盾構隧道施工對鄰近立交橋地層及樁基的變形影響

汪云剛

（浙江明康工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310000）

引言

由于地面交通錯綜復雜，在城市建設過程中隧道不可避免地會側穿既有立交橋樁基，當隧道與立交橋樁基距離較近時，可能會對既有樁基產生不利影響。因此，研究隧道施工過程中鄰近立交橋樁基的變形規律以及如何采取防護措施具有重要意義。近年來，國內學者進行了一些研究，鳳霞和趙俊等[1-2]采用理論分析與數值模擬相結合的方法，重點研究了盾構隧道開挖引起地表變形以及對鄰近樁基的擾動影響，得到了不同情況下開挖面推進引起樁基頂部沉降，并利用有限元軟件分析樁基軸線距隧道中心線之間的距離對不同樁身長度的影響；董必成和伍廷亮等[3-4]通過建立數值計算模型，重點研究了橋梁樁基施工對鄰近地鐵盾構隧道的影響規律，結果表明整個施工過程中隧道豎向位移和水平變形均滿足相關變形控制的要求；陳發東和任建喜等[5-6]以某盾構隧道下穿既有機場線橋樁施工過程為研究對象，采用數值模擬的方法對盾構施工造成臨近樁基及土體變形的響應進行了研究，重點分析了盾構掘進對既有樁基變形及沉降的影響機理，并對盾構引起周圍土體變形破壞區變化規律和變化形態進行了詳細研究。

1 工程概況

某地鐵隧道工程下穿某立交橋樁基工程，隧道外徑為6 m，襯砌厚度為0.3 m，隧道埋深為8.8 ～13.6 m，本研究段隧道埋深約11 m，采用盾構機施工。樁基長為42 m，該位置處立交橋斷面上共有6 根樁基，分兩排布置，每排3 根，兩樁基之間水平距離為3 m，豎向距離為3.5 m，樁的直徑為1.3 m，采用鉆孔灌裝法施工，其中最右側樁基與隧道左線左邊界距離4 m，兩隧道中心間距為12.5 m，其中樁基采用C30 混凝土，隧道襯砌采用C50 混凝土。為了減小隧道施工對立交橋樁基的影響，擬采用袖閥管進行隔離施工，袖閥管設計長度取22.2 m，管徑取1.6 m，間距為1.5 m，共設置9 根，隔離長度共13.5 m，位置關系見圖1。

圖1 位置關系

2 數值建模

采用大型有限元軟件Midas/GTS 建立的數值模型見圖2。

圖2 數值模型

建模時，模型的長、寬、高分別取為80 m、50 m和55 m，研究斷面的隧道的中心埋深約為11 m，隧道直徑為6 m，除模型上邊界外，模型左右、前后邊界以及底部均進行位移和邊界約束。研究區域內主要土質包括有填土、粉質黏土和灰巖層，厚度依次為2 m、5 m、11 m、13 m 和24 m。樁基長為42 m，樁的直徑為1.3 m，袖閥管長度取20 m，管徑取1.6 m，間距為1.5 m。承臺尺寸長寬高分別為10 m、6.5 m 和4 m。襯砌厚度為0.3 m，襯砌背后注漿用注漿等代層模擬，等代層厚度取0.3 m。土體的本構模型均采用摩爾- 庫倫本構模型，建模時各部件均采用實體單元。土體的物理力學參數見表1，襯砌、樁基以及注漿材料等相關參數見表2。

表1 土體的物理力學參數

表2 隧道襯砌及注漿材料力學參數

3 數值結果分析

3.1 地層豎向位移分析

采用袖閥管加固前后地層豎向位移見圖3。

圖3 加固前后地表豎向位移曲線

由圖3 可知，隧道上部土體發生沉降，在拱頂位置處沉降量最大，下部土體發生隆起，最大隆起發生在拱底處。未采取加固措施時，土體最大沉降值為44.7 mm，為右側隧道拱頂處；采用袖閥管隔離措施后，土體最大沉降值為36.6 mm，也在右側隧道拱頂處，采用袖閥管隔離措施相比于未加固時土體最大沉降減小了18.1%，采用22.2 m 袖閥管注漿加固后，地層沉降曲線發生明顯減小，說明采用袖閥管注漿加固隔離措施，可以一定程度上減小地層沉降。

3.2 地層水平位移分析

采用袖閥管加固前后地層水平位移見圖4。

圖4 加固前后地表水平位移曲線

由圖4 可知，隧道兩側土體發生水平位移，在隧道拱腰右側位置處發生向左方向水平位移，隧道拱腰左側位置處發生向右方向水平位移，即隧道發生水平擠壓變形。未采取加固措施時，土體最大水平位移值為24.8 mm；采用袖閥管隔離措施后，土體最大水平位移值為22.1 mm，采用袖閥管隔離措施相比于未加固時土體最大水平位移減小了10.9%。另外，在袖閥管注漿加固后，水平曲線發生明顯的減小，對于左線和右線，最大水平位移分別減小了7.1 mm和2.7 mm，說明采用袖閥管注漿加固隔離措施后，可以一定程度上減小地層水平位移，尤其是左線隧道周圍。

3.3 加固前后橋墩沿深度方向水平位移分析

由于隧道是側穿立交橋橋墩，橋墩的水平位移對于立交橋的整體穩定性至關重要。圖5 給出了采用22.2 m 袖閥管注漿加固前后橋墩沿深度方向水平位移曲線，橋墩取最靠近左線隧道1#橋墩。

圖5 加固前后橋墩沿深度方向水平位移曲線

由圖5可知，橋墩發生偏向隧道方向的水平位移。無加固措施時，橋墩最大正水平位移值為22.6 mm，而采用22.2 m 袖閥管注漿加固前后橋墩最大正水平位移值為12.1 mm；無加固措施時，橋墩最大負水平位移值為5.3 mm，而采用22.2 m 袖閥管注漿加固前后橋墩最大正水平位移值為3.7 mm。采用22.2 m 袖閥管注漿加固后，最大正水平位移值最大負水平位移值分別減小了46.5%和30.2%，說明采用袖閥管注漿加固后，可以明顯地減小橋墩的水平位移，起到較好的隔離作用。

4 結語

（1）采用袖閥管注漿加固后，地層沉降曲線發生明顯減小，最大沉降值減小了18.1%，說明采用袖閥管注漿加固隔離措施后，一定程度上減小了地層沉降。（2）采用袖閥管注漿加固后，水平曲線發生明顯減小，最大水平位移減小了10.9%，說明采用袖閥管注漿加固隔離措施后，一定程度上減小了地層水平位移，尤其是左線隧道周圍。（3）采用袖閥管注漿加固后，橋墩最大正水平位移值最大負水平位移值分別減小了46.5%和30.2%，說明采用袖閥管注漿加固后，明顯減小橋墩的水平位移，起到較好的隔離作用。