周雪莲

1.上海市基础工程集团有限公司 上海 200002；2.上海城市非开挖建造工程技术研究中心 上海 200002

本文针对双线盾构隧道施工近距离侧穿桥梁桩基的问题，采用三维数值分析的方法，研究隧道及桩基受力与变形的机理，重点分析水环境下盾构施工对邻近桩基的影响，为类似设计与施工提供参考。

1 工程概况

上海轨交17号线朝阳河风井—漕盈路站盾构区间，途经正在运营的西大盈港桥，采用长7.6 m、直径6.74 m的土压平衡盾构施工，管片外径6.6 m、厚0.35 m，环宽1.2 m。区间侧穿西大盈港桥桩基，与最近端群桩前排桩净距1.6 m，相应承台厚2.8 m，地面标高3.65 m，桥桩深度为64 m。桩基距离隧道边线最近仅1.6 m（图1）。

图1 盾构穿越西大盈港桥示意

本工程盾构隧道与西大盈港桥距离很近，盾构隧道施工会造成隧道周围土体变形，造成邻近桩基产生附加变形和附加应力[1-2]。过大的附加变形和附加应力会导致桩基受损甚至断裂，由于西大盈港桥处于运营状态，发生桩基受损会产生严重后果。因此，在工程施工前应用数值模拟手段计算盾构隧道开挖对桩基的影响，为工程中桩基的保护提供依据。

2 盾构穿越对桩基的影响

2.1 模型概况及参数选取

西大盈港桥与隧道位置错综复杂，且P5和P6桥墩为邻水面，模拟时考虑盾构各断面的影响进行分析。在图1中，按照施工顺序选取具有代表意义的P3、P6桥墩分别进行计算。

模拟计算时根据工程实际先开挖上行线（右侧隧道），然后开挖下行线（左侧隧道）。土层采用修正剑桥模型，衬砌及同步注浆采用实体线弹性单元。施工考虑同步注浆的影响，同步注浆考虑完全填充盾尾间隙，同时随着施工时间的推移，同步注浆浆液逐渐硬化[3-4]。浆液硬化参数参照文献要求。考虑在理想情况下的计算结果。

C55混凝土弹性模量为3.55×l04MPa，容重为25 kN/m3，泊松比0.2。折减后的C55混凝土弹性模量取2.5×l04MPa。

2.2 荷载及荷载组合

2.2.1 车道荷载

按照JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》，一级车道荷载标准值为10.5 kN/m，集中荷载标准值按照计算跨径大于50 m时取360 kN。

2.2.2 自重荷载

包括小箱型梁、系梁及立柱自重荷载，重力加速度取9.81 m/s2。

2.2.3 荷载组合

根据以上荷载计算，考虑最不利荷载组合。其中自重荷载分项系数取1.2，车辆动荷载系数取1.4。

2.3 计算步骤

为了详细和准确地分析盾构各施工段在不同受力状态下，桩基及隧道管片的刚度、强度及稳定性是否满足施工要求，结合现场施工，对桩基进行以下工况分析：

1）工况1：地应力平衡。

2）工况2：上行线盾构推进过程中对桩基挤压影响。

3）工况3：开挖上行线（右侧隧道），拼装管片和注浆。

4）工况4：浆液硬化1。

5）工况5：下行线盾构推进过程中对桩基挤压影响。

6）工况6：开挖下行线（左侧隧道），拼装管片和注浆。

7）工况7：浆液硬化2。

因实际施工过程及环境复杂，本计算为理想施工状态下的位移分析，未考虑施工过程中由于施工机械振动、施工实际时间间隔及施工场地超载边载等受到的影响。

2.4 计算结果

2.4.1 不同施工工况下的桩基位移与弯矩

通过提取有限元计算结果（图2～图4），绘制成相关曲线，可得到如下结论。

图2 上行线开挖后桩基位移

图4 下行线开挖后桩基弯矩分布示意

上行线开挖过程中，以P3-L1桩为例（图5）可以看到，由于桩体上部承台作用，盾构推进阶段最大位移出现在桩身10 m处；在土体开挖阶段桩底位移增大，而最大位移却有所回弹；在注浆硬化护壁阶段桩底无明显位移，而桩身10 m处的位移进一步增大为0.6 mm。这说明，在上行线隧道开挖过程中，最后的注浆硬化及后期沉降阶段是最危险的阶段，在此阶段须加强对于邻近桩基的监测和保护措施。

在下行线开挖过程中，对于P3-L1桩，盾构推进阶段桩底都无明显位移，桩身10 m处位移进一步增大为2.1 mm；土体开挖阶段桩底产生较大位移，而最大位移反而有较大回弹；而P3-L2桩有所不同（图6），盾构推进阶段桩身最大位移处反而有较大回弹，之后的开挖阶段和注浆阶段规律与L1桩类似，但最终的桩体位移明显较L1桩小，为1.3 mm。

图5 P3-L1桩体位移

图6 P3-L2桩体位移

由于P3-L2桩位于隧道上下线之间，两线开挖对桩体变形作用有所抵消；P3-L1桩位于隧道上下线同侧，两线开挖对桩体位移有耦合作用，使变形进一步增大。对于P3-L3桩，由于和P3-L2桩大致对称分布在隧道上下线之间，故与其变形规律基本一致（图7）；因为P3-L4桩与P2-L1大致对称分布在隧道上下线两边，故其变形规律基本一致（图8）。这与数值模拟结果相符。

图7 P3-L3桩体位移

图8 P3-L4桩体位移

综合上述分析结果，可以将结论归纳为以下2点：

1）在隧道上下2条线开挖过程中，开挖对桩体产生的变形作用有所抵消；而位于隧道上下线同侧的桩体，开挖对桩体产生的位移会耦合，将使桩体变形进一步增大。

2）隧道开挖过程中，最后的注浆硬化阶段及后期沉降是最危险的阶段，应在此阶段加强对邻近桩基的监测和保护措施。而对于单个桩体来说，整个开挖过程中桩身最大位移大致出现在隧道中心高度处，是监测和保护的重点。

2.4.2 不同施工工况下的衬砌位移

经分析，P3桩基最大侧向位移2.2 mm，最大值发生在下行线推进时，衬砌最大应力值为6.9 MPa，满足要求。

3 邻水桩基的影响分析

由图1可知，P5和P6桥墩邻近河道，由于桥梁承台上覆水层，导致隧道开挖过程中实际覆土厚度减小；同时上覆水层的水压力的综合影响对盾构施工要求更高。采用三维有限元分析P6桥段施工时结构受力情况。

经分析，P6桩基最大侧向位移3.0 mm，最大位移发生在下行线盾构机切口挖土时，衬砌最大应力值为6.8 MPa。

P6-L1桩的变形规律（图9）与之类似，只是通过标高可以确定，P6-L1桩最大位移大致出现在桩身12 m处，为0.9 mm，故而对于单个桩体来说，整个开挖过程中桩身最大位移大致出现在隧道中心高度处，是监测和保护的重点。而对于P6-L2桩，除最大位移大致出现在桩身12 m处外，其他规律与P3-L2基本一致（图10）。

4 结语

通过对西大盈港桥桩基的有限元分析可知，桩基及管片应力均控制在10 MPa以内，可以满足要求；但是通过分析桩基位移，可得出以下结论及建议：

图9 P6-L1桩体位移

图10 P6-L2桩体位移

1）盾构穿越桩基过程中对桩基影响最大的是P6桩基。侧向位移最大3 mm，最危险区域为盾构穿越河道时，挖土时必须严格控制出土量，防止超挖引起的地表大面积隆沉，同时，P6桥墩要求增大注浆量，增大至正常段注浆量的1.2～1.5倍为宜；另外，还是要保证施工的防水性，严禁漏水。

2）P3推进过程中，由于隧道两侧均有桩基，对桩基的影响主要集中在切口抵达前的施工推进过程中，需严格控制切口面压力及推进速度。

3）在隧道上下2条线开挖过程中，开挖对桩体产生的变形作用将有所抵消；而位于隧道上下线同侧的桩体，开挖对桩体产生的位移有耦合作用，将使桩体变形进一步增大。

4）隧道开挖过程中，最后的注浆硬化阶段及后期沉降是最危险的阶段，应在此阶段加强对于邻近桩基的监测和保护措施。而对于单个桩体来说，整个开挖过程中桩身最大位移大致出现在隧道中心高度处，是监测和保护的重点。

5）严防盾尾漏水，采用二次补浆，防止盾尾透水；控制好管片姿态，居中拼装，防止盾构建筑空隙过大形成透水通道。盾构机采用3道盾尾钢丝密封刷，能有效防止盾尾透水。掘进中加强盾尾密封油脂的注入，确保盾尾密封油脂压力；加强中体与盾尾铰接处的密封检查，及时调节密封压板螺栓，保证其密封效果，防止地下水涌入。