周雪蓮

1.上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；2.上海城市非開挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200002

本文針對雙線盾構(gòu)隧道施工近距離側(cè)穿橋梁樁基的問題，采用三維數(shù)值分析的方法，研究隧道及樁基受力與變形的機理，重點分析水環(huán)境下盾構(gòu)施工對鄰近樁基的影響，為類似設計與施工提供參考。

1 工程概況

上海軌交17號線朝陽河風井—漕盈路站盾構(gòu)區(qū)間，途經(jīng)正在運營的西大盈港橋，采用長7.6 m、直徑6.74 m的土壓平衡盾構(gòu)施工，管片外徑6.6 m、厚0.35 m，環(huán)寬1.2 m。區(qū)間側(cè)穿西大盈港橋樁基，與最近端群樁前排樁凈距1.6 m，相應承臺厚2.8 m，地面標高3.65 m，橋樁深度為64 m。樁基距離隧道邊線最近僅1.6 m（圖1）。

圖1 盾構(gòu)穿越西大盈港橋示意

本工程盾構(gòu)隧道與西大盈港橋距離很近，盾構(gòu)隧道施工會造成隧道周圍土體變形，造成鄰近樁基產(chǎn)生附加變形和附加應力[1-2]。過大的附加變形和附加應力會導致樁基受損甚至斷裂，由于西大盈港橋處于運營狀態(tài)，發(fā)生樁基受損會產(chǎn)生嚴重后果。因此，在工程施工前應用數(shù)值模擬手段計算盾構(gòu)隧道開挖對樁基的影響，為工程中樁基的保護提供依據(jù)。

2 盾構(gòu)穿越對樁基的影響

2.1 模型概況及參數(shù)選取

西大盈港橋與隧道位置錯綜復雜，且P5和P6橋墩為鄰水面，模擬時考慮盾構(gòu)各斷面的影響進行分析。在圖1中，按照施工順序選取具有代表意義的P3、P6橋墩分別進行計算。

模擬計算時根據(jù)工程實際先開挖上行線（右側(cè)隧道），然后開挖下行線（左側(cè)隧道）。土層采用修正劍橋模型，襯砌及同步注漿采用實體線彈性單元。施工考慮同步注漿的影響，同步注漿考慮完全填充盾尾間隙，同時隨著施工時間的推移，同步注漿漿液逐漸硬化[3-4]。漿液硬化參數(shù)參照文獻要求?？紤]在理想情況下的計算結(jié)果。

C55混凝土彈性模量為3.55×l04MPa，容重為25 kN/m3，泊松比0.2。折減后的C55混凝土彈性模量取2.5×l04MPa。

2.2 荷載及荷載組合

2.2.1 車道荷載

按照JTG D60—2004《公路橋涵設計通用規(guī)范》，一級車道荷載標準值為10.5 kN/m，集中荷載標準值按照計算跨徑大于50 m時取360 kN。

2.2.2 自重荷載

包括小箱型梁、系梁及立柱自重荷載，重力加速度取9.81 m/s2。

2.2.3 荷載組合

根據(jù)以上荷載計算，考慮最不利荷載組合。其中自重荷載分項系數(shù)取1.2，車輛動荷載系數(shù)取1.4。

2.3 計算步驟

為了詳細和準確地分析盾構(gòu)各施工段在不同受力狀態(tài)下，樁基及隧道管片的剛度、強度及穩(wěn)定性是否滿足施工要求，結(jié)合現(xiàn)場施工，對樁基進行以下工況分析：

1）工況1：地應力平衡。

2）工況2：上行線盾構(gòu)推進過程中對樁基擠壓影響。

3）工況3：開挖上行線（右側(cè)隧道），拼裝管片和注漿。

4）工況4：漿液硬化1。

5）工況5：下行線盾構(gòu)推進過程中對樁基擠壓影響。

6）工況6：開挖下行線（左側(cè)隧道），拼裝管片和注漿。

7）工況7：漿液硬化2。

因?qū)嶋H施工過程及環(huán)境復雜，本計算為理想施工狀態(tài)下的位移分析，未考慮施工過程中由于施工機械振動、施工實際時間間隔及施工場地超載邊載等受到的影響。

2.4 計算結(jié)果

2.4.1 不同施工工況下的樁基位移與彎矩

通過提取有限元計算結(jié)果（圖2～圖4），繪制成相關(guān)曲線，可得到如下結(jié)論。

圖2 上行線開挖后樁基位移

圖4 下行線開挖后樁基彎矩分布示意

上行線開挖過程中，以P3-L1樁為例（圖5）可以看到，由于樁體上部承臺作用，盾構(gòu)推進階段最大位移出現(xiàn)在樁身10 m處；在土體開挖階段樁底位移增大，而最大位移卻有所回彈；在注漿硬化護壁階段樁底無明顯位移，而樁身10 m處的位移進一步增大為0.6 mm。這說明，在上行線隧道開挖過程中，最后的注漿硬化及后期沉降階段是最危險的階段，在此階段須加強對于鄰近樁基的監(jiān)測和保護措施。

在下行線開挖過程中，對于P3-L1樁，盾構(gòu)推進階段樁底都無明顯位移，樁身10 m處位移進一步增大為2.1 mm；土體開挖階段樁底產(chǎn)生較大位移，而最大位移反而有較大回彈；而P3-L2樁有所不同（圖6），盾構(gòu)推進階段樁身最大位移處反而有較大回彈，之后的開挖階段和注漿階段規(guī)律與L1樁類似，但最終的樁體位移明顯較L1樁小，為1.3 mm。

圖5 P3-L1樁體位移

圖6 P3-L2樁體位移

由于P3-L2樁位于隧道上下線之間，兩線開挖對樁體變形作用有所抵消；P3-L1樁位于隧道上下線同側(cè)，兩線開挖對樁體位移有耦合作用，使變形進一步增大。對于P3-L3樁，由于和P3-L2樁大致對稱分布在隧道上下線之間，故與其變形規(guī)律基本一致（圖7）；因為P3-L4樁與P2-L1大致對稱分布在隧道上下線兩邊，故其變形規(guī)律基本一致（圖8）。這與數(shù)值模擬結(jié)果相符。

圖7 P3-L3樁體位移

圖8 P3-L4樁體位移

綜合上述分析結(jié)果，可以將結(jié)論歸納為以下2點：

1）在隧道上下2條線開挖過程中，開挖對樁體產(chǎn)生的變形作用有所抵消；而位于隧道上下線同側(cè)的樁體，開挖對樁體產(chǎn)生的位移會耦合，將使樁體變形進一步增大。

2）隧道開挖過程中，最后的注漿硬化階段及后期沉降是最危險的階段，應在此階段加強對鄰近樁基的監(jiān)測和保護措施。而對于單個樁體來說，整個開挖過程中樁身最大位移大致出現(xiàn)在隧道中心高度處，是監(jiān)測和保護的重點。

2.4.2 不同施工工況下的襯砌位移

經(jīng)分析，P3樁基最大側(cè)向位移2.2 mm，最大值發(fā)生在下行線推進時，襯砌最大應力值為6.9 MPa，滿足要求。

3 鄰水樁基的影響分析

由圖1可知，P5和P6橋墩鄰近河道，由于橋梁承臺上覆水層，導致隧道開挖過程中實際覆土厚度減?。煌瑫r上覆水層的水壓力的綜合影響對盾構(gòu)施工要求更高。采用三維有限元分析P6橋段施工時結(jié)構(gòu)受力情況。

經(jīng)分析，P6樁基最大側(cè)向位移3.0 mm，最大位移發(fā)生在下行線盾構(gòu)機切口挖土時，襯砌最大應力值為6.8 MPa。

P6-L1樁的變形規(guī)律（圖9）與之類似，只是通過標高可以確定，P6-L1樁最大位移大致出現(xiàn)在樁身12 m處，為0.9 mm，故而對于單個樁體來說，整個開挖過程中樁身最大位移大致出現(xiàn)在隧道中心高度處，是監(jiān)測和保護的重點。而對于P6-L2樁，除最大位移大致出現(xiàn)在樁身12 m處外，其他規(guī)律與P3-L2基本一致（圖10）。

4 結(jié)語

通過對西大盈港橋樁基的有限元分析可知，樁基及管片應力均控制在10 MPa以內(nèi)，可以滿足要求；但是通過分析樁基位移，可得出以下結(jié)論及建議：

圖9 P6-L1樁體位移

圖10 P6-L2樁體位移

1）盾構(gòu)穿越樁基過程中對樁基影響最大的是P6樁基。側(cè)向位移最大3 mm，最危險區(qū)域為盾構(gòu)穿越河道時，挖土時必須嚴格控制出土量，防止超挖引起的地表大面積隆沉，同時，P6橋墩要求增大注漿量，增大至正常段注漿量的1.2～1.5倍為宜；另外，還是要保證施工的防水性，嚴禁漏水。

2）P3推進過程中，由于隧道兩側(cè)均有樁基，對樁基的影響主要集中在切口抵達前的施工推進過程中，需嚴格控制切口面壓力及推進速度。

3）在隧道上下2條線開挖過程中，開挖對樁體產(chǎn)生的變形作用將有所抵消；而位于隧道上下線同側(cè)的樁體，開挖對樁體產(chǎn)生的位移有耦合作用，將使樁體變形進一步增大。

4）隧道開挖過程中，最后的注漿硬化階段及后期沉降是最危險的階段，應在此階段加強對于鄰近樁基的監(jiān)測和保護措施。而對于單個樁體來說，整個開挖過程中樁身最大位移大致出現(xiàn)在隧道中心高度處，是監(jiān)測和保護的重點。

5）嚴防盾尾漏水，采用二次補漿，防止盾尾透水；控制好管片姿態(tài)，居中拼裝，防止盾構(gòu)建筑空隙過大形成透水通道。盾構(gòu)機采用3道盾尾鋼絲密封刷，能有效防止盾尾透水。掘進中加強盾尾密封油脂的注入，確保盾尾密封油脂壓力；加強中體與盾尾鉸接處的密封檢查，及時調(diào)節(jié)密封壓板螺栓，保證其密封效果，防止地下水涌入。