黄爱军

(上海市城市建设设计研究总院，上海 200125)

0 引言

随着盾构施工技术的不断完善，繁忙闹市地区地下工程施工中出现了越来越多的单洞双线盾构区间。盾构直径越大，其施工影响范围和影响能力越大。这类课题越来越引起了国内外工程界的关注。N.Loganathan等［1］通过离心模型试验得出了隧道开挖引起的地层移动和对于邻近桩基的影响;朱合华等［2］应用不连续模型分析了盾构施工过程的内力变化;王善勇等［3］运用RFPA2D程序对广州地铁二号线盾构开挖对均匀地基沉降的影响，但未考虑桩基的承载特性的影响;朱逢斌等［4］通过采用摩尔－库伦弹塑性屈服准则，研究软土地区盾构隧道施工对邻近桩基的影响规律;张海波等［5］采用三维非线性有限元方法，分析了盾构近距离掘进施工全过程对桥梁桩基的影响分析;王炳军等［6］通过数值模拟，分析了地铁隧道盾构法施工对不同类型桩基的影响;李松等［7］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。针对越来越严格的保护要求，周正宇等提出了主动防护的概念和措施［8］，并在工程中得到实践［9］。本文通过数值分析，研究盾构施工对群桩中不同位置桩基的变形和内力影响，并利用复合锚杆桩［11］作为隔断桩用于10 m内径盾构隧道施工对邻近桩基的主动保护。

1 工程背景

1.1 项目概况

北京地铁14号线高家园站－望京站区间为单洞双线形式，采用10.6 m的土压平衡盾构施工。管片外径10 m，厚度0.5 m，环宽1.8 m。区间侧穿机场快轨位置处盾构距离地表面约为15.9 m，与近端群桩前排桩净距为3.3 m，与远端前排桩净距为18.8 m，轨顶面标高为 19.10 m。

该段机场快轨为高架结构，穿越处相邻桥桩的距离为30 m。桥墩的高度为8.25 m，承台厚度为2 m，桥桩深度为35 m，桥梁的宽度约为8 m。

盾构隧道与机场快轨平、剖面关系见图1。

图1 盾构隧道与机场快轨平、剖面关系图Fig.1 Relationship between shield-bored tunnel and airport transit line:general plan layout and profile

1.2 机场快轨现状及控制要求

机场快线是高架简支梁结构。高峰时段运营时间间隔8.5 min，其他时段10 min，最高运营速度100 km/h。由于机场快轨采用三轨供电，且运营速度高，要求盾构施工引起的桩基竖向沉降小于2 mm，侧向变形小于1 mm。

1.3 工程地质

地层自地表往下为:人工堆积层(填土层①)，第四纪全新冲洪积层(粉土层③、粉质黏土层④、粉土层④1、粉细砂层④3)，第四纪晚更新冲洪积层(粉质黏土层⑥、卵石圆砾层⑦、粉质黏土和黏土层⑧、卵石圆砾层⑨、粉质黏土和黏土层⑩)。盾构主要穿越⑥层粉质黏土层。

2 盾构穿越时的桩基响应

2.1 计算模型的建立

计算中取桥梁相邻两跨，模型全长122 m，宽74 m，高50 m。土体顶部不受任何约束，4个侧面限制与该面垂直方向位移，底部限制竖向位移。

模型中土体采用德鲁克－普拉格(D－P)弹塑性模型模拟土层性状。承台及桩基为C30混凝土，衬砌管片为C50混凝土，建模时采用线弹性模型，泊松比为0.2。衬砌管片为拼装结构，计算时考虑将其刚度折减至0.8，桩、土之间采用接触面模型。盾构施工采用地层损失率0.4%模拟，并充分考虑盾构机掘进的施工工序，按照每环宽度1.8m为一个施工步进行分析。模型参数见表1，土体有限元模型见图2。

表1 模型材料参数Table 1 Parameters of materials

图2 隧道开挖的土体有限元模型Fig.2 Finite element model

2.2 群桩力学行为分析

根据盾构法施工工艺，施工过程可以分为4个典型阶段:顶推阶段、盾尾注浆、盾尾脱开、固结沉降阶段。理想的顶推和盾尾注浆应为土压平衡阶段，本文主要考虑盾尾脱开及固结阶段的影响。盾构施工时释放周边土体应力，周边土体向隧道方向产生位移，由于土体横向位移沿桩身变化不均匀，桩体发生弯曲。桩基横向变形及附加弯矩见图3和图4。从图3可见，近、远端桩基变形形态一致，远端桩基受影响较小，满足使用要求。近端桩基中前排桩距离隧道更近，其受开挖应力释放引起的侧向土体位移更大;同时由于承台约束作用，前、后排桩桩顶水平位移值几乎相同，桩身水平位移有较大差别，但最大值均出现在隧道中心位置附近。

图3 桩基横向变形图Fig.3 Lateral deformation of pile

图4 桩基附加弯矩图Fig.4 Additional bending moment of pile

由于桩体刚度远大于周边土体，近盾构侧土体脱开的趋势导致桩体在隧道中心对应位置附近处产生较大的附加横向弯矩，且远端桩基产生的附加弯矩远小于近端。由于桩顶与承台刚接，前排桩与后排桩桩顶处均出现了负弯矩，且前排桩弯矩大于后排桩弯矩，但不论前排桩还是后排桩，桩身弯矩最大值仍出现在隧道起拱线深度附近。

计算结果显示，盾构施工过程中，桩基跟随周边土体共同变形并产生附加内力，当盾构距离桩基较近时，群桩中的前排和后桩基横向变形和附加弯矩值都比较大。同时，由于盾构影响范围内土体扰动产生负摩阻力导致桩体周边及桩端反力的重新分布，桩侧和桩端轴力增大，并导致竖向沉降的发生。

桩基沉降及附加轴力见图5和图6。

图5 桩基沉降图Fig.5 Settlement of pile

图6 桩基附加轴力图Fig.6 Additional axial force of pile

由图5可见，由于桩体轴向刚度较大，沉降沿桩身基本不变。前排桩及后排桩的沉降最大值出现在桩顶，桩身有较小的压缩变形。同时，由于桩体顶部承台的联结作用使得群桩中前、后排桩的沉降差比较小。

尽管前排桩的沉降仅略大于后排桩，但由于前排桩桩侧受盾构影响的程度明显大于后排，产生的负摩阻力较大，前排桩桩侧磨阻力、桩端阻力增量均明显大于后排桩，故前排桩内轴力增量值较后排桩要大。桩身轴力最大值均出现在隧道底部深度附近。

通过以上分析可见，盾构推进对桩基的变形和内力都有影响，尤其对距离较小的桩基影响更为明显。距离较近时，应采取措施减小该影响。

3 综合防护技术

3.1 综合防护机理

本工程的风险来源于土体开挖，采用大盾构施工，是一种对地层扰动少、环境变形小的施工方法。对盾构施工的相关参数进行优化后，需要控制地层变形，按土层变形发展机理，可采取"降"或"堵"2种方式进行主动干预。

1)加固地层降低地层变形。采用洞内注浆、地面注浆等多种方式改良隧道周边、隧道和桩基之间的土体，以达到降低地层变形的目的。注浆加固可大大提高土体的E、c、φ的值，减小μ值，从而提高了土体的整体强度和自稳能力。

2)隧道与既有桥梁间隔离桩阻隔变形。隧道边有刚性桩基时，地层开挖释放能量将被桩基部分吸收而导致地层变形降低。通过设置隔离桩吸收变形来达到阻隔变形传递的目的。隔离桩设计时一般可以采用锚杆桩、树根桩、灌注桩等结构形式。

复合锚杆桩成孔后在同一钻孔中设置不同长度的高压注浆管，分段中、高压注浆，施工采用了特殊的施工工艺根据需要调节注浆压力，注浆压力最高可达5 MPa，孔壁外侧土层在高压下，孔隙被充填，土体被劈裂、挤密，孔壁周围的土体也被逐渐固结和强化，从而有效地提高了土体的物理力学性质。

采用多排复合锚杆桩，提高隔离桩刚度，同时加固刚性桩体之间的土层，兼具以上两种作用，更有效的阻断地层变形传递，达到了综合防护的效果。

采用套管护壁微扰动施工，经分析基本可忽略复合锚杆桩施工对桥桩的影响。

3.2 复合锚杆桩防护效果分析

3.2.1 计算模型的建立

在前述模型基础上增加复合锚杆桩的模型，将注浆体及锚杆桩视为不同的弹性体。力学参数见表2。

表2 模型力学参数Table 2 Mechanical parameters

3.2.2 桩体参数的选择

隔离桩必须穿过土体滑移面并具备一定的插入深度才能有效地限制土体位移。随着隔离桩桩长的增加，地面土体变形逐渐减小。采用3排复合锚杆桩布置，隔离桩桩长分别为21 m(到盾心)、26 m(到盾底)、29 m(盾底3 m)、31 m(盾底5 m)情况下的计算结果。锚杆桩桩长对桥桩变形的影响见图7。

图7 锚杆桩桩长对桥桩变形的影响Fig.7 Lengths of anchor piles Vs deformation of existing bridge piles

由于盾构施工导致的土体应力释放是全周范围，因此，为了达到控制桩基沉降，隔离桩的设计桩长必须达到一定的深度，才能起到一定的遮挡作用，发挥减小地层变形的作用。根据计算分析，桩体达到盾构底部3 m后，桩基的竖向沉降明显变小。

单个锚杆桩直径小，刚度相对较小，但可以采取多排梅花形布置并于顶部设置圈梁使多排锚杆桩形成整体，且其间的土体经过加固，使得钢筋与加固后的加固体形成了一个有一定水平刚度的隔离体，同时加固后的土体自身应力释放率也得到改善，复合锚杆桩能起到较好的隔离作用。采用1、2、3、4排29 m复合锚杆桩情况下的计算结果见图8。

图8 锚杆桩排数对桥桩变形的影响Fig.8 Rows of anchor piles Vs deformation of existing bridge piles

由图8可知，单排桩刚度较小，顶部连接的多排桩刚度明显增加，控制桩后土体变形的效果很明显。设置3排锚杆桩即可满足工程需求。

3.2.3 锚杆桩布置

在大盾构与近端桥梁桩基之间设置3排复合锚杆桩，桩径 φ150@600，呈梅花形布置。桩顶设置1 350 mm×600 mm冠梁。复合锚杆桩底标高8.9 m，桩长26 m，桩底距隧道底约3 m。剖面图见图9。

图9 采用锚杆桩防护横剖面图(单位:mm)Fig.9 Profile of protection of existing bridge piles by means of anchor piles

3.2.4 桩基位移

根据分析，采用隔离桩保护措施后，地层损失率0.4%时，盾构施工对桥梁的主要影响如下:桥桩最大竖向变形1.9 mm，最大水平变形为1.35 mm，承台水平位移0.5 mm。相邻桥墩累计最大差异沉降1.7 mm，轨道累计最大沉降2.0 mm，满足变形控制标准要求。锚杆桩防护后桥桩沉降分析结果见图10。

图10 锚杆桩防护后桥桩沉降分析结果Fig.10 Analysis result of settlement of existing bridge piles protected by anchor piles

该盾构区间已经于2013年3月成功穿越机场快轨，根据现场监测，穿越侧桥墩最大竖向变形1.5 mm，水平变形0.9 mm。采用多排复合锚杆桩具有明显的防护作用。

4 结论与建议

本文在已有研究成果的基础上，对单洞双线盾构近距离穿越桥桩基础进行了模拟分析，对不同位置桥桩的位移、应力进行比较，并对用复合锚杆桩进行防护的方法进行了深入研究，主要结论和建议如下。

1)单洞双线盾构隧道近距离穿越已建桥桩基础时，将使桩基产生相当大的位移和应力，距离较近时，将严重影响桩基础的安全使用，需要论证采取隔离桩主动防护的必要性。

2)复合锚杆桩可多排组合形成较大刚度，并同时对桩基周边土体加固，在环境条件严苛处作为盾构穿越的防护隔断桩显示出其独特的优点。

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