隧道掘進過程中鄰近橋梁樁基受力變形規律研究

毛艷麗

摘要：隧道盾構下穿既有工程會擾動周圍的土體，導致其鄰近的構筑物產生變形，甚至結構發生破壞。文章以某鄰近橋梁盾構隧道工程為研究對象，分析該盾構隧道施工過程對周邊橋梁樁基的影響，并基于有限差分法，分析橋梁樁基及盾構上方路面的變形規律。研究表明，在盾構隧道施工過程中，橋梁樁基及盾構上方路面的變形均小于規范所規定的限值，說明盾構施工對其周邊構筑物結構影響較小。研究成果可為隧道盾構施工方案提供理論指導和參考依據。

關鍵詞：隧道施工；鄰近橋梁；受力變形；數值模擬

中圖分類號：U455.4 A 52 170 4

0 引言

隨著城市建設的深度發展，軌道交通規劃線路常與公路客運或鐵路客運交叉換乘形成復雜的地上、地下交通網絡，不可避免地出現隧道盾構下穿既有工程而引起近接橋梁樁基力學行為改變，從而增大了橋梁運行的安全隱患。

隧道下穿既有橋梁工程項目越來越多，此類工程體量大而復雜，變形控制尤為嚴格。根據《高速鐵路設計規范》（TB10621-2014） ［1］的有關規定，橋墩臺沉降應＜20 mm，橋墩間不均勻沉降應＜5 mm，順橋向墩臺的水平位移≤5 mm。雖然如此，但不乏成功案例，如廣州軌道交通9號線下穿武廣客專及京廣鐵路工程［2］隧頂距離地面7.9～8.9 m，下穿段對武廣客專采取安全可靠的MJS工法進行水平加固；天津地鐵9號線七經路站-天津站區間盾構下穿天津站［3］采用雙線差異貫通的方式將鐵路區域內沉降控制標準提高至-10～0 mm；北京地鐵14號線盾構區間下穿京津城際［4］則采取對路基加固后采用盾構穿越的方案。有學者在此基礎上采用拉格朗日和明德林解以及彈性地基的相關理論分析了隧道盾構施工對樁基水平受力及變形的影響［5］，并通過樁基礎應變-應力平面轉化有限元法［6］、ABAQUS有限元法［7］、FLAC 3D有限差分法［8］等數值模擬方法開展了盾構開挖順序對既有橋基力學行為特征的影響研究，均認識到隧道盾構下穿施工對既有橋梁樁基的影響不容忽視，尤其是鄰近盾構施工側的樁基沉降明顯大于另外一側，且因為盾構反復下穿地層引起的地層沉降會疊加促使橋基力學行為異常，加重安全風險。因此需要開展隧道盾構施工條件下對橋梁樁基的影響分析。

本文以某鄰近橋梁隧道工程為研究對象，通過有限元軟件建立三維模型，在天然狀態下橋基力學行為分析基礎上，進一步探討隧道盾構下穿施工過程中橋梁橋墩

變形特征、隧道上方路面變形特征，以明確隧道施工過程中橋梁樁基力學行為特征，旨在給城市地鐵隧道的近接工程施工提供重要的理論和實踐指導。

1 工程條件

1.1 工程概況

某地鐵隧道盾構區間下穿已建成通車的市政橋橋墩，穿越長度為300 m，隧道結構埋深約13 m，如圖1所示。線路涉及橋梁的跨度單跨30 m。隧道相距15號、16號、32號橋墩最小距離分別為6.7 m、7 m和6.7 m。

各橋墩樁基、承臺位置與盾構隧道位置關系如圖2所示，從圖中2可以看出12根樁基的橋墩和9根樁基的橋墩是對應出現的，例如編號為C、C1和C2墩與D、D1和D2墩是類似的。其中15號樁對應里程為DK2218+782.00，樁基嵌巖深度14.1～14.7? m；16號樁軸對里程為DK2218+686.00，樁基嵌巖深度14.1～14.9 m。

1.2 場地工程地質條件

結合區域地質資料，研究段地層巖性從上到下如表1所示。其中，隧道大面積下穿粉質黏土和淤泥，層厚不均，變化厚度最小0.3 m，最厚10.0 m；土體呈流塑-軟塑狀態，承載力低、強度弱、受荷或擾動后變形大。巖土體主要物理力學參數如表1所示。

1.3 盾構施工過程

陳村隧道內、外徑分別為5.9 m和6.6 m，管片寬1.5 m、厚0.35 m，材料為C50混凝土。7塊拼接為一環。盾構過程中的掘進方式為土壓力平衡法，施工過程中嚴格控制注漿量、出土量和注漿凝結時間，并通過二次注漿的方式保證施工效果。如圖3所示。

2 建立分析模型

2.1 分析模型

根據工程情況和場地條件建立數值分析模型，所建立的模型如圖4所示，模型長、寬、高分別為115 m、110 m和55 m。橋墩采用實體模型，其中兩側橋墩（15號和32號）距離模型邊界均超過20 m、樁底距離模型底部大于5倍樁徑，避免了邊界效應。

在模型中設置各地層的厚度分別為：4 m、2 m、6 m、2 m、4 m、2 m，30 m。其地層向下依次為填土（1-1）、淤泥（2-2）、粉砂（3-1）、淤泥（2-2）、粉質黏土（4-1）、中砂（3-3）、強風化砂巖（7-2）、弱風化砂巖（7-3）。

計算過程中，模型邊界條件設定模型底部三個方向位移和速度方向固定，四周邊界設定水平位移固定，模型頂部則為自由面。

計算時巖土體采用M-C本構模型，盾構機及管片采用彈塑性模型，計算參數如表2所示。

2.2 隧道下穿過程模擬

根據實際施工設計，盾構推進長度為每節1.6 m。計算過程中預先刪除與單節管片長度一致的土體單元，刪除后采用殼體單元模擬盾構機盾殼，并結合所賦予的結構力學參數來模擬施工過程中對土體的支撐力，計算中，為了模擬土壓平衡模式，在擬定開挖的平面上限制Y方向的水平和豎向位移，用管片單元替換殼體單元模擬襯砌。重復上述操作完成全部盾構推進流程。盾構推進的過程中還需要同步模擬土層注漿加固，為簡化計算流程，僅考慮注漿凝固后（即加固完成后）漿液性質，計算參數取為E=0.25 MPa。

3 開挖過程中橋梁橋墩變形特征分析

以圖2中D1、E、E2的3列橋基為例進行分析。

D1列橋基變形如圖5所示。由圖可知，3排橋墩水平/垂直方向位移均相對較小，尤其是豎向位移未達0.01 mm。且從計算結果進一步可知，中間排（16號）橋墩因受擾動較小其變形量顯著小于兩側橋墩的變形量，尤其是水平位移基本為0 mm。

E列、E2列橋基變形情況與D1列基本相似，僅位移大小略有差異，但≤0.001 mm。如圖6、圖7所示。

4 開挖過程中隧道上方路面變形特征

由于地面長度較長，且從開挖后的云圖中可以看出隧道上方的路面變形幾乎一致，因此選取其中幾個點進行觀察。選取橋基間的隧道上方路面觀察，因為此處路面變形對橋基影響最大。具體觀察分析如下所示：

15號、16號及32號D1列橋墩間隧道上方路面垂直方向變形如圖8所示。從圖中可以看出，當隧道盾構施工通過節點位置（如圖中開挖進深10～20 m）時，隧道上方的路面變形相對較大，最大沉降接近2 mm（隧道30 m處），隨著掘進深度的增加，地面變形受此擾動影響逐漸減小，整段隧道變形在1.8～2 mm。

15號、16號及32號E列橋墩間隧道上方路面垂直方向的變形如圖9所示。從圖中可以看出，當隧道盾構施工通過節點位置（如圖中開挖進深52～ 68 m）時，隧道上方的路面變形相對較大，最大沉降接近1.7 mm（隧道80 m處），隨著掘進深度的增加，地面變形受此擾動影響逐漸減小，整段隧道變形在1.7～1.8 mm。

15號、16號及32號E2列橋墩間隧道上方路面垂直方向的變形如圖10所示。從圖中可以看出，當隧道盾構施工通過節點位置（如圖中開挖進深98～110 m）時，隧道上方的路面變形相對較大，最大沉降發生在模型邊界處，為1.67 mm。

5 結語

本文以某地鐵盾構施工穿越鄰近橋梁工程為背景，通過有限元軟件建立三維模型，在天然狀態下橋基力學行為分析基礎上，進一步探討隧道盾構下穿施工過程中橋梁橋墩變形特征、隧道上方路面變形特征，得出結論：隧道施工對既有橋梁影響較??；施工過程中，盾構線路所穿越的橋墩水平和豎向位移均＜1 mm；隧道正上方地表最大沉降變形4 mm，對地表穩定亦無影響；隧道盾構施工方案設計可行。

參考文獻

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［2］鄧 唐.高鐵列車動載作用下盾構隧道管片疲勞影響因素及評價方法研究［D］.成都：西南交通大學，2016.

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［5］宋 軍.淺埋暗挖隧道下穿建筑物樁基-筏板托換施工技術研究［J］.鐵道建筑技術，2015，4（4）：64.

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收稿日期：2023-04-17