倪煌俊,严峻

（1.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230001；2.中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

随着城市地铁建设的发展，加之城市本身复杂的特性，原有的城市高架桥与新建地铁隧道不可避免的会交织在一起，相互间会产生一定的影响[1]。当隧道与高架桥接近时，既有高架桥会受到新建隧道的施工产生不利影响，造成高架桥承载能力下降，或因不均匀沉降造成高架桥破损或不能正常使用等问题[2]，同时也妨碍了隧道的安全施工。本文所选取的桩均为端承桩，盾构法施工时桩体应力基本上没有什么变化，本文不做过多的讨论，计算时从桩顶位置开始，每2m为一个间距在桩身布置观测点，分析盾构法施工对高架桥桩基位移的影响。

1 工程概况及模型参数

1.1 工程概况

图1 桩体与盾构位置关系图

本文依托合肥市地铁一号线马鞍山路段中盾构下穿马鞍山路高架桥。地铁盾构隧道直径为6.0m，衬砌为0.3m，注浆层厚度为0.15m，埋深为12m。依据隧道开挖的影响范围，参考既有的计算经验和实际的工程条件，左右边界取为隧道外径的3倍，即18m，模型底部取距隧道中心27m，最后整个计算模型宽42m、高40m，纵向长度为40m（每环管片幅宽1.0m）。所以模型尺寸为42m×40m×40m,其中水平y方向为42m,数值y方向为40m（桩长方向），z方向（隧道掘进方向）为40m。桩端为中风化泥质砂岩的持力层且桩端进入岩层至少2m，为端承桩，桩长27m，桩顶荷载拟取1800kN。桩洞距s，即桩距离盾构中心的距离取s=9m[3]（见图1）。

1.2 相关参数

1.2.1 土体数值相关参数

1.2.2 管片及桩体相关参数

隧道衬砌结构用的管片采用C50混凝土材料制作而成，数值模拟时将衬砌结构管片单元设置为孔模型（Null）。在进行管片模拟支护时，将盾构管片设置为各向同性弹性模型（Elastic)，管片及桩体相关参数（见表2、表3）。

土体数值模拟计算参数 表1

盾构管片混凝土材料计算参数 表2

2 数值模拟计算

2.1 模型的建立

根据上述说明，建立下图的三维数值计算模型（见图2、图3）。为方便模拟计算，隧道的纵向施工长度为2.0m/次。

图2 整体模型图

图3 管片与桩的关系图

2.2 计算结果

盾构开挖面到观测截面的水平距离为H，当H的数值为正，说明盾构机朝着桩体的位置进行推进；当H的数值为负，说明盾构机已经离开桩体所在位置并逐渐远离桩体。通过计算得出盾构在 H=14m、H=8m、H=2m、H=-16m、H=-20m时的桩体所在截面的土体竖向位移图（见图4～图8）。

图4 H=14m时桩体所在截面的土体竖向位移图

图5 H=8m时桩体所在截面的土体竖向位移图

图7 H=-16m时桩体所在截面的土体竖向位移图

图6 H=2m时桩体所在截面的土体竖向位移图

当开挖完成后，根据不同H时的土体竖向位移图，提取相关位置观测点的变化，得出不同施工阶段的地表沉降曲线（见图 9）。

图8 H=-20m时桩体所在截面的土体竖向位移图

图9 不同施工阶段的地表沉降曲线

由图9可知，盾构施工对地表沉降的影响，一般呈现出随着开挖步距的推进，地表沉降逐渐增大的规律。另外，地表沉降发生最大沉降通常在盾构桩体所在的位置，即当H=-20m（即完成整个模型的开挖）时，此时的地表沉降最大为14.094mm，方向竖直向下。

通过计算得出不同施工阶段沿桩身方向桩体竖向位移与水平位移变化规律（见图10～图11）。

由图10可知，由于桩体本身的刚度比较大，所以桩体在竖直方向上的位移很小，且沿桩身方向递减，产生这一现象的最主要的原因是由于桩体底部因土体位移使桩体在水平方向上发生了挠曲变形。桩顶的最大沉降发生在盾构施工完成后，大致为1.7174mm，方向竖直向下。

由图11可知，桩体水平位移大致呈现出沿桩身方向逐渐减小的趋势，埋深约为15m时，桩体水平位移随着深度的增加而增大，当到埋深约为20m时，桩体水平位移又逐渐减小。各施工阶段的最大水平位移均发生在桩顶部附近，最大为-2.166mm，结合端承桩自身的特点以及桩端处有坚实的岩层支撑的缘故，所以桩端处基本不发生水平位移，可认为水平位移为0mm。

当H=14m时，桩体的水平方向位移从桩顶至桩底基本上没有太大的变化，基本上呈直线的状态,能够说明此时的盾构施工并未对桩体水平位移造成影响。当H=8m时，桩顶水平位移最大，位移值为-1.4583mm，说明盾构施工已经对桩体的水平位移造成影响。H=2m时，此时的盾构施工的开挖面已经非常靠近桩体，桩顶水平位移为-1.7697mm。H=-16m时，此时的盾构施工的开挖面已经远离桩体所在位置，桩顶水平位移为-2.166mm。H=-20m，桩顶水平位移为-2.0815mm。相对H=-16m时变化很小，说明此时盾构施工对桩体影响已经很小。

图10 桩体竖向位移图

图11 桩体水平位移图

3 结 论

本文运用有限差分法模拟盾构施工对高架桥桩基的影响，分析了盾构施工时地表沉降、桩体竖向和水平位移的变化规律，得出以下结论。

①盾构施工对地表沉降的影响，一般呈现出随着开挖步距的推进，地表沉降逐渐增大的规律，随着桩离盾构中心线距离增大而逐渐变小，地表沉降曲线形式与数理统计中的正态分布曲线形式相似。当S=9m时地表最大沉降为-14.094mm。

②盾构施工对桩体水平位移的影响要大于竖向位移，桩体自身的位移且远小于桩基附近地表沉降。

③盾构施工时，桩体水平位移在桩体顶部最大，沿桩身方向水平位移逐渐变小，但到当桩体埋深15m时，即与盾构中心线在同一水平线上时是一个拐点，沿桩身方向逐渐增大，至埋深约20m时，由于遇到岩层，桩体水平位移沿桩身方向递减，最后在桩端为0。

[1]侯玉伟.盾构隧道侧向穿越桩基时对桩体土体及地面变形的影响[J].城市轨道交通研究,2010(5).

[2]刘庭金，魏立新，房营光，等.隧道建设对紧邻高架桥影响的三维数值分析[J].岩土力学，2008(5)．

[3]孙宗军.盾构施工与桩基础相互作用的三维力学分析与研究[D].南京：东南大学，2005.