隧道盾构施工对临近桥梁桩基的影响研究

隧道盾构施工对临近桥梁桩基的影响研究

黄博

重庆中检工程质量检测有限公司    400025

摘要：随着经济的发展，城市化进程越来越注重对地下空间的利用，如地铁、地下水封洞库、综合管廊、大数据中心、军用设施等工程越来越多，地下工程具有安全性好、温度适宜、受干扰性小、减少土地资源等优点。地下空间工程对施工方法的选取越来越严苛，特别对于建筑物密集的大城市以及土质条件地层中的地铁施工，由于盾构施工对周围环境的影响较小而常常作为优选的施工方法。隧道盾构施工对周围软土有扰动，易引发临近桩基发生沉降、上表地面发生沉降变形，当这种变形达到一定的阀值就会影响临近桩基、地下建筑、地面建筑以及隧道本身的正常使用。桩基因具有强度高、承载力大、稳定性好等特点被广泛的应用于构筑物的地基中。随着城市的发展，为了保证构筑物的安全稳定，许多构筑物都以桩基作为基础。而地铁盾构掘进往往会穿越这些桩基，这必定会导致周围岩土体的移动，进而引起桩基的变形或内力的改变，影响桩基的安全使用。

关键词：隧道；盾构施工；临近桥梁桩基；影响

引言

隧道盾构施工是复杂的三维时空问题, 时间 、空间对围岩的变形发展和稳定性的影响至关重要.显然, 对隧道盾构开挖施工过程的研究采用三维数值分析比较合理, 但是该方法不能精确考虑时间效应,且计算量大、时间长, 特别在研究非线性 、非弹性土体上不具有明显优势.而采用二维弹塑性有限差分法, 侧重于隧道衬砌完成后短期内土体不排水的状态, 对隧道盾构施工中的盾构挖土、壁后注浆等施工过程进行简化, 建立二维地层结构模型进行平面应变仿真分析 .该计算占用电脑内存小, 消耗时间少 考虑到隧道纵向尺寸远大于横向尺寸, 该简化是在节省大量计算成本的情况下, 合理和较真实地反映了隧道盾构施工的实际情况, 并可以得到比较好的结果

1 隧道工程影响

就邻近的桥梁桩基桩底，在地铁盾构施工方法应用过程中，掘进阶段促使土壤产生的横向力与相邻桥梁底部产生的纵向力没有差别，会导致桥梁桩基与挖掘隧道产生同一方力迁移。土壤横力会影响邻近桥梁桩基导致桩基出现变形与倾斜。地铁盾构施工方式在应用过程中，还会导致桩基地点发生转变，一旦周围土壤疏松，桩基会呈现弯曲现象。在隧道施工阶段，土层横向迁移对附近桥梁的干扰规律主要为：基地直径越大，桥梁桩基的硬度就越高，也会增加桩基横向变形效果，进而降低盾构施工对桥梁桩基、基底造成的影响。地构施工会导致地铁附近的土壤横向迁移与变形，顺着隧道产生位移现象，桩基变形主要集中在桥拱位置。盾构隧道施工会增加土层迁移深度与范围，桥梁地基底侧转变会随着深度的加深逐步减少，迅速恢复零值。

2建立模型及参数设置

2.1 建立建模及分组

针对本文研究目的，建立四组计算模型。隧道顶板埋深为 12m，两相邻桥墩的距离为 37m，桥下净空 7.5m，承台厚度为 2m，桥桩深度为 36m，桩径 1m，桥梁的宽度为 9m。桩基及土体滑移情况，通过桩基与土体的接触参数进行实现。取 3 种情况进行建模，①桩基抗剪强度 4.04e 8 kPa，剪切黏聚力 5e 3 kPa，剪切摩擦角 10°，抗压强度 4.04e 8 kPa，抗压黏聚力 5e 3 kPa，抗压摩擦角 10°；②参数减半的情况；③桩基与土体的接触没有黏聚力和摩擦角的情况。隧道与桩基的水平间距。取 4 种情况进行建模，①盾构隧道与既有桩基水平间距 1m；②盾构

图 1 研究对象模型

2.2 分组建模及参数设置

研究对象模型如图 1 所示，根据勘察设计资料，土体参数、盾构参数如下表 1、表 2。

3盾构施工对桥梁桩基的影响分析

盾构施工虽然有很多优点，但施工过程复杂，盾构设计中需要确定的参数多，很多因素微小的变化都会对其产生不同的影响。在盾构施工模拟过程中的许多数值及参数都会对桩基的变形产生一定影响 。本文着重分析不同参数对桩基变形的影响程度及其规律，对类似盾构施工具有一定指导意义。

3. 1 盾构埋置深度对桩基的影响

实际工程中盾构隧道位于地表以下 17 m，现欲分析盾构埋置深度对桥       梁位移的影响，在保持其他施工条件不变的情况下，将盾构的埋置深度改为 22 m 和 12 m，分析盾构对桩基的影响。桥梁的变形曲线如图2所示。如图2所示，盾构埋置深度分别为 12、17、22 m 时，盾构施工完成后产生的桥梁沉降量最大值分别为－9. 69、－7. 44、－5. 74 mm。不同埋置深度位移值对比见表 3，

当隧道的埋置深度减少 5 m 时，桥梁位移变化量增加 30. 2%。当盾构隧道的埋置深度增加 5 m 时，桥梁位移变化量减少 22. 8%。由此可见，改变盾构的埋置深 度对桥梁位移的影响较大。

图2盾构不同埋置深度桥梁位移曲线

3.2衬砌管片弹性模量的影响

盾构管片衬砌是盾构开挖过程中至关重要的一部分，管片是开挖结束后支撑隧道周围岩体、保障隧道安全的重要结构。因此，在盾构施工设计中衬砌管片的设计方案也至关重要。因此，衬砌管片的强度对桥梁位移也会产生一定的影响。结合实际工程，针对不同管片强度对桥梁变形产生的影响进行分析。通过改变原模型中管片的弹性模量进行分析，将管片混凝土的弹性模量分别取值为 33. 5、34. 5、35. 5 GPa，分析对桥梁变形产生的影响，其结果见图3，

图3 不同弹性模量引起桥梁变形

具体桥梁位移变化见表 4。由图 10 可知，根据以上 4 种情况下地表沉陷量的最大值分别为－7. 44、－7. 1、－5. 89、－5. 3 mm。当管片混凝土的弹性模量由原模型中的 32. 5 GPa 逐渐增大到 33. 5、34. 5、35. 5 GPa 时，根据表 4 可知，当管片的弹性模量每增加1 GPa 时，桥梁的位移变化量呈现梯度减小。因此，改变管片的弹性模量，可以有效地减小桥梁的位移值。在实际工程中，当桥梁的位移值超过了规范中的限值时，可以通过此方法来减小桥梁的变形。

4桥梁桩基表型防护措施

桥梁桩基表型防护，必须要合理掌控桥梁桩基变形策略，合理应用各种手段，强化指数的改善。在施工初期，工作人员需要依据自身阅历与工作经验，合理挑选施工指数，正确改善工程开展情况。在施工过程中，要依据实际的变形情况，改善盾构机械设备指数，降低其对附近桥梁桩基的干扰。桥梁桩基表型防护措施主要包括：掌控挖掘面，这也是地铁隧道施工中的核心步骤，此阶段需要采取有效措，施将土压值与工作压力维持在一定的范围内。不管土压值过大还是过小，均会影响隧道施工。一旦压力值超出规定范围，将会导致地面凸起，不仅影响美观还会增加交通事故发生的记录。若压力值较小，会导致地表沉降，影响地面交通结构。

  结语

通过建立多组隧道与桥梁桩基等三维模型，分析了盾构施工对桥梁桩基、桥基与土体的应力应变特征、塑性区的分布等，对于同类盾构施工隧道工程具有一定指导意义。竖向沉降随着桩基接触参数的减小逐渐增大，桩单元中的法向接触和剪切接触可以较好的模拟桩基与土体之间的相互作用关系。桩基的接触参数越强，桩基竖向沉降越小。桩基参数对竖向变形有较大的影响，但对于既有桥梁的纵向变形和横向变形没有明显关联。随着盾构隧道与既有桥梁水平间距的增大竖向沉降逐渐减小，盾构隧道与既有桥梁水平间距越大，盾构隧道对于既有桥梁的扰动越小。在条件允许的情况下，应尽可能的增大盾构隧道与既有桥梁的水平间距，减小对既有桥梁的扰动。隔离桩的存在可以有效控制既有桥梁沉降，隔离桩的存在对既有桥梁的纵向、横向变形没有明显的影响。

参考文献

[1]彭坤,陶连金,高玉春等.盾构隧道下穿桥梁引起桩基变位的数值分析[J].地下空间与工程学报,2012,8(3);485-489.

[2] 张恒,陈寿根,邓稀肥.盾构法施工对地表及桥梁桩基的影响分析[J].地下空间与工程学报,2011,7(3);552-557.

[3] 付文生,夏斌,罗冬梅.盾构隧道超近距离穿越对桩基影响的对比研究[J].地下空间与工程学报,2009,5(1);133-138.

[4] 林永国,廖少明.地铁隧道纵向变形影响因素的探讨[J].地下空间，2002，20(4):264-267.

[5] 刘丽.盾构掘进过程中邻近桩基反应分析研究[D].山东科技大学，2006.

[6] 朱逢斌, 杨平,ONG C W.盾构隧道开挖对邻近桩基影响数值分析[J].岩土工程学报，2008，2(2):298-302.