地鐵盾構隧道開挖對鄰近立交橋樁基影響分析

呂文龍，王嘉豪

（1.廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司，廣州 510000；2.廣州大學土木工程學院，廣州 510000）

0 引言

近些年，隨著我國城市的不斷發(fā)展，為緩解地面交通壓力，地鐵的快速修建成為大趨勢。而地下隧道的開挖施工必然會對原有的建筑物產生擾動影響，特別是對建筑物的基礎結構部分。因此需要一種擾動作用較小、開挖速度快的隧道施工方法，而盾構法恰好滿足這些要求，成為目前地鐵隧道開挖的主流方式之一，在國內外已經得到大量的推廣和應用。

盾構法隧道施工雖然相對于其他施工方法可以大幅度降低對地下各類樁基礎的影響[1]，但是在城市建筑物密集區(qū)，地下樁基礎繁多，仍不可避免地會在開挖過程中穿越既有建筑物的樁基礎。因此，城市盾構法隧道施工中，隧道接近或穿越建筑物樁基礎的工程情況需要進行深入研究。目前關于盾構隧道的施工一個較為熱門的研究方向是城市盾構隧道瀕臨建筑物樁基礎開挖施工時的樁基礎穩(wěn)定性分析，研究的主要手段為：數(shù)值模擬、模型試驗、理論計算等，并且已經有許多可觀的研究成果。李明睿[2]等通過PLAXIS 3D 進行了盾構隧道施工近距離下穿樁基進行三維仿真模擬，分析結果表明隧道開挖將導致樁基發(fā)生沉降、側移以及傾斜，樁基的整體位移以及傾斜都隨盾構施工的進行不斷增加。魏煥衛(wèi)[3]等采用室內模型試驗，研究了盾構開挖對鄰近樁基的影響，隧道開挖導致的樁頂豎向位移和傾斜率均隨隧道距離增加而變大，且樁長越短所受影響越明顯。張大鵬[4]等通過MIDAS 進行數(shù)值模擬分析了隧道開挖對鄰近橋梁樁基的位移、剪力和彎矩等的影響規(guī)律，結果表明隧道開挖對樁基的橫向位移和縱向位移影響較小，樁基離盾構開挖面越遠，受到的影響越小；隧道掘進過程中對樁體的軸力、剪力和彎矩影響較大。魏亞輝[5]等通過ABAQUS 數(shù)值模擬了黃土地區(qū)盾構開挖對鄰近樁基影響規(guī)律，結論表明在盾構隧道鄰近已有樁基礎施工開挖的過程中，不同的開挖階段對樁基礎的影響也不同；付文生[6]等研究了研究同一地層條件同一樁徑的情況下，樁底與隧洞底持平及樁底與洞中心線持平時，盾構隧道超近距離穿越既有樁基時產生的影響，結論表明盾構隧道在樁基的下方或鄰近通過，由于盾構圓環(huán)間隙的存在，會造成樁兩側的土壓力不平衡，在這種壓力差的作用下，樁會水平位移、彎曲甚至強度破壞；梁志偉[7]分析了“先下后上”和“先上后下”兩種施工工序中，盾構穿越施工對既有隧道的影響，研究其變形、軸向力、軸向彎矩的變化規(guī)律，結論表明不同穿越順序中既有隧道的沉降和內力變化趨勢的是不同的，且最終受到擾動的程度也有所差異，且“先上后下”施工工序更優(yōu)；李進軍[8]等基于上海虹橋綜合交通樞紐工程分析了地鐵盾構隧道穿越對西航站樓樁基礎的影響，結論表明樁身剛度加強并采取三軸攪拌樁隔離的措施，可以有效減小隧道施工對樁基礎附加受力及變形的影響。本文基于十三號線二期工程西場站—彩虹橋站盾構區(qū)間項目，采用數(shù)值模擬的方法，研究了在先進行樁基托換，再進行盾構開挖的復雜工況條件下，盾構掘進對樁基的位移影響規(guī)律。

1 工程概況

某項目為十三號線二期工程西場站—彩虹橋站盾構區(qū)間，在盾構掘進約380 m 后開始下穿德坭立交橋多墩樁基，需要進行樁基托換。由于樁基兩側地面道路地面車流量較大，不具備地面托換的條件，所以本次樁基托換工程采用暗挖通道主動托換，樁基托換采用明挖豎井+橫通道施工+托換樁、托換梁施工，其中樁基托換明挖豎井1 個，暗挖橫通道主導洞1 個，支導洞5 個，托換樁10根，托換梁5個。

德坭立交橋位于廣州市荔灣區(qū)東風西路與廣茂鐵路交匯處，分為舊橋和新橋，其中舊橋于1964 年建成通車，長370 m，寬12 m；新橋建于1995 年，長1309 m，寬15 m，舊橋兩側各8.5 m，設計中線在道路中線段16 m，橋梁為單層預應力混凝土連續(xù)梁橋，各原橋樁樁長大致在20～23 m 左右，隧道埋深約13 m。圖1為地鐵與德坭立交橋的位置關系圖；圖2為樁基托換暗挖通道平剖圖。

圖1 地鐵與德坭立交橋的位置關系圖Fig.1 Location diagram of metro and Deni overpass

圖2 樁基托換暗挖通道平剖圖Fig.2 Plane section of pile foundation underpinning tunnel

由于德坭立交橋43#、44#、45#、48#、49#橋墩需在盾構掘進穿越前進行樁基托換，此過程會對橋墩產生擾動，出現(xiàn)結構位移，會進一步加劇盾構掘進穿越時橋墩的風險，所以本文將重點分析43#、44#、45#、48#、49#橋墩及承臺在樁基托換再盾構側穿之后其結構的位移。

2 計算模型的建立

根據德坭立交橋和橋樁基托換暗挖通道結構的空間立體關系以及工程施工特點，用MIDAS GTS建立三維有限元計算模型，并充分考慮本工程的地層分布特點并合理選取計算參數(shù)、劃分網格。

2.1 結構三維模型

三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部Z 方向位移約束，模型前后面Y方向約束，模型左右面X方向約束。三維有限元整體模型示意如圖3所示，內部結構結構模型示意圖如圖4所示。

圖3 三維有限元整體模型Fig.3 Three dimensional finite element model

圖4 立交橋及樁基和盾構隧道結構模型Fig.4 Structural model of overpass，pile foundation and shield tunnel

2.2 材料參數(shù)的確定

模型中的地層主要根據德坭立交橋及樁基托換暗挖通道相關結構附近的工程地質資料進行適當簡化，地層自上往下依次為素填土、殘積土、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖、微風化泥質粉砂巖。

德坭立交橋周邊地層的力學性質對約束樁基托換暗挖通道施工過程中德坭立交橋的受力和變形起著關鍵作用，因此，進行三維模擬分析計算時須充分考慮本工程的地層分布特點并合理選取計算參數(shù)。采用“地層—結構”模型進行三維建模分析。計算中不同的材料采用不同的本構模型，將模型中的土體視為彈塑性體，采用摩爾-庫倫模型，采用實體單元模擬。暗挖通道支護結構、德坭立交橋等結構均采用各向同性彈性模型。各地層參數(shù)按照地勘報告給出的數(shù)據選取，具體材料參數(shù)取值如表1，模擬單元參數(shù)見表2。

表1 三維數(shù)值模擬材料參數(shù)取值表Table 1 Material parameters for 3D numerical simulation

表2 三維數(shù)值模擬單元參數(shù)表Table 2 Element parameters of 3D numerical simulation

2.3 施工工況的模擬

根據項目實際情況，施工工況共有兩大步驟，首先進行樁基托換，托換完成后再進行盾構隧道的開挖。由于在樁基托換施工過程中，也會對立交橋體結構產生一定的擾動，再進行盾構開挖會進一步加劇立交橋體結構的位移，因此，為具體分析兩大工況對結構產生的影響，將數(shù)值分析也分為兩大步驟，樁基托換工況具體步驟如表3 所示，在樁基托換完成的基礎上，進行位移清零，再來模擬盾構開挖工況，盾構開挖工況具體步驟如表4所示。

表3 樁基托換施工的施工過程Table 3 Construction process of pile foundation underpinning construction

表4 地鐵區(qū)間盾構掘進的三維動態(tài)施工過程Table 4 Three dimensional dynamic construction process of metro shield tunneling

3 計算結果及分析

從MIDAS 中提取第一個施工過程，即樁基托換過程的計算結果。圖5 為樁基托換施工完成后德坭立交橋樁基礎的總位移云圖。圖6 為樁基托換施工過程中德坭立交橋樁基礎結構總位移變化趨勢折線圖，其中橫坐標為施工工況（對照施工工況表3），縱坐標為位移大小。

圖5 樁基托換施工過程中德坭立交橋樁基礎結構的總位移（單位：mm）Fig.5 Total displacement of pile foundation structure of Deni interchange during pile foundation underpinning construction（unit：mm）

德坭立交橋樁基托換施工過程對德坭立交橋樁結構影響的三維模擬分析位移結果表明：①德坭立交橋樁基托換施工過程誘發(fā)德坭立交橋樁基礎結構的最大水平X位移為2.3 mm，水平Y位移為2.6 mm，最大豎向位移為4.9 mm，最大總位移為5.0 mm；②在工況10 處，豎向位移變化出現(xiàn)驟變，原因是為了方便模擬，這里的施工工況為原樁樁基托換通道開挖的施工一步到位，同時施作，導致位移變化較大，但后續(xù)工況總體趨勢還是趨于穩(wěn)定。

從MIDAS 中提取第二個施工過程，即盾構隧道掘進過程的計算結果。圖7 為盾構隧道掘進完成后德坭立交橋樁基礎的總位移云圖。圖8 為盾構隧道掘進過程中德坭立交橋樁基礎結構位移變化趨勢折線圖，圖9 為德坭立交橋各橋樁樁基礎結構位移折線圖，其中橫坐標為施工工況（對照施工工況表4），縱坐標為位移大小。

圖7 盾構隧道掘進過程中德坭立交橋樁基礎結構的總位移（單位：mm）Fig.7 Total displacement of pile foundation structure of Deni overpass during shield tunneling（unit：mm）

圖8 盾構隧道掘進過程中德坭立交橋樁基礎結構位移變化趨勢折線圖Fig.8 Broken line diagram of displacement change trend of pile foundation structure of Deni overpass during shield tunneling

圖9 盾構隧道掘進過程中德坭立交橋各橋樁樁基礎結構位移折線圖Fig.9 Broken line diagram of pile foundation structure displacement of Deni overpass during shield tunneling

由盾構隧道掘進過程對德坭立交橋樁結構影響的三維模擬分析位移結果表明：①盾構隧道掘進過程誘發(fā)德坭立交橋樁基礎結構的最大水平X位移為2.3 mm，水平Y位移為3.9 mm，最大豎向位移為2.8 mm，最大總位移為4.2 mm；②45#橋墩結構因盾構掘進施工誘發(fā)的位移最大，最大總位移為4.2 mm，相鄰橋墩差異沉降均不大于2 mm；③樁基托換后盾構掘進穿越過程中累計誘發(fā)德坭立交橋樁基礎結構的最大水平X位移為4.6 mm，水平Y位移為6.5 mm，最大豎向位移為6.8 mm，最大總位移為8.3 mm。

根據《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG 3363-2019）[9]、《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG H11-2004）[10]及《城市橋梁養(yǎng)護技術規(guī)范》（CJJ 99-2003）[11]，高架橋結構安全控制值按表5 規(guī)定采用。由以上分析可知，各項安全控制指標滿足表5要求。

表5 高架橋結構安全控制值Table 5 Safety control value of viaduct structure

4 設計與施工建議

結合廣州市德坭立交橋的巖土工程地質條件、樁基托換及盾構隧道結構設計施工特點、德坭立交橋結構特點分析，為確保德坭立交橋樁基托換及區(qū)間盾構隧道掘進過程中立交橋結構的安全，不影響立交橋的正常運營，提出以下建議：

（1）鑒于地層計算參數(shù)取值的合理與否對預測分析德坭立交橋樁基礎結構的位移發(fā)展及評估結構安全至關重要，建議項目建設過程結合所開展的結構位移監(jiān)測數(shù)據和盾構掘進施工相關監(jiān)測數(shù)據，必要時開展地層計算參數(shù)的反演計算，為進一步預測分析德坭立交橋樁基礎的位移發(fā)展及其的結構安全奠定基礎。

（2）德坭立交橋距今已有二十多年歷史，結構現(xiàn)狀以及是否已出現(xiàn)損傷對結構安全至關重要，建議在德坭立交橋樁基進行托換前，針對受影響范圍的德坭立交橋的樁基礎結構完整性開展調查及分析，避免樁基托換及盾構掘進的過程中對立交橋造成的不利影響，梳理問題部位并進行針對性的補強加固與重點監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據變化趨勢進行預警報警或參考《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》（GB 50911-2013）[12]中監(jiān)測項目控制值和預警。

（3）建議樁基托換過程千斤頂頂力應分級加載，并同時加強對橋梁、托換梁的變形監(jiān)測，將頂升力控制在允許范圍內，發(fā)現(xiàn)問題應及時停止施工并對頂升參數(shù)進行修正。

（4）進行推進速度控制。盾構機應均速慢速推進，穿越德坭立交橋樁基礎結構過程中，盾構推進速度宜控制在（20～30）mm/min，并根據檢測數(shù)據適當調整速度，盡量減少盾構對土體的擾動，以控制地層變形，降低對德坭立交橋結構的影響。

（5）在樁基托換及盾構施工過程中，若德坭立交橋監(jiān)測數(shù)據發(fā)生異常時，立即停止開挖，分析原因，若地下水位下降或地面沉降值超過警戒值，應立即采取加強支撐、壓漿加固措施保證基坑穩(wěn)定，防止坍塌事故發(fā)生，必要時采取回填措施確?；拥姆€(wěn)定。

（6）由于在樁基托換過程已產生位移，建議加強對已進行樁基托換的43#、44#、45#、48#、49#橋墩及承臺的位移監(jiān)測布點及監(jiān)測頻率，尤其在盾構掘進過程中，重點關注45#橋墩結構位移，實時監(jiān)控。監(jiān)測后應及時對各種監(jiān)測數(shù)據進行整理分析，判斷其穩(wěn)定性，并及時反饋到施工中去指導施工。

5 結語

綜合分析廣州市德坭立交橋周邊場地工程地質資料，結合暗挖通道、樁基托換及地鐵盾構設計、施工特點，以及緊鄰受影響的德坭立交橋樁基礎結構特點分析，依據所開展的系列三維數(shù)值模擬計算結果及其分析，得到的具體結論如下：

（1）德坭立交橋樁基托換施工過程誘發(fā)德坭立交橋樁基礎結構的最大總位移為5.0 mm，滿足根據相關規(guī)范確定的變形指標。

（2）盾構隧道掘進過程誘發(fā)德坭立交橋樁基礎結構的最大總位移為4.2 mm，滿足根據相關規(guī)范確定的變形指標。

（3）樁基托換后盾構掘進穿越過程中累計誘發(fā)德坭立交橋樁基礎結構的最大總位移為8.3 mm，滿足根據相關規(guī)范確定的變形指標。