地铁施工对邻近桥梁桩基影响研究

宗振宇

（天津市地下铁道集团有限公司，天津 300380）

随着我国城市规模扩大，为改善交通状况，以地铁为代表的轨道交通得到了空前发展。在城市中修建地铁，会不可避免地邻近或穿越既有桥梁，地下施工造成开挖面土方临空卸载，周边地层原有应力状态失去平衡，桥梁基础周边约束地层产生变形，对桥梁基础承载造成不利影响[1～10]。本文分析地铁邻近施工对桥梁基础影响范围，明确桥梁允许变形控制指标，指导施工。

1 工程概况

北京地铁27号线二期工程学院桥站—西土城站区间以学院桥站大里程端为起点，沿学院路向南敷设，在西土城站与地铁10号线换乘。西土城站为岛式站台，总长212.3 m，标准段宽25 m、高22.25 m，覆土厚度11.86~12.56 m，底板最大埋深34.81 m，三层三跨直墙拱形结构，车站基坑采用暗挖PBA工法（4导洞）施工，两侧区间均采用盾构法施工，隧道拱顶覆土21.0~27.9 m，底板埋深27.0~33.9 m。车站地下一层侧墙及中板施工完成后盾构先行过站。

西土城车站主体侧穿的学知桥TZ0~TZ1轴为预应力混凝土简支T梁。TZ0桩径1 m、长24 m，桩底标高22.8 m；TZ1桩径1.5 m、长25 m，桩底标高18.3 m；车站结构外墙与TZ0、TZ1水平距离分别为3.93、8.25 m，车站结构底板与桩底竖向距离分别为8.67、3.9 m（桥桩底在上）。西侧换乘通道自TZ0~TZ1轴下方正交穿越，结构外墙与TZ0、TZ1水平距离分别为4.22、7.92 m，结构底板与桩底竖向距离分别为5.22、9.72 m（桥桩底在下），1#横通道近邻学知桥，通道初支外侧距桥桩1.24 m，5#竖井侧穿TZ5轴，与TZ5水平距离4.14 m，结构底板与桩底竖向距离13.64 m（桥桩底在下）。学知桥TZ2~TZ5为预应力钢-混凝土组合梁，TZ5桩径1.5 m、长29 m，桩底标高16.9 m。

区间地质状况依次为人工填土，第四纪冲洪积层（粉质黏土③层、粉土③1层、粉细砂③2、层粉质黏土④层、卵石⑤层、细中砂⑤1层、卵石⑦层）。

区间主要赋存有上层滞水（一）：含水层岩性主要为杂填土①层、粉土填土①1层、粉土③1层，稳定水位为41.58 m，埋深为7.80 m；潜水（二）：含水层岩性主要为粉细砂③2层、粉土③1层、粉土④1层，稳定水位为35.24～35.61 m，埋深为13.80～14.20 m；层间潜水（三）：含水层岩性主要为卵石⑤层、卵石⑦层、细中砂⑦1层、细中砂⑧2层、卵石⑨层，稳定水位为20.08～20.51 m，埋深为28.90～29.40 m。

2 地铁对桥梁的影响分析

2.1 影响范围

根据受扰动后土体内摩擦角滑裂面内的破坏棱体，按设计要求在正常施工状态下，区间隧道盾构施工对桥梁结构影响范围为学知桥东桥全桥结构；车站主体结构、1#横通道及西侧换乘通道施工对桥梁结构影响范围为TZ0、TZ1轴下部结构及TZ0~TZ2轴上部结构，5#竖井施工对桥梁结构影响范围为TZ5轴下部结构及TZ2~TZ5、TZ5~TZ8轴上部结构。见图1和图2。

图1 车站主体与TZ0轴桩基础相对位置关系

图2 1#横通道施工对TZ0轴基础影响范围

2.2 桥梁基础容许变形

采用Midas Civil有限元软件，应用空间杆系单元，将学知桥东桥钢-混组合梁、双柱预应力混凝土盖梁划分为若干个节点、单元，计算各种不均匀沉降工况时的内力，进行承载能力极限状及正常使用极限状态的验算。见图3和表1。

图3 计算模型

表1 主要计算工况

根据计算结果，地铁邻近施工桥梁应满足的控制技术指标：

1）TZ0~TZ2轴及TZ5~TZ8轴简支T梁纵桥向相邻轴差异沉降控制值为10 mm；TZ2~TZ5轴钢-混组合梁纵桥向相邻轴差异沉降控制值为5 mm；

2）TZ2、TZ5轴盖梁横桥向两墩柱差异沉降控制值2 mm；

3）TZ0轴桥台横桥向两端不均匀沉降控制值为6 mm；TZ8轴桥台横桥向东端与相邻西桥结构缝处差异沉降控制值6 mm；

4）桥梁单测点最大沉降控制值15 mm；

5）桥台及墩柱新增倾斜≯1/1 500。

2.3 地铁引起的桥梁桩基沉降

2.3.1 邻近桥梁地铁施工措施

1#暗挖横通道在拱顶初支外2.0 m、初支内0.5 m，加固邻近建筑物侧土体，横通道与桩基之间、桩底2 m，桩基前后5 m范围内土体进行深孔注浆加固，横通道采用台阶法施工，在上台阶核心土范围外的掌子面设置止浆墙，厚300 mm，采用C25喷射混凝土，设置双层钢筋网，根据地层条件进行实验确定注浆压力，保证深孔注浆效果。

西侧换乘通道CRD法施工，采用深孔注浆超前加固结构周边2 m范围土体，纵向加固范围为换乘通道全长。开挖过程中掌子面遇到砂层及时进行注浆加固，及时进行初支背后注浆，严格控制注浆压力，必要时进行多次注浆，施工过程中加强管线及桥桩监测和巡视，根据监测结果调整施工参数。

区间盾构隧道，从洞内径向注浆加固隧道邻近桥桩一侧土体，同时对邻近桥桩一侧采用ϕ150 mm内外双排复合锚杆桩进行注浆加固。

2.3.2 地铁邻近桥梁桩基施工数值分析

在实际工程应用中，很多情况下地下工程无法进行原位试验，数值模拟方法能近似得到一些工程变化规律。采用有限元软件Midas GTS NX按实际施工工序模拟。仅对TZ0~TZ3轴进行代表性分析，桥面相对地层刚度较大，为提高计算速度和计算精度，将桥面重力换算到相应桥墩顶面，梁单元模拟桥梁桩基，不考虑地下水影响及施工和运营荷载，仅考虑材料自重。见图4。

图4 区间隧道、车站主体及西侧换乘通道施工对TZ0~TZ3轴桥梁桩基影响模型

TZ0轴群桩桩长24 m，1#、2#、3#桩基距离地铁施工逐渐变远。见图5。

图5 TZ0轴桥桩分布

桩身沉降桩顶最大，沿桩身到桩底逐渐减小，桩顶与桩底竖向位移相差不大。桩深10 m以上桩身竖向位移基本上均匀分布，10 m以下桩身沉降差减小明显。1#桩附近地表沉降-23.78 mm，桩身沉降-14.61 mm，2#桩附近地表沉降-21.38 mm，桩身沉降-13.13 mm，3#桩附近地表沉降-19.12 mm，桩身沉降-17.15 mm，考虑地层沉降和桩身沉降本身存在一定连续性，桩基与周围地层之间产生差异沉降，会造成桩侧摩阻力损失甚至出现负摩阻，桩基沉降，承载力降低。见图6。

图6 TZ0轴桩体沉降

桩身应力表现为压应力，施工前，每根桩的桩身应力基本上沿桩身均匀分布，群桩之间应力分布相差不大，符合施工前群桩承载均衡状态。随着邻近地铁车站施工，引发地层竖直和水平位移，隧道水平轴上方竖直位移方向向下，受开挖卸载影响，水平轴下方土体竖直位移方向向上，致使桩基有隆起趋势。受扰动后土体内摩擦角滑裂面位置逐渐向桩底变化，桩基周边地层发生沉降变形，不考虑地下水向施工区域渗流的影响，随着与地下施工距离增大，地层沉降变形减小，邻近桩基础与周边地层之间产生负摩擦力或者地层松弛丧失摩阻力。1#、2#、3#桩身应力变化趋势一致，由顶部向桩底变大发展，在桩深20 m（桩长24 m）范围达到最大，其中1#桩增大了663.27 kPa，2#桩增大了462.4 kPa，3#桩增大了516.47 kPa，而后靠近隧道底部地层范围桩基应力相比20 m处增大趋势减小，距离地铁施工越近，桩身应力变化幅度越大，群桩承载状态产生差异变化，应在此变化范围加强深孔注浆控制。见图7。

图7 TZ0轴桩基施工前后桩身正应力变化

桩顶受承台约束影响，产生相同水平位移。桩身水平位移在桩顶最大，由于群桩上部受承台共同约束作用，沿着桩身向桩底逐渐减小，在桩身-20 m以下趋于稳定。桩身-20 m处水平位移：1#桩0.99 mm、2#桩0.60 mm、3#桩0.08 mm，距离隧道越近，受影响越大。见图8。

图8 TZ0轴桩体水平位移

地层水平变形传递到邻近桩基，桩基与地层开始相互作用直至到达新的力学平衡状态，表现为桩基弯曲、倾斜，桩体弯矩变化。桩深20 m附近，1#桩施工前弯矩为1.24 kN·m，施工后为73.56 kN·m；桩深15 m附近，3#桩施工前弯矩为9.25 kN·m，施工后为63.12 kN·m，表现为承台下方桩体产生较大弯矩内力，群桩因地层位移、桩体与地层相互作用，桩体产生水平变形、竖直变形，承载状态形成差异化，承载能力下降。见图9。

图9 TZ0轴桩体弯矩

1#施工竖井及横通道、车站主体、盾构区间隧道、西侧换乘通道施工阶段桥墩顶点竖向沉降见图10。

图10 TZ0~TZ3轴桥桩施工前后桥墩顶点沉降

结合桥梁桩基可容许变形能力对比分析可知：

1）随着区间隧道、车站主体和西侧换乘通道的依次施工，TZ0~TZ3轴的竖向沉降值逐渐增大，TZ0轴达到14.42 mm；TZ3轴达到7.60 mm；

2）TZ0与TZ1轴之间的最大差异沉降达到4.24 mm，小于控制标准值10 mm；TZ0轴横向桥台的最大差异沉降为2.26 mm，小于控制标准值6 mm；

3）施工过程中桥墩的最大水平位移为3.19 mm，墩柱的倾斜度为0.64，小于控制标准值1/1 500。

车站横通道及导洞完成，现场监测TZ0沉降2.15 mm，TZ1沉降2.08 mm；车站第一层施工，TZ0累计沉降8.42 mm，TZ1累计沉降6.76 mm；完成邻近桥桩桩底注浆加固，车站与邻近桥桩之间土体已注浆加固完成，相比数值计算结果偏小，证实了深孔注浆等措施的可行性。

3 结论

1）考虑现实中桥墩、桥台可能已存在沉降，重点对全桥墩柱及桥台沉降及相关差异沉降、全桥墩柱及桥台新增倾斜、主体结构及附属构造（支座、锚栓、限位设施、伸缩缝装置）的外观进行监测，与桥梁基础变位控制指标进行对比。

2）地下工程施工，考虑地层沉降和桩身沉降本身存在连续性，桩基与周围地层之间产生差异沉降，会造成桩侧摩阻力损失甚至出现负摩阻，桩基沉降桩顶最大，沿桩身到桩底逐渐减小，接近地下施工范围桩基本身产生较大差异沉降，桩身正应力也在此范围增幅较大。

3）桩顶受承台约束影响，产生相同水平位移。桩基水平位移在桩顶最大，沿着桩基向桩底逐渐减小，受周边地层水平位移影响，承台下方接近地下施工范围桩基之间产生较大弯矩内力，桩基之间产生较大差异弯矩，不利桩体偏心承载状态。

4）对桩基受施工扰动范围地层采取加固、隔离措施，确保措施效果，可减小桩基与地层间差异变形。改良底层达到强度后开挖，注浆效果取决于浆体质量、注浆压力以及岩土体的裂隙发育程度。施工条件的各异性以及岩土体内部裂隙发育的未知性，导致加固效果的不确定性，因此注浆体参数是桥梁变形重要影响因素，严格按照设计注浆范围及注浆顺序进行注浆施工，出现局部位移过大，立即调整注浆，以使地表沉降控制在规定范围之内。□■