珠江口隧道水下近距離側穿橋樁影響分析

吳仲倫 李騰飛 于勇

【摘? ? 要】：為確保盾構隧道近距離施工過程中既有交通結構安全運營，以珠江口隧道萬頃沙側盾構段近距離側穿鳧洲大橋48、49號橋墩工程為例，建立了考慮壁后注漿、地層損失率等多因素精細化數值模擬模型，對地層加固后盾構側穿鳧洲大橋橋樁的相互作用進行安全評估，分析樁基豎向位移、水平位移、差異性沉降，結果表明：加固措施合理有效，對橋樁及樁周土體變形起到了控制作用。

【關鍵詞】：隧道工程；盾構法；橋樁

【中圖分類號】：U455.43【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2024）01-04-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.002

收稿日期：2023-02-03

作者簡介：吳仲倫（1990 - ）， 男， 碩士， 廣東順德人， 工程師， 從事鐵路項目建設管理工作。

Analysis on the Influence of Short Distance Lateral Crossing of Bridge Piles in Pearl River Estuary Tunnel

WU Zhonglun1，LI Tengfei2，YU Yong2

（1. Jiangmen Project Construction Headquarters ，China Railway Guangzhou Bureau Group Corporation， Jiangmen 529100， China；??2.China Railway Liuyuan Group Co. Ltd.， Tianjin 300308， China）

【Abstract】：In order to ensure the operationof existing traffic safety structures during the short distance construction of shield tunnel this paper takes the No. 48 and 49 of Fuzhou Bridge Pier Engineering， which nearby passes through shield section on Wanqingsha of Pearl River Estuary tunnel as an example， establishes a detailed numerical simulation model considering multiple factors such as grouting behind the wall and formation loss rate. The safety assessment and analysis were carried out on the interaction between pile piles of shield side crossing Fuzhou Bridge after formation reinforcement. The results show that the strengthening measures are reasonable and effective， which can control the deformation of bridge pile and soil around the pile.

【Key words】：tunnel engineering; shield method; bridge piles

隨著城市發展，不可避免地出現新建隧道近距離穿越周邊既有建（構）筑物的情況。由于既有建（構）筑物安全等級高、沉降變形控制標準嚴，若在隧道施工過程中產生較大的附加變形及作用力，將嚴重影響運營安全。

近年來，關于隧道建設對周邊既有建（構）筑物的研究并不少，但多數研究對象為近距離上跨或下穿既有建（構）筑物[1～6]，對于隧道在高水壓海洋環境下從大型橋樁之間穿越的研究較為少見。

珠江口隧道作為新建新建深圳—江門鐵路的控制性工程，周邊環境及水文地質條件極其復雜，本文以珠江口隧道萬頃沙側盾構段近距離側穿鳧洲大橋48、49號橋墩工程為例，結合數值模擬軟件，對地層加固后盾構側穿鳧洲大橋橋樁的相互作用進行評估分析。

1 工程概況

珠江口隧道全長13.69 km、海域段長約11.05 km，海域段采用盾構+礦山組合工法施工。鳧洲大橋全長4.2 km，南、北引道分別長650、685 m，橋梁全寬31 m，采用雙向分離式斷面，橋梁最大跨度130 m，為雙向6車道。

珠江口隧道盾構施工時在里程DK51+120～DK51+170處需側穿鳧洲大橋第48、49號橋墩，橋墩直徑2.0 m。隧道結構水平距離48號橋墩最近處約為4.15 m，水平距離49號橋墩最近處約為3.43 m。見圖1。

隧道穿越鳧洲大橋范圍內，地層自上而下依次為淤泥、粉質黏土、細砂、中砂、全風化片巖及強風化片巖層。鳧洲大橋48號橋墩底標高為-82.0 m、49號橋墩底標高為-76.0 m，橋墩樁底主要位于全、強風化片巖層中。隧道盾構掘進最大水深約為61.0 m。同時該范圍內存在F3-1斷裂帶。

為盡量減少盾構施工對鄰近鳧洲大橋樁基的影響，采用高壓注漿對隧道與橋樁之間地層進行加固處理，形成隔離樁：在隧道結構與橋樁之間沿盾構線路方向超出最近橋樁兩側5.0 m范圍內（15 m區域）及超出隧道結構豎向5.0 m范圍采用高壓注漿對地層進行加固，對于1倍盾構直徑外的橋樁不再進行隔離加固。見圖2。

2 鳧洲大橋控制標準

鳧洲大橋為既有公路橋梁，橋梁變形及沉降應滿足如下控制要求：

1）相鄰墩臺間不均勻沉降差不應使橋面形成＞0.2%的附加縱坡，均勻總沉降差≯5 mm；

2）同一墩臺不同樁基之間不均勻沉降值≯5 mm。

3 數值模擬分析

3.1 計算模型及邊界條件

采用巖土有限元分析軟件Midas GTS NX建立數值三維模型，鑒于計算區域范圍隧道洞身主要從全、強風化基巖中穿過，地質條件較好；因此理論模型按照距離既有橋梁樁基近的鉆孔地質參數建立地層。為避免邊界效應的影響，模型區域為140 m（線路縱向）×130 m（橫向）×130 m（厚）。

鳧洲大橋南引橋為左右雙幅，其中47～50號橋墩共8個承臺、16根樁位于模型區域，為全面分析隧道-土體-樁基相互作用關系，上述樁基在模型中全部予以考慮。樁和承臺用梁單元模擬，樁土間通過設置樁界面單元和樁端單元實現樁-土耦合，等代層采用板單元，其余均采用實體單元。

模型邊界采用位移邊界條件，以隧道線路前進方向為X方向、線路左右方位為Y方向、重力方向為Z方向，約束前后面的X向位移、左右面的Y向位移，對模型底面約束3個方向的位移。見圖3和圖4。

隧道管片環寬為2 m，取每節盾構掘進的長度為4 m。為考慮壁后注漿影響，采用14 cm厚的等代層模擬盾構隧道管片壁后注漿層，初次施作等代層賦予極小的彈性模量模擬盾尾間隙，后續硬化等代層模擬注漿。盾構掘進方向假定按大里程向小里程方向掘進，先側穿間距較近的49號橋墩樁基，再側穿距離相對較遠的48號橋墩樁基。

3.2 計算模型參數

在計算模型中，開挖過程卸載量較大，若采用摩爾-庫倫模型易造成隧道底部土體回彈隆起變形過大；為較真實的模擬土體實際變形情況，對盾構穿越區域的全、強風化片巖采用修正摩爾-庫倫模型。見表1和表2。

3.3 計算結果分析

3.3.1 樁基位移

1）49號橋墩。珠江口隧道盾構段掘進側穿鳧洲大橋時， 1#～4#樁頂X向水平位移隨著盾構掘進距離先增大后逐漸減小，表明盾構施工造成的土體擾動在開挖面距離樁基較近的范圍內對樁頂X向水平位移有較大影響，隨著開挖面的遠離這種影響逐漸減弱；最終，1#～4#樁頂X向最大水平位移為3.1 mm、Y向最大水平位移為1.1 mm、Z向最大位移為-1.3 mm。見圖5。

2）48號橋墩。珠江口隧道盾構施工側穿鳧洲大橋時，1#～4#樁頂X向水平位移隨著盾構掘進距離先增大后逐漸平緩，表明盾構施工造成的土體擾動在開挖面距離樁基較近的范圍內對樁頂X向水平位移有較大影響，隨著開挖面的遠離這種影響逐漸減弱；最終，1#～4#樁頂X向最大水平位移為3.0 mm、Y向最大水平位移為-1.6 mm，Z向最大位移為-1.6 mm。見圖6。

盾構施工側穿橋梁期間，施工誘發的樁基水平位移較大，而豎向位移較小。這是由于48、49號橋墩樁基較長，樁基底部低于隧道底且嵌入強風化巖層中一定深度，有利于減小隧道施工擾動作用下造成的豎向位移影響。

3.3.2 樁基差異性沉降

鳧洲大橋左幅橋梁49號橋墩不同樁基間的差異沉降最大值為0.2 mm，48號橋墩不同樁基間的差異沉降最大值為0.3 mm； 48、49號橋墩間的不均勻沉降值最大值為0.8 mm，對應變形情況為48號墩較49號橋墩略有下沉。

鳧洲大橋右幅橋梁49、48號橋墩不同樁基間的差異沉降最大值均為0.1 mm； 48、49號橋墩間的不均勻沉降最大值為1.4 mm，對應變形情況為48號橋墩較49號橋墩略有下沉。隧道盾構施工誘發的樁基不均勻沉降均較小。見圖7。

3.3.3 樁基礎不均勻沉降對鳧洲大橋影響

為全面分析隧道盾構施工誘發的樁基礎不均勻沉降對橋梁受力造成的不利影響，采用Midas Civil分析軟件建立橋梁空間梁單元計算模型，驗算出橋墩不均勻沉降為3 mm。將計算結果的基礎沉降組輸入到橋梁計算模型中，對橋梁進行了包括持久狀況正常使用極限狀態、持久狀況和短暫狀況構件的應力計算。

1）正常使用極限狀態下結構抗裂驗算。在使用階段各荷載工況短期效應組合下，主梁各截面頂底板處均未出現拉應力。主梁截面最大主拉應力為0.40 MPa＜1.06 MPa，滿足安全要求［7］。見圖8。

2）持久狀況和短暫狀況構件的應力計算。標準組合下，主梁正截面最大壓應力為8.89 MPa<16.2 MPa，滿足安全要求。斜截面混凝土的最大主壓應力為8.91 MPa＜19.44 MPa，滿足安全要求［7］。見圖9和圖10。

綜上，3 mm的樁基礎不均勻沉降未危及橋梁安全。

4 結論及建議

1）在考慮了隧道盾構施工誘發的樁基礎不均勻沉降后，橋梁各極限狀態下的結構驗算均能滿足規范要求，樁基礎不均勻沉降未危及橋梁安全。

2）本文作為理論分析，建議在隧道盾構側穿鳧洲大橋施工過程中做好控制工作，特別是盾構掘進到距離樁基很近時，應加強監測，根據監測數據反饋調整盾構姿態，動態控制施工過程對橋樁的影響，確保鳧洲大橋的運營及結構安全。

參考文獻：

[1]楊? ? 益，李興高，秦睿成，等. 富水軟土地層盾構隧道下穿建筑物沉降分析及控制研究[J].現代隧道技術，2019，56（S2）：647-653.

[2]畢? ? 強，吳金剛，馬? ? 杰. 新建隧道近距離上穿既有隧道的力學分析及工程處理措施[J].鐵道建筑，2009，（8）：50-54.

[3]孫明路，朱永全，何本國. 小凈距地鐵隧道圍巖受力特性研究[J]. 石家莊鐵道學院學報（自然科學版），2009，22（1）：55-59.

[4]仇文革. 地下工程近接施工力學原理與對策的研究[D].成都：西南交通大學，2003.

[5]萬? ? 飛，譚忠盛，陳? ? 巖. 新建隧道近距離上跨既有線施工方案研究[J]. 北京交通大學學報，2013，37（1）：40-45.

[6]劉學彥，袁大軍，喬國剛，等. 盾構長距離穿越房屋安全技術研究[J]. 現代隧道技術，2014，51（2）：147-151.

[7]JTG 3362—2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].