隧道掘进过程中邻近桥梁桩基受力变形规律研究

毛艳丽

摘要：隧道盾构下穿既有工程会扰动周围的土体，导致其邻近的构筑物产生变形，甚至结构发生破坏。文章以某邻近桥梁盾构隧道工程为研究对象，分析该盾构隧道施工过程对周边桥梁桩基的影响，并基于有限差分法，分析桥梁桩基及盾构上方路面的变形规律。研究表明，在盾构隧道施工过程中，桥梁桩基及盾构上方路面的变形均小于规范所规定的限值，说明盾构施工对其周边构筑物结构影响较小。研究成果可为隧道盾构施工方案提供理论指导和参考依据。

关键词：隧道施工；邻近桥梁；受力变形；数值模拟

中图分类号：U455.4 A 52 170 4

0 引言

随着城市建设的深度发展，轨道交通规划线路常与公路客运或铁路客运交叉换乘形成复杂的地上、地下交通网络，不可避免地出现隧道盾构下穿既有工程而引起近接桥梁桩基力学行为改变，从而增大了桥梁运行的安全隐患。

隧道下穿既有桥梁工程项目越来越多，此类工程体量大而复杂，变形控制尤为严格。根据《高速铁路设计规范》（TB10621-2014） ［1］的有关规定，桥墩台沉降应＜20 mm，桥墩间不均匀沉降应＜5 mm，顺桥向墩台的水平位移≤5 mm。虽然如此，但不乏成功案例，如广州轨道交通9号线下穿武广客专及京广铁路工程［2］隧顶距离地面7.9～8.9 m，下穿段对武广客专采取安全可靠的MJS工法进行水平加固；天津地铁9号线七经路站-天津站区间盾构下穿天津站［3］采用双线差异贯通的方式将铁路区域内沉降控制标准提高至-10～0 mm；北京地铁14号线盾构区间下穿京津城际［4］则采取对路基加固后采用盾构穿越的方案。有学者在此基础上采用拉格朗日和明德林解以及弹性地基的相关理论分析了隧道盾构施工对桩基水平受力及变形的影响［5］，并通过桩基础应变-应力平面转化有限元法［6］、ABAQUS有限元法［7］、FLAC 3D有限差分法［8］等数值模拟方法开展了盾构开挖顺序对既有桥基力学行为特征的影响研究，均认识到隧道盾构下穿施工对既有桥梁桩基的影响不容忽视，尤其是邻近盾构施工侧的桩基沉降明显大于另外一侧，且因为盾构反复下穿地层引起的地层沉降会叠加促使桥基力学行为异常，加重安全风险。因此需要开展隧道盾构施工条件下对桥梁桩基的影响分析。

本文以某邻近桥梁隧道工程为研究对象，通过有限元软件建立三维模型，在天然状态下桥基力学行为分析基础上，进一步探讨隧道盾构下穿施工过程中桥梁桥墩

变形特征、隧道上方路面变形特征，以明确隧道施工过程中桥梁桩基力学行为特征，旨在给城市地铁隧道的近接工程施工提供重要的理论和实践指导。

1 工程条件

1.1 工程概况

某地铁隧道盾构区间下穿已建成通车的市政桥桥墩，穿越长度为300 m，隧道结构埋深约13 m，如图1所示。线路涉及桥梁的跨度单跨30 m。隧道相距15号、16号、32号桥墩最小距离分别为6.7 m、7 m和6.7 m。

各桥墩桩基、承台位置与盾构隧道位置关系如图2所示，从图中2可以看出12根桩基的桥墩和9根桩基的桥墩是对应出现的，例如编号为C、C1和C2墩与D、D1和D2墩是类似的。其中15号桩对应里程为DK2218+782.00，桩基嵌岩深度14.1～14.7  m；16号桩轴对里程为DK2218+686.00，桩基嵌岩深度14.1～14.9 m。

1.2 场地工程地质条件

结合区域地质资料，研究段地层岩性从上到下如表1所示。其中，隧道大面积下穿粉质黏土和淤泥，层厚不均，变化厚度最小0.3 m，最厚10.0 m；土体呈流塑-软塑状态，承载力低、强度弱、受荷或扰动后变形大。岩土体主要物理力学参数如表1所示。

1.3 盾构施工过程

陈村隧道内、外径分别为5.9 m和6.6 m，管片宽1.5 m、厚0.35 m，材料为C50混凝土。7块拼接为一环。盾构过程中的掘进方式为土压力平衡法，施工过程中严格控制注浆量、出土量和注浆凝结时间，并通过二次注浆的方式保证施工效果。如图3所示。

2 建立分析模型

2.1 分析模型

根据工程情况和场地条件建立数值分析模型，所建立的模型如圖4所示，模型长、宽、高分别为115 m、110 m和55 m。桥墩采用实体模型，其中两侧桥墩（15号和32号）距离模型边界均超过20 m、桩底距离模型底部大于5倍桩径，避免了边界效应。

在模型中设置各地层的厚度分别为：4 m、2 m、6 m、2 m、4 m、2 m，30 m。其地层向下依次为填土（1-1）、淤泥（2-2）、粉砂（3-1）、淤泥（2-2）、粉质黏土（4-1）、中砂（3-3）、强风化砂岩（7-2）、弱风化砂岩（7-3）。

计算过程中，模型边界条件设定模型底部三个方向位移和速度方向固定，四周边界设定水平位移固定，模型顶部则为自由面。

计算时岩土体采用M-C本构模型，盾构机及管片采用弹塑性模型，计算参数如表2所示。

2.2 隧道下穿过程模拟

根据实际施工设计，盾构推进长度为每节1.6 m。计算过程中预先删除与单节管片长度一致的土体单元，删除后采用壳体单元模拟盾构机盾壳，并结合所赋予的结构力学参数来模拟施工过程中对土体的支撑力，计算中，为了模拟土压平衡模式，在拟定开挖的平面上限制Y方向的水平和竖向位移，用管片单元替换壳体单元模拟衬砌。重复上述操作完成全部盾构推进流程。盾构推进的过程中还需要同步模拟土层注浆加固，为简化计算流程，仅考虑注浆凝固后（即加固完成后）浆液性质，计算参数取为E=0.25 MPa。

3 开挖过程中桥梁桥墩变形特征分析

以图2中D1、E、E2的3列桥基为例进行分析。

D1列桥基变形如图5所示。由图可知，3排桥墩水平/垂直方向位移均相对较小，尤其是竖向位移未达0.01 mm。且从计算结果进一步可知，中间排（16号）桥墩因受扰动较小其变形量显著小于两侧桥墩的变形量，尤其是水平位移基本为0 mm。

E列、E2列桥基变形情况与D1列基本相似，仅位移大小略有差异，但≤0.001 mm。如图6、图7所示。

4 开挖过程中隧道上方路面变形特征

由于地面长度较长，且从开挖后的云图中可以看出隧道上方的路面变形几乎一致，因此选取其中几个点进行观察。选取桥基间的隧道上方路面观察，因为此处路面变形对桥基影响最大。具体观察分析如下所示：

15号、16号及32号D1列桥墩间隧道上方路面垂直方向变形如图8所示。从图中可以看出，当隧道盾构施工通过节点位置（如图中开挖进深10～20 m）时，隧道上方的路面变形相对较大，最大沉降接近2 mm（隧道30 m处），随着掘进深度的增加，地面变形受此扰动影响逐渐减小，整段隧道变形在1.8～2 mm。

15号、16号及32号E列桥墩间隧道上方路面垂直方向的变形如图9所示。从图中可以看出，当隧道盾构施工通过节点位置（如图中开挖进深52～ 68 m）时，隧道上方的路面变形相对较大，最大沉降接近1.7 mm（隧道80 m处），随着掘进深度的增加，地面变形受此扰动影响逐渐减小，整段隧道变形在1.7～1.8 mm。

15号、16号及32号E2列橋墩间隧道上方路面垂直方向的变形如图10所示。从图中可以看出，当隧道盾构施工通过节点位置（如图中开挖进深98～110 m）时，隧道上方的路面变形相对较大，最大沉降发生在模型边界处，为1.67 mm。

5 结语

本文以某地铁盾构施工穿越邻近桥梁工程为背景，通过有限元软件建立三维模型，在天然状态下桥基力学行为分析基础上，进一步探讨隧道盾构下穿施工过程中桥梁桥墩变形特征、隧道上方路面变形特征，得出结论：隧道施工对既有桥梁影响较小；施工过程中，盾构线路所穿越的桥墩水平和竖向位移均＜1 mm；隧道正上方地表最大沉降变形4 mm，对地表稳定亦无影响；隧道盾构施工方案设计可行。

参考文献

［1］TB10621-2014，高速铁路设计规范［S］.

［2］邓 唐.高铁列车动载作用下盾构隧道管片疲劳影响因素及评价方法研究［D］.成都：西南交通大学，2016.

［3］齐 涛.盾构隧道施工数据库管理系统开发及应用研究［D］.上海：同济大学，2009.

［4］徐干成，李成学，王后裕，等.地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析［J］.岩土力学，2009（S2）：269-273.

［5］宋 军.浅埋暗挖隧道下穿建筑物桩基-筏板托换施工技术研究［J］.铁道建筑技术，2015，4（4）：64.

［6］资 谊.盾构隧道近距离侧穿桩基的数值计算与分析［J］.铁道建筑技术，2011（S1）：118-121.

［7］巨建勋，史文杰.下伏隧道施工条件下桥梁基础的力学响应研究［J］.公路，2014，59（3）：63-67.

［8］杨 博.地铁盾构隧道近接施工对既有桥梁桩基力学行为的影响分析［D］.重庆：重庆交通大学，2018.

收稿日期：2023-04-17