盾構隧道及其聯絡通道側穿橋梁樁基影響分析

吳麗萍，劉俊良

（長春工程學院，吉林 長春）

城市快速路高架橋有著眾多群樁基礎，盾構隧道施工有時不可避免地要側穿高架橋群樁基礎，尤其是盾構區間設有聯絡通道并側穿橋梁群樁基礎時，使橋梁群樁基礎的變形產生疊加，影響上部結構，給橋梁帶來安全隱患。

1 研究現狀

近年來，眾多學者利用理論研究法、實驗研究法、數值模擬法研究了盾構隧道施工對鄰近樁基礎的影響。在理論研究法方面：秦東平[1]基于柱體空腔膨脹理論，利用樁側荷載傳遞函數前沿成果對地層應力、地層變形和樁側荷載傳遞函數的計算表達式進行深化，并以此為基礎，研究盾構隧道施工影響下樁基的附加軸力、摩阻力、豎向位移的解析理論以及樁基在隧道不同位置處的力學響應規律；在實驗研究方面：卜璟[2]研制了一套無損觀測土體行為的室內物理模型裝置并利用透明土試驗技術和數字圖像處理技術研究了不同盾構隧道埋深、樁基位置、樁基長度等因素的影響規律；在數值模擬法方面：趙小龍[3]利用Midas GTS NX 將隧道側穿樁基掘進分為4 個施工階段（盾構機到達樁基前、盾體通過樁基后空隙未填充前、盾體通過后空隙用水泥砂漿填筑、盾構機遠離樁基后）來分析各個施工階段下樁基的位移響應，發現樁基最大的位移響應為水平位移，豎向位移相對較小。聯絡通道的施工影響分析以采用數值模擬法為主，李鳳翔[4]依托某越江地鐵聯絡通道工程，利用MIDAS GTS NX對聯絡通道采用凍結法加固和不采用凍結法加固進行對比分析，結果表明：凍結加固暗挖法可以有效地減少聯絡通道開挖引起的變形，控制效果顯著。

2 工程概況

本工程為長春某盾構區間及其聯絡通道側穿多處快速路橋梁樁基礎部分，橋樁與區間左線最近間距為2.9 m，橋樁與區間右線最近間距為5.96 m。隧道埋深約為14 m，盾構采用土壓平衡盾構機，外徑為6 200 mm，內徑為5 500 mm，管片襯砌厚度為350 mm，環寬為1 500 mm。聯絡通道標準斷面凈空尺寸均為2.50 m（寬）×2.70 m（高），襯砌采用復合式襯砌：初期支護采用1.5 米長，外插角為15°的φ32×3.25 超前小導管、鋼筋網φR6,150×150 mm、縱向連接筋φ22、C25 網噴射混凝土、格柵鋼架；二次襯砌采用C40 防水鋼筋混凝土，P10。高架橋中間橋樁長35 m，高架橋兩側橋樁長30 m，樁徑為1.5 m，樁頂距地面為2.2 m，承臺高2 m，橋梁樁基持力層為中風化泥巖層。隧道施工時，先施工左線隧道，待左線隧道盾構施工結束時，再施工右線隧道，最后施工聯絡通道。

3 模型的建立

3.1 模型材料參數

3.1.1 巖土材料參數

根據盾構隧道及其聯絡通道側穿快速路橋樁所在兩站區間的地質勘察報告，盾構隧道及其聯絡通道側穿橋樁區域穿越地層包括雜填土、粉質黏土②2、粉質黏土②3、全風化泥巖、強風化泥巖、中風化泥巖，詳細的土層物理力學參數如表1 所示。建模時假設同一地層連續、均質、各向同性，呈水平層狀分布，建模時取各地層加權平均厚度作為每一地層厚度。

表1 土層物理力學參數

3.1.2 結構材料參數

模型中結構材料包括樁、承臺、橋墩、管片、注漿層、盾殼、聯絡通道初期支護、聯絡通道加固、聯絡通道二次襯砌以及超前小導管，詳細的結構材料參數如表2 所示。

表2 結構材料參數

3.2 模型范圍的選取及建立

本文只研究盾構隧道及其聯絡通道施工對鄰近橋梁樁基礎的影響，不考慮聯絡通道下方泵房的施工對鄰近橋梁樁基礎的影響，因此建模時假設聯絡通道下方不存在泵站。根據眾多學者對盾構隧道施工影響的范圍進行的研究，發現盾構隧道施工時影響的范圍為3～5 倍洞徑，地層范圍取到穩定地層，根據以上因素以及本工程實際工程概況，建立130（X）×110（Y）×60（Z）的三維模型，橋梁結構與盾構區間及其聯絡通道的位置關系見圖1。

圖1 橋梁結構與隧道位置關系圖

4 計算結果分析

4.1 地表變形分析

圖2 為模型中聯絡通道中心線上方橫向地表（X=62，Z=0）上的土體沉降曲線圖。由圖2 可知左線盾構隧道、右線盾構隧道、聯絡通道分別完工時，聯絡通道中心線上方地表橫向直線上的土體最大沉降值分別為-5.85 mm，-5.83 mm，-7.53 mm。所有隧道完工時，地表沉降曲線呈現“W”形，盾構隧道施工對橫向地表上的土體主要影響范圍為左線隧道中心線左側20 米上方地表到右線隧道中心線右側20 米上方地表。聯絡通道施工對地表橫向直線上的土體主要影響范圍為左線隧道中心線左側8 米上方地表到右線隧道中心線右側8 米上方地表。

圖2 地表橫向沉降曲線圖

4.2 橋墩及樁基豎向位移變形分析

由圖3 可知，所有隧道完工時，橋墩及樁基的最大沉降值為3.40 mm，在3-4 的橋樁下部。

圖3 所有隧道完工時橋墩及樁基整體豎向位移

以橋墩及樁基2-3 和3-3 為例，研究其最大豎向位移隨施工步驟變化的關系，如圖4 所示。由圖4 可知2-3、3-3 橋墩及樁基最大豎向位移隨盾構隧道及其聯絡通道施工步驟變化可分為七個階段，即增加-快速增加- 緩慢增加- 快速增加- 緩慢增加- 波動- 緩慢減小。其中左線盾構機開挖第39、40 環土體（此時開挖面分別距離前方2-3、3-3 中的最近橋樁20.4 m）至開挖第69、70 環土體時（此時開挖面分別距離后方2-3、3-3 中的最近橋樁20.9 m），右線盾構機開挖第39、40 環土體（此時開挖面距離前方3-3 中的最近橋樁20.4 m）至右線盾構機開挖第69、70 環土體時（此時開挖面距離后方3-3 中的最近橋樁20.9 m），2-3、3-3 橋墩及樁基最大沉降值增長迅速，由于2-3距離右線盾構隧道比3-3 遠，2-3 在第二次豎向位移快速增加階段的最大沉降增長值比3-3 小。聯絡通道開挖和初期支護時最大豎向位移有所波動，施工聯絡通道二襯時稍有減小。

圖4 最大豎向位移隨施工步驟變化的關系

5 結論

所有隧道完工時，聯絡通道中心線上方橫向地表上的土體沉降曲線呈“W”形，盾構隧道施工對聯絡通道中心線上方橫向地表上的土體主要影響范圍為左線隧道中心線左側20 米上方地表到右線隧道中心線右側20 米上方地表。聯絡通道施工對其中心線上方橫向地表上的土體主要影響范圍為左線隧道中心線左側8 米上方地表到右線隧道中心線左側8 米上方地表。

橋墩及樁基最大豎向位移隨盾構隧道及其聯絡通道施工步驟變化可分為七個階段，盾構隧道施工影響橋墩及樁基最大豎向位移變化的主要施工范圍為盾構機開挖平面距離前方橋墩及樁基的最近橋樁20.4 米到盾尾距離后方橋墩及樁基的最近橋樁20.9米的范圍內。