更具有規律性和收斂性，地面測點數據表明施作旋噴樁隔離加固后地層整體穩定提高，土體擾動減小，地面沉降變形受盾構開挖施工等外界因素影響降低。對于橋梁基礎，盾構隧洞開始施工過程中，各橋墩豎向位移變化趨勢基本一致，其中距離隧道最近的17排1#橋墩發生的沉降位移最大，為1.59 mm，距離隧道最遠的6#橋墩的沉降位移最小，為0.31 mm，17、18排縱向橋梁墩臺間差異沉降最大值為1.24 mm，橫向橋梁墩臺間差異沉降最大值為1.07 mm，這與數值模型的擬合結果基本吻合。

圖11 地面測點及橋墩豎向位移曲線示意

為進一步驗證模型的準確性，選取位于橋梁正下方測點D6和最靠近隧洞的1#橋墩作為現場實測和數值模擬的對比分析對象，同時為更加準確地分析，對實測數據進行初始位移清零處理(見圖12)。由圖12可知，地面測點豎向位移變化趨勢與數值模擬相似，地面測點實測豎向位移(-4.78 mm)高于數值模擬豎向位移(-3.25 mm)，在后期隧洞開挖襯砌中實測豎向位移仍存在一定波動，而數值模擬基本平滑無變化；橋墩豎向變形累積量從大到小依次為未加固(-1.98 mm)、實際測量(-1.55 mm)、隔離加固(-1.48 mm)，可以看出隔離加固措施下的擬合曲線更加貼近實測曲線，沉降變形幅度基本一致，對比實測和擬合數據，模型擬合效果良好，具有一定的施工指導性。

圖12 地表與橋墩豎向位移曲線示意

另外，考慮到現場盾構隧洞開挖施工過程中，地層與橋梁受到的影響因素比較多，在建立模型時很難添加所有要素，并且地面與橋墩的沉降位移主要是由施工測量員現場測量，存在一定的誤差，造成模型擬合的數據與實測數據存在一定差異。

5 結語

本文結合半洋引水隧洞工程盾構下穿甬莞高速高架橋實例，采用三維數值仿真的方法對盾構施工過程進行了模擬分析，相較于以往類似的數值模型研究，本文依托實際工程定量分析了加固前后兩種工況條件盾構下穿橋梁的影響情況，從施工的角度出發，充分考慮了盾構施工對地層和橋梁基礎的沉降影響，并通過施工實測數據驗證了模型的準確性和可靠性，相關方法和數據可為類似工程提供參考和借鑒。

通過分析主要得到以下結論：

1) 盾構施工會引起地層發生豎向變形，造成地面及橋梁發生沉降變形。橋梁基礎越靠近盾構線路，所受到的影響就越大，相鄰墩臺容易發生不均勻沉降，導致橋梁存在安全隱患。

2) 采取旋噴樁等隔離加固措施能有效減小橋梁結構的豎向變形，改善橋梁不均勻沉降等問題。

3) 通過建立模型能很好地模擬分析盾構下穿橋梁的施工情況，對比分析無加固和隔離加固兩種條件下橋梁的沉降變形情況，并通過后期施工監測數據加以驗證，指導工程施工。