濱海地區(qū)超大直徑盾構(gòu)隧道穿越對鄰近橋梁的影響?

許 巖，黎 莉，林嘉偉，何志倩，尚國軍，3

（1.深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，廣東 深圳 518040； 2.深圳市城市公共安全技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳 518000；3.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

盾構(gòu)法在松軟含水地層中修建埋深較大的長隧道往往具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢［1-2］。 在望海路快速化改造工程初步設(shè)計(jì)方案中，擬建隧道以盾構(gòu)方式從下方穿越深圳灣大橋深圳側(cè)匝道橋，地鐵13 號線二期工程左右兩線也下穿深圳灣大橋匝道橋橋梁樁基。 在盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)近距離穿過橋梁樁基側(cè)面時，會打破橋梁樁基所處地層的應(yīng)力平衡狀態(tài)，改變橋梁樁基狀態(tài)，樁基狀態(tài)的改變會進(jìn)一步傳遞到橋梁上部結(jié)構(gòu)，危害橋梁的整體安全。 對盾構(gòu)穿越方案的安全性進(jìn)行評估，保證深圳灣大橋的安全運(yùn)行勢在必行。

由于隧道開挖的幾何特性，考慮深埋隧道開挖時，周圍土體應(yīng)力場可以假設(shè)同等應(yīng)力，將隧道開挖簡化為圓孔收縮模型，對周圍土體應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行求解。 Marshall［3］、張治國等［4］在兩階段分析法中將隧道開挖假設(shè)為無限介質(zhì)平面內(nèi)小孔收縮模型，采用小孔收縮理論對隧道開挖引起的土體自由位移場進(jìn)行求解。 曾英俊等［5］和胡云世等［6］在Yu 的計(jì)算方法基礎(chǔ)上將收縮過程引入臨界狀態(tài)土力學(xué)理論，得到了圓孔收縮的彈塑性解。 Marshall 等［7］通過無限球形孔擴(kuò)張理論評估樁的端承能力，得到開挖引起的樁基承載力衰減，同時分析隧-樁相對位置、不同土體物理力學(xué)參數(shù)對隧-樁相互作用的影響。 Randolph 等［8］提出了利用球形小孔預(yù)測樁基承載力的方法。 Mo 等［9］采用不排水統(tǒng)一砂黏土小孔收縮理論解分析了黏土隧道開挖時地表反應(yīng)曲線和超孔隙水壓力的變化規(guī)律，并結(jié)合黏土離心試驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。

在工程領(lǐng)域，孫兵等［10］運(yùn)用離心模型試驗(yàn)，研究了雙線隧道盾構(gòu)施工時地表的變形規(guī)律；傅雅莉［11］采用FLAC3D 軟件對盾構(gòu)隧道掘進(jìn)進(jìn)行模擬，研究表明在盾構(gòu)隧道施工開挖面后方2.0D范圍內(nèi)為橋梁結(jié)構(gòu)的主要影響區(qū)；趙方彬［12］對復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道穿越既有橋梁樁基的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究表明左右線隧道開挖對樁體的沉降具有疊加影響。

本文基于三維解析理論，采用三維非線性有限元程序，對采取加固措施前后盾構(gòu)施工引起的橋梁樁基變形進(jìn)行模擬計(jì)算，分析盾構(gòu)穿越對現(xiàn)有橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響，并驗(yàn)證初步設(shè)計(jì)中加固措施的合理性，以對后續(xù)施工提出建議。

1 工程概況

根據(jù)《望海路快速化改造工程與地鐵13 號線二期（南延）工程深圳灣大橋節(jié)點(diǎn)線路方案與大橋保護(hù)專項(xiàng)設(shè)計(jì)》，地鐵隧道的外徑為6.7m，中心埋深分別為43.3，42.8m；望海路隧道外徑為15.7m，中心埋深為28.4m。 擬建線路原始地貌為淺海灣、淤泥質(zhì)海灘，受灘涂圍填、碼頭建設(shè)、港池開挖、城市建設(shè)等影響，原始地貌發(fā)生了巨大變化。 深圳灣大橋2003 年8 月開工建設(shè)，2007 年7 月建成通車，現(xiàn)狀望海路2012 年底建成通車。 擬建望海路隧道盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)地層包括填石、淤泥、淤泥質(zhì)中粗砂、中砂、粗砂、黏土、淤泥質(zhì)黏土、礫砂、礫質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。

望海路隧道穿越深圳灣大橋影響范圍以C 匝道C12 號橋墩為中心，建立東西向－60 ～＋120m，南北向－120 ～＋120m，深度60m 的三維模型（見圖1，2）。 黃色區(qū)域?yàn)槌醪酱_定的隧道開挖影響范圍，即地鐵隧道左線中心線以左50m、以右85m。 模型覆蓋了深圳灣大橋的A，B，C，D 4 個匝道（A 匝道第4，5 聯(lián)，B 匝道第1，2 聯(lián)，C 匝道第3，4 聯(lián)，D 匝道第4，5，6 聯(lián)）。

圖1 望海路隧道穿越深圳灣大橋模型平面Fig.1 Wanghai Road Tunnel crossing Shenzhen Bay Bridge

為了便于建模計(jì)算，根據(jù)地勘資料對數(shù)值模型中的土層信息進(jìn)行簡化，如表1 所示。

表1 土層幾何信息和物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Soil layer geometric information and physical and mechanical parameters

2 計(jì)算方法

針對上述盾構(gòu)隧道穿越橋梁樁基的力學(xué)模型，基于巖土介質(zhì)小孔擴(kuò)張理論建立隧-土-樁相互作用力學(xué)模型（見圖2），開展盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對地層應(yīng)力場和位移場的影響研究；考慮隧道與鄰近樁基相互作用，分析隧道開挖引起的既有樁基承載力、沉降及水平位移變化。

圖2 基于小孔擴(kuò)張理論的隧-土-樁相互作用模型Fig.2 Tunnel soil-pile interaction model based on the theory of small hole expansion

2.1 隧道開挖引起地層變形及應(yīng)力松弛

隧道開挖對地層產(chǎn)生擾動，使得周邊土體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致土體發(fā)生沉降變形對這種變化進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)生一個新的應(yīng)力場平衡狀態(tài)，這種變化主要分為地層損失和隧道橢圓化。

在計(jì)算隧道開挖產(chǎn)生的位移場時，分別考慮地層損失和隧道橢圓化的影響，在地層損失時采用Verruijt 和Booker［13］的求解，在隧道受橢圓化影響時考慮Strack［14］的求解，各變量的物理含義如圖3所示。 圖中（x，z）表示土體空間的任意一點(diǎn)，r1＝；ε為隧道的地層損失；δ為隧道的橢圓度。

圖3 隧道開挖地層損失和橢圓化求解Fig.3 Solution of formation loss and ellipticity in tunnel excavation

2.2 樁基承載力及變形計(jì)算

樁基受擾動后的附加變形和彎矩的計(jì)算方法如下：將樁基假設(shè)為被樁頂簡支、樁底固定端的梁，將隧道開挖引起的地層應(yīng)力場轉(zhuǎn)換為任意分布荷載施加至樁身，通過結(jié)構(gòu)力學(xué)理論計(jì)算單跨靜定梁的附加變形和彎矩，用以分析隧道開挖對樁基變形和穩(wěn)定性的影響。

2.3 隧-土-樁相互作用

隧道開挖與鄰近樁基相互作用模型如圖4 所示。 其中隧道為淺埋圓形盾構(gòu)隧道，半徑rt，埋深zt；單樁設(shè)為圓形擠土樁，半徑rp，樁長zp；下穿隧道與樁基的相對豎直與水平位置分別為xtp與ztp；dtp為樁頂點(diǎn)到隧道中心點(diǎn)的距離。

圖4 隧-樁相互作用模型Fig.4 Tunnel-pile interaction model

隧道開挖會導(dǎo)致周圍土體的彈性模量降低，形成應(yīng)力松弛區(qū)，從而產(chǎn)生地層沉降，對周圍建（構(gòu)）筑物的樁基穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生不良的影響。 同時樁基的承載力能力降低，使得樁基產(chǎn)生二次沉降。 樁基使用期間，樁基的沉降變形主要分為兩部分：隧道開挖引起的沉降和樁基承載力損失產(chǎn)生的沉降。

針對隧道開挖引起的地層沉降，可通過小孔收縮模型計(jì)算上部土體自由場的位移。

式中：ur為土體任意點(diǎn)在隧道半徑收縮方向的位移。

針對樁基的沉降可根據(jù)樁基承載力和土體剛度，采用雙曲漸近線模型預(yù)測樁基的荷載-沉降曲線。 假設(shè)樁基的服役荷載為Pload，樁基的承載力衰減因子和初始安全系數(shù)分別為：

式中：RQ為樁基的承載力衰減因子；Qvl為隧道開挖后樁基的承載力；Q為樁基的總承載力；SF0為樁基的初始安全系數(shù)。

樁基的初始沉降和樁底初始荷載分別為：

式中：s0為初始沉降；qt為利用球形小孔擴(kuò)張預(yù)測的樁基承載力；ki為樁基剛度；qs，0為樁底初始載荷；Qt，0為初始時刻樁側(cè)摩擦力。

式中：svl為開挖后該時刻樁基沉降；qt，vl為該時刻利用球形小孔擴(kuò)張預(yù)測的樁基承載力；ki，vl為樁基剛度；qs，vl為該時刻樁底荷載；Qt，vl為該時刻樁側(cè)摩擦力。樁基承載力損失引起的沉降為：

隧-土-樁相互作用計(jì)算流程如圖5 所示。

圖5 隧-樁相互作用計(jì)算流程Fig.5 Tunnel-pile interaction calculation flow chart

望海路隧道的施工擾動影響遠(yuǎn)大于地鐵隧道的穿越。 因此，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注鄰近望海路隧道沿線的橋梁樁基影響，如A11，A12，B3，B4，C10，C11，C12，D11，D12 等位置的樁基。

3 未加固穿越結(jié)果分析

基于三維解析理論構(gòu)建的計(jì)算模型，考慮隧道開挖引起的地層應(yīng)力場和變形場演化，分析隧道開挖對樁基的承載力損失率、樁基沉降、樁基水平變形、樁身彎矩等參數(shù)的影響。 在未采取加固措施的情形下，3 條隧道按照地鐵右線、地鐵左線、望海路隧道順序穿越深圳灣大橋后樁基最大水平位移、最大彎矩以及樁頂沉降如表2 所示。

表2 深圳灣大橋重點(diǎn)樁基計(jì)算結(jié)果Table 2 The calculation results of key pile foundation of Shenzhen Bay Bridge

對表2 進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論。

1） 樁基最大水平位移

地鐵右線穿越后影響最大的樁基為C12-1 與C12-2 號樁，為3.8mm；其余樁基的影響較小，最大水平位移均小于2mm。 地鐵左線穿越后，受影響最大的樁基為B04 號樁，最大水平位移為3.3mm，C12-1 與C12-2 號樁的水平位移減小至2.9mm。 望海路隧道穿越后，樁基最大水平位移的量值顯著提高；發(fā)生最大水平位移的樁基為B04 號樁，其次受影響較大的樁基有A11-2 號樁和C11 號樁；望海路隧道穿越引起的樁基水平位移均超過了5mm。

2） 樁基最大彎矩

色譜條件:色譜柱柱型:HP-INNOWAX (30 m × 0.25 mm × 0.25 μm); 程序升溫50 ℃升溫260 ℃ 保持升溫300 ℃ (保持5 min); 柱流量(恒流):1 mL/min; 載氣:氦氣; 分流比:50∶1; 進(jìn)樣量:0.1 μL; 進(jìn)樣口溫度:260 ℃; FID檢測器,檢測器溫度:270 ℃。

地鐵右線穿越后影響最大的樁基同樣為C12-1與C12-2 號樁，為197.8kN·m；其余樁基的影響較小，樁基的最大彎矩均小于40kN·m。地鐵左線穿越后，受影響最大的樁基仍為C12-1 與C12-2 號樁，最大彎矩達(dá)到200kN·m；其次受影響較大的樁基有B04 號樁、C11 號樁，其余樁基的最大彎矩均小于50kN·m。望海路隧道穿越后，樁基最大彎矩的量值也顯著提高，發(fā)生最大彎矩的樁基為B04 號樁，其次受影響較大的樁基有A11-2 號樁、C11 號樁和C10 號樁；望海路隧道穿越引起的樁基最大彎矩均超過了150kN·m。

3） 樁基沉降

地鐵右線穿越后影響最大的樁基同樣為C12-1與C12-2 號樁，最大沉降均為0.17mm；其次受影響較大的樁基有A12-1，A12-2，B03，D11-1，D11-2 和C11 號樁；其余樁基的影響較小，均小于0.1mm。 地鐵左線穿越后，受影響最大的樁基為B03，D11-1 和D11-2 號樁，最大沉降均為0.31mm；其次受影響較大的樁基有A12-1，A12-2，C11，C12-1 和C12-2 號樁。 望海路隧道穿越后，樁基沉降的量值也顯著提高，發(fā)生最大沉降的樁基為D11-1 號樁；其次受影響較大的樁基有C11，B04 和D11-2 號樁。 深圳灣大橋同一跨不同位置樁基的沉降差異較大，易產(chǎn)生不均勻沉降，影響橋梁安全和穩(wěn)定，應(yīng)針對樁基差異沉降重點(diǎn)考察橋跨傾斜影響。

4 地層加固效果模擬分析

4.1 加固措施

為減小隧道施工擾動對深圳灣大橋樁基的影響，加固方式主要從兩方面考慮：提高隧道施工技術(shù)，精確控制地層損失率；優(yōu)化地層加固措施，減小擾動對樁基的影響。 為了便于計(jì)算，考慮優(yōu)化后的地層損失率減小至0.3%，提高隧道周圍的土層參數(shù)。

地層加固考慮的是隧道穿越前對橋梁樁基礎(chǔ)和隧道穿越地層及鄰近區(qū)域進(jìn)行提前加固，提高地層的強(qiáng)度和抗變形能力，一般采用工程注漿等手段實(shí)現(xiàn)。 考慮到地層加固后土的力學(xué)參數(shù)有所提高，且需要對計(jì)算區(qū)域的土層進(jìn)行整體評價以簡化計(jì)算，因此考慮將土體的彈性模量和內(nèi)摩擦角的平均值提高約50% 進(jìn)行計(jì)算，即彈性模量提高至50MPa、內(nèi)摩擦角增大到35°。 需要說明的是，上述條件僅為簡化后且十分保守的加固結(jié)果，用以模擬加固后的計(jì)算和初步分析。

根據(jù)望海路快速化改造工程設(shè)計(jì)施工總承包提出的加固設(shè)計(jì)方案，擬采用MJS 工法加固望海路隧道兩側(cè)土體，減少盾構(gòu)掘進(jìn)對橋梁樁基擾動。

為了模擬MJS 隔離加固措施的效果，在望海路兩側(cè)施加隔離措施，依據(jù)MJS 隔離樁與地層的剛度比計(jì)算地層變形的折減系數(shù)。 本文中MJS 隔離樁深度為50m，距離望海路隧道管片外側(cè)0.5m，MJS樁體材料剛度設(shè)為200MPa，加固后土體剛度為50MPa。 由于簡支梁的撓度與材料剛度成反比，因而預(yù)測的折減系數(shù)為E土／（EMJS·α），α 為考慮施工質(zhì)量的折減系數(shù)，取0.3。 計(jì)算得到的MJS 隔離樁對外側(cè)土體變形的折減系數(shù)為0.56。

在粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂等地層的MJS 隔離樁施工，由于分段鉆進(jìn)成孔、高壓噴漿、水泥收縮等原因，對地層造成的擾動較大。 工程實(shí)踐表明：在上述地層施工大直徑高壓MJS 樁，僅單樁施工對臨近地層的擾動至少為幾毫米，群樁對地層的擾動更大。 本文的計(jì)算模型對MJS 隔離樁進(jìn)行簡化處理，未考慮MJS 隔離樁施工擾動的影響。

4.2 加固效果分析

隧道開挖后地表變形沿隧道截面方向的分布曲線對比如圖6 所示。 望海路隧道穿越后，地層加固前后地表的水平位移和豎向位移分布規(guī)律和影響范圍相似。 地層加固前，水平位移的最大值達(dá)到9mm；地層＋MTS 加固后，水平位移的最大值降低至6mm，減小近1／3。 地層加固前，豎向位移的最大值達(dá)到18mm；地層加固后，豎向位移的最大值降低至12mm，同樣減小約1／3。 通過對比分析，地層加固后，水平位移降低至4mm；豎向位移最大值仍位于隧道頂端，其值保持不變，但MJS 隔離樁以外，豎向位移明顯下降。

圖6 望海路隧道穿越后的地表變形對比Fig.6 Comparison of surface deformation after crossing Wanghai Road Tunnel

加固措施對于地表變形有明顯的抑制作用，可以有效控制地層變形帶來的擾動影響。 MJS 隔離樁加固措施對于地表水平位移有明顯的抑制作用，可以有效控制MJS 隔離樁以外區(qū)域地層豎向沉降帶來的擾動影響。

A 匝道重點(diǎn)樁基的水平位移和彎矩如圖7 所示。 A11-2 以及A12-1 樁基的水平位移均有不同程度的減小趨勢，而樁身彎矩的加固效果并不明顯，部分樁基的彎矩分布規(guī)律有所變化且彎矩值有所增大。 在實(shí)際工程中應(yīng)考慮對重點(diǎn)樁基進(jìn)行加固，以提高樁體的抗彎能力。

圖7 望海路隧道穿越后A11-2 號樁、A12-1 號樁加固前后對比Fig.7 Comparison of pile A11-2 and pile A12-1 before and after reinforcement of Wanghai Road Tunnel

分析范圍內(nèi)深圳灣大橋重點(diǎn)樁基加固前后的計(jì)算結(jié)果如表3 所示。 通過對比發(fā)現(xiàn)，加固后絕大部分樁基的承載力損失率更小了，D11-1 和D11-2號樁的承載力損失率增加了7.4%，后續(xù)應(yīng)考慮這兩根樁的承載力評估。 大部分樁基的最大水平位移都有顯著減小，基本超過30%；A12-1 和A12-2 號樁的最大水平位移略有增大，應(yīng)考慮其樁身加固。C10，C12 號樁的最大彎矩在加固后增大，應(yīng)考慮進(jìn)行樁體加固。

5 結(jié)語

隧道側(cè)穿樁基時易產(chǎn)生樁身水平變形，采取隔離的加固措施可以有效防止隧道兩側(cè)的樁基水平變形。 樁基隔離和加固措施不僅是隧道埋深位置，還應(yīng)包括樁身其他薄弱位置處（如樁頂和地下14m處），可根據(jù)計(jì)算結(jié)果對其進(jìn)行加固優(yōu)化。 隧道對A，B，C，D 4 個匝道的影響不一，隧道開挖對A11-2，B03，C11，D11-1 的影響最大，在開挖中應(yīng)對這些樁進(jìn)行重點(diǎn)考慮。 采用地層＋MJS 加固，重點(diǎn)樁基的水平位移均有不同程度的減小趨勢，而樁身彎矩的加固效果并不明顯，部分樁基的彎矩分布規(guī)律有所變化且彎矩值有所增大。 在實(shí)際工程中，應(yīng)考慮對重點(diǎn)樁基進(jìn)行加固，以提高樁體的抗彎能力。 需要說明的是，本文的計(jì)算結(jié)果基于莫爾-庫侖模型，建議后續(xù)施工圖設(shè)計(jì)階段開展相應(yīng)單元試驗(yàn)或原位試驗(yàn)獲取土體力學(xué)特性，采用高級軟土本構(gòu)模型模擬隧道開挖地層及其對周圍結(jié)構(gòu)的擾動影響。

專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案中，望海路隧道下穿深圳灣大橋，其距離匝道橋承臺及樁基礎(chǔ)過近，采用2m 直徑的MJS 隔離樁及MJS 抽條加固的方案施工困難大，多次擾動地層，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。 后續(xù)若采用此方案仍需進(jìn)一步論證其合理性和可行性，并建議采用試樁等現(xiàn)場試驗(yàn)的方法進(jìn)行檢驗(yàn)和論證。