地铁盾构下穿对近接高架桥桩基的影响

地铁盾构下穿对近接高架桥桩基的影响

摘要:运用MIDAS/GTS 三维有限元分析软件，模拟了盾构隧道动态施工对近接高架桥桩基的影响，重点分析了桩基水平位移及沉降的发展规律，为盾构安全通过提供依据。研究表明: 两侧桩基水平位移在隧道范围内呈现明显“凹槽”; 盾构推力是影响桩基水平位移的重要因素，对沿隧道方向水平位移的影响较沿垂直隧道方向大，对桩基沉降影响较小; 工程拟定袖阀管注浆加固措施将引起桩基产生附加沉降，对桩基水平位移控制无明显效果。分析结果认为，在不采取袖阀管注浆加固措施情况下，合理选取盾构推力，可完成盾构隧道对近接高架桥桩基的安全穿越。

关键词: 盾构下穿高架桥桩基三维数值模拟盾构推力水平位移沉降袖阀管注浆

随着城市轨道交通建设的快速发展，城市地铁盾构隧道将不可避免地穿越周边已建的建( 构) 筑物。特殊情况下，盾构隧道需穿越已有高架桥的桩基础。盾构施工将产生地层土体损失，从而导致隧道附近土体应力场发生重分布，近接桩基周边法向应力将有不同程度的释放，使得桩基的承载能力折减。同时，隧道施工引起隧道周围地层移动，其产生的自由土体位移场使得工作状态的桩基产生附加弯矩和变形［1-5］，对桩基础的安全使用产生风险。地铁盾构隧道下穿对近接高架桥桩基的影响分析成为当前城市地下空间开发中的热点问题。

1 工程地质条件及近接桩基概况

1. 1 地质条件

本工程区段属于丘陵地貌，沿线为剥蚀残丘和丘间冲沟相间，因道路等工程建设，原地貌大多经过挖填。地下水以第四系孔隙水、基岩裂隙水赋存。该区段内冲积～洪积砂层不会产生地震液化，不良地质有:软土地层、砂层、花岗岩残积土及“球状风化孤石”。本工程范围区间隧道主要从冲积—洪积粉质黏土层( 4N-2) ，( 4N-3) ，残积土层( 5H-2) 中穿过。

该区段地层自上而下依次为素填土、冲积—洪积而成的可塑状粉质黏土、冲积—洪积而成的稍密中粗砂、硬塑状花岗岩残积土、全风化花岗岩、强风化花岗岩。

1. 2 近接高架桥桩基概况

广州地铁六号线萝岗～香雪区间下穿北二环高速公路高架桥桩基工程位于广州市萝岗区广深高速公路与北二环高速公路交汇处，位于地铁六号线右线设计里程YDK40 + 510. 544，左线设计里程ZDK40 +523. 849 附近。本区段拟采用盾构法施工，隧道埋深约15 m，所穿越的北二环高速公路立交桥，桥名为“萝岗分离式立交桥”，地铁盾构隧道距离两侧高架桥桩基的距离仅有2. 0 ～12. 5 m，上部构造采用预应力混凝土连续箱梁，下部构造为柱式墩，Ф1 800 mm钻孔灌注桩基础，为摩擦型桩，桩底均落入全风化花岗岩，桩基与隧道位置关系平面图见图1，高架桥桩基与盾构隧道剖面关系图见图2，桩基与隧道位置关系见表1。

2 近接桩基控制标准及模型建立

2. 1 近接桩基沉降控制标准

制订近接桩基的沉降控制标准，通常采用允许位移值进行控制。但其涉及的因素很多，既要满足承载力要求，又要满足桩基上部结构的允许沉降值。关于近接桩基沉降控制标准，主要依据《地铁设计规范》( GB 50157—2003) 规定的墩台沉降量不超过50 mm，相邻墩台的差异沉降不超过20 mm。参照广州地铁西村站墩台最大允许沉降值20 mm［6］及成都乐山客运专线机场单墩沉降允许值为20 mm、相邻墩台差异沉降允许值为15 mm［7］; 结合本工程，取差异沉降值20 mm作为单墩沉降允许位移值。为有效控制桩基沉降，制订桩基沉降警戒值为极值的80% 作为控制标准，桩基沉降预警值为极值的40% 作为控制标准，如表2所示。

2. 2 近接桩基水平位移控制标准

近接桩基水平位移控制标准的制订，根据《建筑桩基技术规范》( JGJ 94—2008) 桩基地面处水平位移允许值为10 mm，对于水平位移敏感的建筑物取为6 mm 的规定，结合本工程特点，取单桩水平位移允许值为6 mm。

为有效控制桩基水平位移，取单桩水平位移允许值的80%作为桩基水平位移控制的警戒值、40% 作为桩基水平位移控制的预警值，制订的桩基水平位移控制标准见表3。

2. 3 计算参数

根据广州市轨道交通六号线二期工程详细勘察阶段岩土工程勘察报告，由室内试验或原位测试结果的统计值，按工程类比的方法提供岩土参数。模型物理力学参数见表4。

2. 4 计算模型

采用MIDAS/GTS 岩土专用有限元分析软件，建立三维数值分析模型，动态模拟了盾构到达前的挤压扩张、土体开挖、衬砌安装与盾尾填充注浆三个阶段。隧道埋深取15 m，盾尾注浆过程采用注浆单元属性代替原间隙土属性实现，盾构钢壳采用板单元模拟，高架桥桩基及周围土体用实体单元模拟。采用地层荷载法建立三维计算模型，模型上表面为自由边界面，底部为竖向位移约束，各侧面为对应方向水平位移约束。

2. 5 盾构推力

鉴于盾构顶进推力参数的重要性，国内外学者［8-12］进行了较为深入的研究，主要通过现场实测和模型试验进行盾构顶进推力的变化规律及土体与盾壳之间摩擦作用机理的研究，并得出了一些有益的结论。结合本工程的特点，仅考虑与盾构正面土压力平衡的盾构推力对桩基位移的影响，盾构推力分布模式与土压力相同，沿深度方向线性分布。模型选取三种不同盾构推力进行分析计算，见表5。

2. 6 桩基位移分析

左右线盾构隧道完成穿越后桩基水平位移曲线见图3。在图3 中，两侧桩基水平位移在隧道范围内呈现明显“凹槽”，而中间桩基20-1 与20-2 两侧均有地层土体损失，故无此规律。

图4 为桩基沿隧道方向水平位移，图5 为桩基垂直隧道方向水平位移，桩基沉降见表6。在图4 中，桩基沿隧道方向水平位移受盾构推力的影响较大，且随着近接距离的减小而增大。在图 5 中，盾构推力对桩基垂直隧道方向水平位移有一定影响，但较盾构推力对沿隧道方向水平位移的影响要小。笔者认为，过大的盾构推力会对开挖面土体产生挤压，并扩散至近接桩基，对其位移产生影响，且以沿隧道方向的水平位移为主。在表6 中，盾构推力对桩基沉降影响非常小。