田晓艳　刘静

【摘 要】新建地铁线路穿越大量的既有桥梁和道路，地铁施工会扰动周围地层，从而引起地层的沉降和变形，导致一定范围内桥桩基础发生变形，使其承受附加应力的作用，引起桩基的附加沉降。在地铁施工期间，为保证桥梁桩基正常使用的前提下安全有序地进行，本文针对具体工程，对不同的浅埋暗挖法施工工况采用力学仿真分析进行对比研究，总结出合理的施工方案。

【关键词】桩基；附加沉降；浅埋暗挖法；力学仿真分析；合理的施工方案

The Construction Plan Studying on Metro Construction With Mining Method on Neighboring pile foundation

TIAN Xiao-yan LIU Jing

（Civil Engineering Department， School of Mechanical Engineering， Xian Shiyou University， Xian Shaanxi 710065， China）

【Abstract】In metro construction with mining method it is inevitable that the metro will cross existing bridges and roads. Metro tunneling disturbs the ground， and may cause deformation in the Neighboring pile foundation and additional stress， which， if excessive， would cause additional settlement of the pile foundation. In order to ensure metro construction proceeds safely and orderly without affecting normal operation of the pile foundation， it is needed to study the results of the different mining methods by using numerical simulation. By comparing with the on-site test data， a reasonable construction method is put forward.

【Key words】Pile foundation； Additional settlement； Mining method； Numerical simulation； Reasonable construction method

0 引言

随着城市地铁工程在我国的大量修建和快速发展，新建地铁线路将不可避免地穿越大量的既有桥梁和道路，地铁施工必然扰动周围地层，从而引起地层的沉降和变形[1]，地下工程施工引起地表沉降的主要原因有施工过程中地层原始应力状态的改变、土体的固结及土体的蠕变效应、地层损失等，且各种因素对地表沉降的影响具有明显的复合效应，并非孤立的，所以地表沉降是地铁施工过程中最大的环境问题，大的地层下沉不仅对周边建筑物造成危害，而且在一定范围内引起桥梁桩基础发生变形[2]，使其承受附加应力的作用，引起桩基的附加沉降[3]。如果相邻桩基间的差异沉降过大，便会导致桥梁结构部分失效，从而直接危及桥梁的安全[4]。针对这一问题的探讨，国内外研究学者[5-10]已进行了大量的研究工作：国外研究学者分别采用二维模型试验和离心机试验，研究了在隧道推进过程中对桩基的力学性能的影响；国内研究学者主要结合工程案例，分别从评价级别、有限元数值模拟、方案优化、概率分析等角度研究了隧道施工对既有桩基的影响，但上述的研究工作均针对单线隧道而言，因此，本文以西安地铁3号线双线隧道为工程背景，为了保证地铁施工能够保证桥梁桩基正常使用的前提下安全有序地进行，迫切需要研究地铁施工对其的影响问题，寻求一种安全、合理、经济的施工方案[11]就成为一项重要的课题。

1 隧道开挖对桥梁桩基的影响机理

隧道施工扰动地层[12]，除地表沉降对桩基有影响，深层土体变形的影响更大。开挖隧道产生的地层变形会对桩基施加竖向和水平的影响，如图1桩基与邻近隧道的开挖关系。

（1）当桩端位于隧道水平轴线以上时，桩周土体发生向下的位移，会使桩周产生负摩擦力，桩身轴力增加，沉降增大，桩端土的端承作用降低，桩的承载能力下降，此时桩体以沉降变形为主，侧向弯曲变形和水平变形为辅，尤其是当土体的下沉量大于桩基的下沉量时，严重影响桩基的受力状态；当桩端位于隧道水平轴线以下时，轴线以上桩周土体向下位移，使桩体发生沉降，轴线以下桩周土体发生隆起，使桩体向上位移，土体的上抬会对桩基产生正摩阻力，从而阻止桩基下沉，促使桩基稳定，此时桩的两端受压，桩体以侧向弯曲变形和水平变形为主，竖向沉降变形为辅。

（2）在垂直于桩体纵轴方向，由于桩体具有一定刚度，隧道周围土层的移动会因为桩的遮拦作用而发生变化，靠近隧道一侧的桩周土体移动较大，可能会与桩体发生脱离，桩侧土压力大幅度减小，而远离隧道一侧的桩周土体移动较小，土体与桩体没有发生脱离或者脱离程度较小，桩侧土压力变化不大，这样桩体两侧存在较大的土压力差，也会引起桩体发生水平位移和弯曲变形，使附加内力增加，最终造成桩基承载力的减小。

2 数值模拟

2.1 桩基与隧道的关系

以西安地铁3号线延兴门站～咸宁路站区间隧道和地层条件为例，在DK28+089-DK28+219段地铁区间隧道与金花南路（东二环建工桥）大致呈平行走向，地铁隧道位于东侧，桥梁基础为群桩基础，桩直径1.5m，桩、承台、墩身密度2600kg/m3，弹性模量30000Mpa，泊松比0.2，隧道-桩基位置如图2。

根据地质勘察报告，土层力学参数如表1所示。

2.2 数值模型和参数

采用FLAC3D软件对该段区域进行数值模拟，根据盾构施工对隧道周围土层影响大小的不同，对模型中不同位置地层的网格划分疏密程度不同划分单元，模拟浅埋暗挖法的不同工况，桥梁基础及周围土体采用FLAC命令流建立模型，由于地铁隧道与桥梁走向大致平行，故模型选取1#、2#桥墩桩基础进行研究，如图3所示：

2.3 数值模拟结果对比分析

2.3.1 不同工况开挖对地表沉降的数值分析

由图4知，开挖后隧道上方土体沉降大致呈对称分布，地表最大沉降值发生在两隧道洞室的顶部，左线洞室上方沉降略大。四种工法中上下台阶法引起的地表沉降最大（最大沉降量为36.69mm）；环形开挖预留核心土法次之（最大沉降量为30.31mm）；CRD工法引起的地表沉降较小（最大沉降量为20.16mm）；双侧壁导坑法最小（最大沉降量为15.30mm）。

2.3.2 不同工况开挖对桥梁桩基影响的数值分析

Fig.5 Pile foundations displacement graph of four consturction method

由图5知，地铁隧道开挖后，引起桩顶沉降及桩顶X轴向位移与距离隧道的长度成反比关系，1、2号桩顶沉降及X向位移最大，3、4号桩次之，5、6号桩较小，7、8号桩最小。四种施工方法中，上下台阶法产生的影响最大，环形开挖预留核心土法产生的影响次之，CRD工法产生影响较小，双侧壁导坑法产生的影响最小。

3 施工方案优化

从上述分析结果可知，采用上下台阶法引起的地表沉降最大，对桥梁桩基的影响最大；采用环形开挖预留核心土法施工引起的地表沉降比台阶法小，对桩基的影响也有所降低；采用CRD法和施工时，对地表及桥桩产生的影响较小；采用双侧壁导坑法施工时对地表及桥桩产生的影响最小。但CRD法以及双侧壁导坑法施工速度慢，后续工序较麻烦，造价高，防水效果较差，主要用于大断面隧道施工；相比而言，台阶法以及预留核心土法施工简便，速度快，后续工序也较简便，造价低，用于小断面施工比较恰当。通过数值模拟结果可知，核心土法对邻近桥桩影响较CRD以及双侧壁导坑法大，但在可控范围之内，因此综合考虑各种工法的适用性以及工程成本，本区间隧道开挖可采用环形开挖预留核心土法进行施工，其施工工艺为：超前小导管预注浆→拱部环形开挖→拱部环形初期支护→核心土开挖（必要时施工临时仰拱）→开挖下台阶→下台阶初期支护→拆除临时仰拱→二次衬砌。

4 结论

本文以西安地铁3号线穿越建工桥为例，采用FLAC3D对浅埋暗挖法施工引起地表沉降和桥梁桩基的位移进行数值模拟，结果表明：

（1）浅埋暗挖法施工是城区地下隧道开挖常用的施工方法，但在施工时必须严格遵循“超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，勤量测”十八字方针。

（2）针对西安特有的工程地质条件，本区间隧道开挖主要采用环形开挖预留核心土法，该法不仅工艺简单、施工速度快、工程成本低，而且亦满足地表和桩基变形的要求，所以对于对变形要求不高的小断面路段，为了施工方便及经济上获取更大效益，应优先考虑预留核心土法施工。

（3）当隧道开挖断面大、周边环境复杂且对其变形要求比较高的路段时，基于安全及控制变形的角度考虑，可采用CRD或双侧壁导坑法进行开挖。

（4）开挖后地表最大沉降值发生在两隧道洞室的顶部，由于左洞开挖滞后右洞130m左右，从而引起左线洞室上方沉降略大，所以在实际施工过程中应时刻监控其变化，且开挖后及时施做撑起，防止顶部变形过大影响施工。

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[责任编辑：王楠]