蒙蛟， 李文彪

（1.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142；2.四川鐵盛工程勘察設(shè)計有限公司，成都 610031）

0 引言

城市的建設(shè)發(fā)展中，修建了大量的立交橋，使車輛快速通行而不受紅綠燈的約束，且減緩了公路的交通壓力。由于土地空間資源限制，后續(xù)工程尤其是地下盾構(gòu)隧道無法避免近距離側(cè)穿或下穿既有立交橋。為了防止盾構(gòu)隧道施工對土層產(chǎn)生劇烈擾動導(dǎo)致立交橋結(jié)構(gòu)的變形超過其承載能力，需要在立交橋樁基處采取一定的保護措施，減少隧道施工過程中產(chǎn)生的附加荷載對于立交橋樁基的影響，保證橋梁的位移在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，不影響立交橋正常使用運營。

近年來隧道近距離穿越橋樁之類的問題也不斷增加，所以許多學(xué)者對此類問題進行了大量的研究。彭坤等［1］對比區(qū)間隧道開挖區(qū)域附近采用不同的加固措施，認為加固措施可降低隧道掘進對橋梁樁基的影響；游輝等［2］運用三維數(shù)值計算進行有限元分析，驗證洞外隔離保護措施的重要性；周群立等［3］提出地層損失率的控制指標(biāo)和立交橋基礎(chǔ)差異沉降控制指標(biāo)，符合實際施工情況及橋梁安全要求；袁海平等［4］根據(jù)橋樁結(jié)構(gòu)耦合彈簧力學(xué)計算原理，采用變形撓曲方程推導(dǎo)出盾構(gòu)施工中橋樁彎矩和剪力。

1 工程概況

工程盾構(gòu)隧道于里程YDK8+945處側(cè)穿獅山立交D號匝道橋，橋臺下樁基采用1m的鉆孔灌注樁，橋臺樁長30m、1#墩樁長34.5m，橋臺樁底地層為中風(fēng)化泥巖。盾構(gòu)隧道覆土約21.1m，外輪廓與立交橋樁基最小凈距為約1.4m。盾構(gòu)區(qū)間隧道和獅山立交D匝道橋平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與獅山立交D匝道橋位置關(guān)系平面圖

盾構(gòu)隧道采用單層襯砌、平板型混凝土管片：管片外徑8.8m，內(nèi)徑8m，環(huán)寬1.8m；采用楔形襯砌環(huán)布置；管片采用4塊標(biāo)準(zhǔn)塊，1塊封頂塊，2鄰接塊錯縫拼裝；襯砌管片混凝土強度為C50高性能混凝土，抗?jié)B等級P12，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)詳圖

隧道主要穿越地層為強風(fēng)化砂巖及強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，此處隧道覆土距離為21.183m，地層由上至下分別為：素填土（厚約1.6m）、粉質(zhì)黏土（厚約2.4m）、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（厚約2.2m）、強風(fēng)化砂巖（厚約6.5m）、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（厚約1.8m）、強風(fēng)化砂巖（厚約11.5m）、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（厚約2.3m）、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（厚約2.9m）、強風(fēng)化泥巖（厚約2m）、中風(fēng)化泥巖（厚約5.7m）等，為上軟下硬地層。上軟下硬地層是盾構(gòu)施工中的一種特殊地質(zhì)，與已有的地層影響經(jīng)驗公式的假設(shè)條件存在差異，措施不當(dāng)可能對襯砌與橋梁結(jié)構(gòu)造成工程風(fēng)險［5］。盾構(gòu)機在掘進的過程中由于上下土層的剛度差異過大，導(dǎo)致盾構(gòu)機容易姿態(tài)偏移，掘進壓力難以穩(wěn)定控制，對土層擾動極大，致使地表發(fā)生沉降且改變橋樁原有的受力狀態(tài)，無法穩(wěn)定地控制橋樁變形。

為了減小因隧道施工擾動對立交橋橋樁產(chǎn)生的變形及附加內(nèi)力，擬對獅山立交D匝道橋樁基采用袖閥管預(yù)注漿加固+施工中洞內(nèi)同步二次注漿措施，于橋臺承臺底面至右線隧道頂范圍內(nèi)使用袖閥管對土體進行預(yù)注漿加固，加固區(qū)域高度為19.04m，預(yù)注漿加固樁周邊3D范圍土體（D為樁徑），隧道與樁基的位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道與獅山立交D匝道橋剖面圖

2 有限元模型分析

2.1 模型參數(shù)選取

文中使用MIDASGTSNX建立盾構(gòu)隧道側(cè)穿獅山立交D匝道橋工程三維模型，為了消除模型尺寸對計算結(jié)果的影響，根據(jù)圣維南原理，隧道開挖主要影響3～5倍洞徑范圍內(nèi)的圍巖，基于此，模型的x、y、z（x為隧道掌子面方向、y為隧道的掘進方向、z為重力方向）分別為70、80、50m，模型的網(wǎng)格劃分如圖4所示，共有37301個單元。模型中盾殼和管片為2D面單元、樁基為1D線單元，其余為3D實體單元，預(yù)注漿加固和二次注漿均采用相應(yīng)區(qū)域土層與原土層相關(guān)參數(shù)進行置換的方法進行模擬。模型的上表面為自由面，底面施加z軸方向的約束，其余面添加相對應(yīng)的法相約束。研究隧道開挖對橋梁0#橋臺及1#墩的影響，模型中盾構(gòu)隧道與獅山立交D匝道橋及預(yù)注漿加固區(qū)域位置關(guān)系如圖5所示。

圖4 三維有限元分析模型

圖5 盾構(gòu)隧道于橋梁及預(yù)注漿加固區(qū)域位置關(guān)系

2.2 計算參數(shù)

模型分為11個土層，各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，橋梁及區(qū)間隧道的材料參數(shù)如表2所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 材料計算取值

2.3 模擬施工

隧道左右線分步施工，左右線施工時間錯開，先開挖右線隧道。所模擬的隧道盾構(gòu)掘進中，單線隧道分為35個開挖段，每段掘進2m。

第一步：進行位移清零，施加重力形成初始應(yīng)力場；第二步：施作立交橋，位移清零；第三步：樁基周圍預(yù)注漿加固；第四步：掘進第一步開挖范圍，在相應(yīng)的開挖面施加法向的掘進壓力，承受來自地層壓力防止隧道前方土體坍塌；第五步：依次對隧道進行開挖，施作管片襯砌；第六步：對已完成安裝的盾構(gòu)管片周圍進行同步注漿并施加注漿壓力和千斤頂力，鈍化已開挖區(qū)域范圍內(nèi)的掘進壓力；以此類推直至全部開挖支護完成。

3 計算結(jié)果與分析

為了分析隧道側(cè)穿立交橋時預(yù)注漿加固措施的效果，文中通過對比分析使用閥管進行預(yù)注漿加固與不使用注漿加固兩種不同情況下樁基的位移。工況1為使用閥管進行預(yù)注漿加固保護措施的盾構(gòu)掘進，工況2為未使用預(yù)注漿措施的盾構(gòu)掘進。考慮現(xiàn)場為上軟下硬地層，預(yù)注漿措施在上部軟弱地層中進行。文中橋樁編號如圖6所示。

圖6 橋樁編號示意

橋梁樁基的位移隨著隧道掘進而不斷變化，選取隧道掘進過程中比較關(guān)鍵的6個施工步來分析整個掘進過程的樁基位移變化。施工步1：右線盾構(gòu)至預(yù)注漿加固區(qū)域；施工步2：右線盾構(gòu)至0#臺-1、2樁基中心線；施工步3：右線盾構(gòu)施工完成；施工步4：左線盾構(gòu)到達預(yù)注漿加固區(qū)域；施工步5：左線盾構(gòu)到達0#臺-1、2樁基中心線；施工步6：左右線盾構(gòu)施工完成。

3.1 橋樁豎向位移分析

盾構(gòu)隧道掘進過程中，由刀具切割土體，盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)土體的缺失帶來的變形傳遞至其他土體，形成地表沉降。當(dāng)隧道盾構(gòu)掘進至橋樁附近時，土體的缺失會導(dǎo)致隧道上方的地面沉降，對于橋梁結(jié)構(gòu)，土體的變形會極大的影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，嚴(yán)重時可能會使橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫甚至發(fā)生破壞。

對于工況1的預(yù)注漿加固措施，會使得原有橋樁樁基因為土體的擠壓而發(fā)生豎向位移如圖7所示。

圖7 預(yù)注漿加固施工橋樁的豎向位移

通過對比工況1、工況2見圖8、圖11橋梁樁基的豎向位移情況，可發(fā)現(xiàn)兩種措施下的樁基隨著隧道的掘進沉降不斷加大，工況1最大沉降為1.17mm，工況2最大沉降為2.4mm。采取閥管預(yù)注漿加固可以很明顯的限制了土體的豎向位移，最終位移沉降相對于工況2減小約50%。這主要是因為注漿加固增強了樁基周圍土體的強度與粘聚力。

3.2 橋樁水平位移分析

由計算結(jié)果可知，隨著盾構(gòu)隧道的掘進，盾構(gòu)到達橋樁之前，盾構(gòu)前方土體受到掘進壓力發(fā)生第1階段變形，橋樁變形的表現(xiàn)形式，豎向小幅度沉降；水平方向主要是沿盾構(gòu)掘進方向變形，垂直盾構(gòu)掘進方向變形較小。

盾構(gòu)通過橋樁附近土體過程中，外側(cè)土體受到開挖卸載作用后發(fā)生第2階段的變形，橋樁變形的表現(xiàn)形式為：豎向迅速沉降后穩(wěn)定；水平方向沿盾構(gòu)推進反方向變形，垂直盾構(gòu)推進方向向盾構(gòu)一側(cè)變形。

盾構(gòu)通過橋樁附近土體后，盾構(gòu)對周邊土體影響逐漸減小，第三階段各方向變形趨于穩(wěn)定。

3.2.1 盾構(gòu)掘進縱向水平位移

如圖9和圖12所示盾構(gòu)掘進縱向上的位移（即Y方向位移），在Y方向上的水平位移并不大，工況1為0.88mm，工況2最大值為0.96mm?？梢钥闯鲈赮方向的位移上。對于Y方向樁基位移的控制，預(yù)注漿加固作用的效果不明顯。

3.2.2 盾構(gòu)掘進橫向水平位移

如圖10和圖13所示盾構(gòu)掘進橫向水平位移（即X方向位移），在限制盾構(gòu)掘進橫向水平位移方面，閥管注漿無明顯的效果，兩中工況下所產(chǎn)生的的X方向上的位移相差不大（工況1、工況2最大值都為-2.58mm）。

圖8 工況1橋樁豎向位移隨施工步變化曲線

圖9 工況1橋樁Y方向位移隨施工步變化曲線

圖10 工況1橋樁X方向位移隨施工步變化曲線

圖11 工況2橋樁豎向位移隨施工步變化曲線

圖12 工況2橋樁Y方向位移隨施工步變化曲線

圖13 工況2橋樁X方向位移隨施工步變化曲線

4 結(jié)語

文中以盾構(gòu)隧道側(cè)穿獅山立交D匝道橋案例為工程背景，選取兩種不同的加固手段，運用Midas GTS NX軟件對盾構(gòu)掘進的過程進行數(shù)值分析模擬，分析兩種加固措施對橋梁樁基的保護效果。結(jié)論如下：

（1）上軟下硬地層盾構(gòu)掘進過程中，臨近的橋樁變形表現(xiàn)為：豎向先小幅度沉降、后迅速沉降、最后后趨于穩(wěn)定；水平方向先沿盾構(gòu)推進方向變形，后沿盾構(gòu)推進反方向變形；垂直盾構(gòu)推進方向向盾構(gòu)一側(cè)變形由小至大，最后趨于穩(wěn)定。

（2）在隧道開挖至橋樁前，使用閥管對橋樁進行預(yù)注漿加固的措施有效可行，對減小橋樁豎向位移的效果十分明顯，與未采取預(yù)注漿加固的工況相比，在豎直方向上的位移減少約50%，保證了橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

（3）數(shù)值分析模型對邊界條件進行了簡化，在實際的施工中應(yīng)結(jié)合監(jiān)測結(jié)果，調(diào)整施工的相關(guān)參數(shù)，減小對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。