高鐵盾構隧道施工對鄰近樁基影響數值分析

張 杰

（鐵道第三勘察設計院有限公司，天津市300251）

1 概 述

隨著城市交通網的快速發展，可接入交通樞紐的地面用地越發緊張，城市地下空間不斷地被開發利用，不可避免地出現盾構隧道穿越市政橋梁樁基的情況。

盾構施工會導致周圍地層地應力損失，從而引起地表沉降，進而打破既有橋梁樁基原有的穩定，橋墩產生位移，過大的位移會給橋梁的正常使用帶來了潛在風險[1]。很多國內外學者針對地鐵隧道施工過程中對既有橋梁的影響問題通過多種方法做了一系列研究[2-9]。但對高鐵雙線盾構斷面這種較地鐵盾構斷面大的多的盾構施工對橋梁的影響分析較少。本文以天津至濰坊高鐵工程為背景，利用有限元軟件進行分析模擬，研究高鐵盾構穿越施工對既有橋梁的影響。

2 工程概況

天津至濰坊鐵路工程線路自天津濱海站引出后并行中央大道海河隧道，上跨規劃B3 線后向南以隧道形式下穿海河、天津大道橋等。天津大道橋穿越段上部結構為30 m 預應力混凝土簡支箱梁，高鐵雙線盾構隧道外徑13.3 m，穿越天津大道橋下行線處埋深約為39.6 m，1# 橋墩下為9 根樁徑1.0 m 的鉆孔灌注樁，樁長42 m，樁端埋深約44 m，樁基與隧道最小凈距5.0 m，樁端高于隧底9.05 m；2# 橋墩下為4根樁徑1.5 m 的鉆孔灌注樁，樁長60 m，樁端埋深約62.3 m，樁基與隧道最小凈距6.3 m，樁端低于隧底9.96 m。隧道穿越橋梁和規劃B2 線范圍采用二次深孔注漿控制地層變形。高鐵盾構隧道與既有市政橋梁位置關系見圖1。

圖1 隧道與既有橋梁位置關系（單位：m）

3 高鐵隧道下穿市政橋梁數值模擬

3.1 模型的規模

計算模型中，為確保計算的精度，土體的選取范圍擬定為：沿隧道方向，在天津大道上行線和規劃B2線下行線距離的基礎上各向外擴一個隧道埋深的距離，合計取190 m；沿隧道橫向，一側外擴一倍隧道埋深，一側外擴30 m，合計取120 m；豎向土體厚度取100 m。根據津- 維高鐵隧道結構與天津大道橋樁基、規劃B2 線的空間位置關系，建立三維數值模型，見圖2。

圖2 三維數值模型

3.2 模型的參數

（1）力學模型

依據地層特性及埋深，土體的材料特性采用Modified Mohr-Coulomb 模型模擬土體的彈塑性；橋墩、承臺和樁基等結構采用線彈性模型。土體、橋梁結構均采用實體單元模擬；樁基礎采用梁單元模擬；盾構管片采用板單元模擬。

（2）地層及結構參數

地層參數根據實際地勘資料取值，并假定不同地層均按照相應厚度水平層狀分布。數值模擬過程中所采用的工程地質參數見表1。

表1 巖土及結構參數

（3）邊界條件

地表取為自由邊界，模型底部完全固定約束，四周取為豎向滑動約束，橋墩、承臺和樁基剛接。

（4）計算荷載

計算模型中的計算荷載除箱梁自重簡化為同等質量的荷載施加到橋墩上外，其余荷載作用由程序自行考慮。

3.3 模型的施工階段

施工階段采用結構單元的激活與鈍化來模擬土層的注漿加固、土體的開挖及盾構管片的施作，通過在施工階段中改變注漿范圍的參數的方法實現對土層加固的過程。同時為了避免模型模擬隧道開挖過程中不收斂，將隧道開挖引起的應力釋放分為2 部分，即隧道開挖且未施作管片之前應力釋放25%，施作管片后釋放其余部分。

高鐵隧道施工階段設置初始應力場分析、位移清零及20 個開挖步，各開挖步詳見表2。

表2 開挖步情況

3.4 計算結果及分析

3.4.1 地層變形分析

隨著高鐵隧道的掘進，打破了原有土層的地應力平衡，主要表現為地層的豎向沉降，同時也會引起隧道鄰近樁基礎的變形，見圖3。

圖3 盾構開挖過程中地層形變云圖

圖3 為第12 個開挖步，掘進至橋墩后4 m 時的地層變形云圖，從圖中可知：在盾構開挖過程中，地層整體呈下沉趨勢，地表出現典型的沉降槽，下沉最大值出現在隧道掘進面后隧道頂部某一范圍，最大值為16.13 mm；在隧道掘進面后隧道底部某一范圍土體由于應力釋放導致土體回彈，最大回彈量為5.03 mm。

圖4 和圖5 分別為沿市政橋梁中心線方向和隧道中心線方向在隧道掘進過程中奇數施工步的地表沉降值曲線圖。

圖5 隧道中心線方向地表沉降（單位：mm）

從圖4 可以看出:地表沉降呈V 形分布，地表最大沉降區域在隧道中心線附近，且隨著開挖的進行最大沉降呈增長趨勢; 隧道開挖通過橋墩過程中，地表沉降速率呈現慢- 快- 慢的趨勢，開挖至橋墩附近時地表沉降速率最大；隧道貫通后地表沉降最大值為14.45 mm。

圖4 橋梁中心線方向地表沉降（單位：mm）

從圖5 可以看出:隨著開挖的進行，橋墩中心線附近的地表沉降呈增長趨勢;隧道入口位置的沉降最早趨于穩定，出口位置最晚趨于穩定；隧道貫通后地表沉降最大值為15.03 mm，位于橋墩中心線前40 m左右，并不是在橋梁樁基附近；從圖中開挖步序13～19 可以看出隧道貫通后在入口附近隧道底部土體發生回彈。

3.4.2 既有橋梁結構變形分析

為獲得盾構施工對既有橋梁樁基的影響，以1#橋墩和2# 橋墩下部樁群為例進行樁基的位移分析。橋墩的樁基編號見圖6。

圖6 樁基編號

圖7 是隧道貫通后市政橋梁1# 樁基和2# 樁基每根基樁的水平位移值。從圖中可以看出：由于隧道在1# 和2# 樁基之間穿過，同時隧道埋深基本處于樁端位置，樁群受到地層擾動以及橋梁結構荷載的直接作用，隧道上方地應力得以釋放，兩側土體受到擠壓，呈現樁端向隧道外側移動，樁頂向內側靠攏的傾向；同一個墩臺下的前排樁和后排樁水平位移基本一致，輕微差別是由于隧道軸線方向與橋梁軸線方向不是絕對垂直引起的；隧道右側樁基位移相對于左側樁基位移偏大，是由于樁長、基樁數量和隧道距離綜合因素引起的；由于高鐵隧道開挖斷面大且埋深基本處于樁端位置，導致土體對樁端的擾動更大，樁端的水平位移大于樁頂，且同一個墩臺下的前排樁的水平位移小于后排樁。

圖7 水平位移值（單位：mm）

圖8 是隧道貫通后市政橋梁1# 樁基和2# 樁基每根基樁的豎向位移值。從圖中可以看出：前排樁的豎向位移大于后排樁，這是由于前排樁的土體豎向位移更大，承臺發生向內傾斜的因素導致的；基樁的最大沉降位置在樁頂，且隨樁身逐漸減小至不發生變化，這是由于樁體的軸向剛度大于土體剛度導致的；同一個墩臺下的前排樁和后排樁豎向位移基本一致，輕微差別同樣是由于隧道軸線方向與橋梁軸線方向不是絕對垂直導致的。

圖8 豎向位移值（單位：mm）

4 結論及建議

（1）高鐵隧道開挖過程中，地表出現沉降槽，開挖至市政橋梁附近時地表沉降速率變大，即地面有附加荷載時會加快地表的沉降速率。建議在施工至橋梁附近時應對隧道周圍土層進行加固處理、放緩隧道開挖速度并及時對隧道進行支護。

（2）地表沉降量最大的位置并不是橋梁樁基附近，說明隧道兩側的樁基對地層的擾動有約束作用。

（3）由于穿越樁端位置的隧道對樁端的擾動大，樁基礎在地質條件不好的情況下容易發生向內的傾斜；同一排樁的位移值基本一致，樁端的水平位移大于樁頂，且同一個墩臺下的前排樁的水平位移小于后排樁、前排樁的豎向位移大于后排樁。建議隧道在穿越地質較差的樁基時，對樁基附近的土層進行加固處理。