超大直径盾构隧道穿越桥梁桩基影响研究

梁桩基变形与受力产生不同程度的影响，同时桩基加固能有效减小地表和桩基的沉降与弯矩，但会增大桩基轴力。

关键词：盾构掘进；桥梁桩基；数值模拟；掘进参数;控制措施中图分类号：U455.43

文献标志码：A 文章编号:1009-7767(2019)01-0067-05Influence of Super-large Diameter Shield Tunneling under

Bridge Pile FoundationLiu Minggao1,Chen Rendong1,Sun Hemei2, Yao Xiaoli1(1. Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd Beijing 100082；2. School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082)Abstract: Based on the project of super large diameter shield tunneling through a bridge pile foundation in Shenzhen,

the influence of large diameter shield tunneling parameters and foundation reinforcement measures on the displacement and force of bridge pile foundation is studied by means of a 3-d numerical simulation. The analysis results show that the change of tunneling parameters will have a certain effect on the deformation and force of the bridge pile foundation, and

the pile foundation reinforcement can effectively reduce the displacement and bending moment of the ground and pile

foundation, but axial force of the pile foundation will be increased.Key words: shield tunneling; pile foundation of bridge; numerical simulation; tunneling parameters; control measure盾构机的掘进不可避免地会对周边土体产生不

同程度的扰动和破坏，使地层位移或变形，特别是位

地基加固对隧道上方桥梁桩基变形及受力的影响，可

为控制大直径盾构隧道下穿桥梁桩基施工提供一定

于盾构开挖影响区的桥梁桩基更会受到相应的影响，

并在桥桩上产生附加应力，使桩体发生竖向及水平向

的参考。1工程概况位移,严重的可导致桩基承台位移量超过预警值，进而 春风隧道全长约4.3 k叫其中盾构段长3.58 km,

为单洞双层结构；隧道外径15.2 m,采用015.8 m超大

威胁桥梁的运营安全。已有研究表明，盾构隧道下穿 桥梁桩基时，会使桩基发生沉降，影响桥梁的安全使

直径泥水平衡盾构掘进；隧道埋深为24〜62 m。隧道

在掘进过程中，需下穿春风高架桥段1-1 — 1-11号桥 桩，侧穿2-1-2-2号桥桩。盾构隧道与邻近高架桥相

用IT。为控制隧道盾构开挖过程中邻近桥梁桩基的位

移，国内普遍采用地层加固和地层变形隔阻IT两类方 式处理。但现有的研究多集中于小直径盾构隧道开挖

引起邻近桥梁桩基变形的控制措施If,大直径盾构隧 道开挖引起桥梁桩基变形控制措施的研究则较少。对位置见图1。既有桥桩均为摩擦端承桩，持力层均为

强风化凝灰质砂岩，桩长17.3-22.0 m,l-6 J-7桩桩

径0.8 m,其余桩桩径1.5 m。该处盾构隧道覆土主要为 ①I素填土、③I淤泥、③2细砂、⑥3中砂、⑥6卵石、⑩

因此，笔者以深圳春风隧道盾构下穿高架桥桩为 背景，利用三维数值分析，研究了大直径盾构掘进和

强风化凝灰质砂岩;穿越层为⑪4微风化凝灰质砂岩和1^(1 R)¥ 37 < 彳貳技水 672019

Track Traffic & Underground Engineering:S轨道交通与地下工程⑪3中风化凝灰质砂岩。场地地层条件见图2。2三维有限元数值模拟2.1模型建立考虑边界条件影响，模型尺寸为180mxll0mx64m, 隧道位于模型的中间位置，隧道拱顶距地表33.7 m。

三维模型见图3。CF-2-97地面标高4.5图3三维模型图2.2模型参数确定2. 2.1 土层参数模型根据实际情况，共划分为8个土层。隧道上覆

土层采用莫尔库仑（MC）模型，强一微风化凝灰质砂岩

采用小应变硬化土（HSS）模型，以便更准确地表现其 压缩硬化和剪切硬化特性⑶。室内试验与现场测试获

图2场地地层条件图（m）得的土层模型参数见表1。表1 土层模型参数项目素填土淤泥细砂中砂卵石强风化凝灰质砂岩中风化凝灰质砂岩微风化凝灰质砂岩本构模型MCMCMCMCMCHSS257525HSS309030HSS60割线刚度/MPa卸载刚度/MPa切线刚度/MPa18060天然重度/（kN/m3）1&420.017.220.31&719.020.021.019.520.025.024.024.030.026.026.0饱和重度/（kN/m3）弹性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa19.76.00.3022.026.00.244.30.302.50.4017.00.2860.00.2243430.27280.2438810600280内摩擦角/（。）应力相关系数剪切应变22637280.5IxlO-4380.51x10-*0.51x10，3000.750.32小应变参考剪切模量/MPa截面强度初始水平应力系数1250.750.831500.750.750.560.750.750.400.750.750.380.970.530.532. 2.2隧道、桥梁桩基参数 见表2。隧道衬砌用实体单元模拟，衬砌用的管片参数盾构机外壳材料用shell单元模拟，相关参数取值 见表3。68 彳曲坟* 2019 No.l(Jan.) Vol.37轨道交通与地下工程::Track Traffic &Underground Engineering表2项目盾构机外壳参数盾构线形各向同性加固后盾构掘进引起的周围地层和建（构）筑物的反

应进行分析。盾构隧道下穿高架桥桥桩时，对1号墩台

材料模型弹性模量/（kN/m2）下桩基采取袖阀管预注浆加固方案，注浆孔梅花形布 设，布设间距1 mxl m,注浆管长度为打入强风化凝灰

质砂岩11 m,加固深度约28 m。加固方案采用将相应

21X10-7泊松比剪切模量/（kN/m3）011.5X10-7地层土体模量提高3倍的方法进行模拟。3盾构掘进对桥梁桩基影响分析表3衬砌用的管片参数项目管片3.1桥梁变形和受力分析当盾构以工况1方式掘进时，剖面I地表沉降量与 掘进距离关系见图4。外径/m15.213.90.65内径/m厚度/m重度/(kN/m3)弹性模量/（kN/m2）27.03.1X10-70.1—2 -泊松比2.3掘进过程模拟模拟过程如下：1）初始地应力场应力生成;2）桩加

载（激活承台、嵌入桩）;3）前一阶段位移清0,激活加固 区域（没有加固则省略）;4）激活已安装好的衬砌、盾构

机、管片；5）盾构开挖第1环，激活掘进参数（掘进工

作面推力、盾构机械、注浆压力）；6）盾构开挖第2环， 冻结前一阶段掘进参数，激活新阶段掘进参数;7）依步

-60 -50 -40 -30 -20 -10

0

10 20 30 40 50 60刀盘距监測断面距离/m骤6）类推。掘进工作面推力指盾构机设备推进过程中 提供的掘进工作面处的推力。数值模拟的第1环位置处，盾构机刀盘距桩基22m, 以保证盾构开始影响桩基前进行掘进。盾尾远离桩基

图4剖面I地表沉降量与掘进距离关系图由图4可知：当刀盘距离监测断面约20 m时，地 层沉降显著；隧道盾尾通过时，地层与桩基变形发展迅

20 m后，掘进结束，并保证桩基已经脱离盾构的影响

范围。速；在刀盘通过后40 m时，即盾尾通过后约30 m时， 变形基本稳定，最大沉降量达到9.4 mm。1号墩台在盾构机正常掘进情况下、掘进完成后，

2.4分析工况2. 4. 1考虑施工参数影响为对比不同掘进参数对桥梁桩基变形的影响，进

各桩位移与受力情况见图5。由图5可知：行了基于正常掘进工作面推力P、注浆压力P。的5种

不同工况下桩基位移的模拟研究。其中P在刀盘中心

1）1号墩台各桩竖向位移分布区间为10〜14mm, 且各桩桩顶、桩底竖向位移大小基本一致，说明桩体发

生整体下沉。整体来看，各桩均向隧道轴线侧水平位

点取值为446 kN/m2,梯度为12kN/（m2-m）,P0在拱顶

处取值为 535 kN/n?,梯度为 16.7 kN/（m2-m）0移，且由于墩台限制，各桩桩顶水平位移基本一致，约 为 0.7 mmo桩体在上部结构荷载和交通荷载的作用下表现为

受压状态，桩身上方16m受负摩阻力作用，致使轴力 先增大后减小。从各桩位置与隧道轴线距离可知，桩体

工况1：掘进工作面推力P,注浆压力P。；工况2：掘进工作面推力o.8P,注浆压力n； 工况3：掘进工作面推力1.2P,注浆压力P。；

工况4：掘进工作面推力P,注浆压力0.8P。；

工况5：掘进工作面推力P,注浆压力1.2P。。2. 4.2考虑加固影响距隧道轴线越远，轴力越大。其中1-2桩轴力最大，约为 1 953 kN,盾构机掘进前，其桩身最大轴力为1 633 kN,

为评测加固方案的效果，采用数值模拟的方法对 盾构机掘进致使桩身内力增大16.4%,增幅较明显，表2019拝第1期（1闪）第37卷彳苯农* 69!：轨道交通与地下工程Track Traffic &Underground Engineeringo-5二三二

-15-201* 桩11

-2.桩1- -4.桩-6.11-7 1-9.桩1 -1J桩11

ott1

1ltt

—■— 1-2 桩 • 1-4 桩 一A- 1-6 桩 一▼— 1-7 桩—*—1-9 桩 T—1-10桩—桩-25-8-10 -12-14桩竖向位移u./mma）竖向位移图桩水平向位移ux/mmb）水平向位移图二三二

桩桩 桩仓7 桩9 桩

2 4

1

ott1ltt-250 -200 -150 -100弯矩 M2/(kN-m)c）轴力图d）平行隧道方向的弯矩图—■—1-2 桩一 1-4 桩 一A—1-6 桩 一▼—1-7 桩—♦一 1-9 桩 一- 1-10 桩 一►— 1-11 桩弯矩 Af3/(kN-m)e）垂直隧道方向的弯矩图图5 1-1 — 1-11号桩位移与受力情况图明盾构掘进施工对1号墩台下桩体内力影响较大。盾 是桩侧土体发生垂直于隧道轴线方向水平位移所导 构掘进过程致使桩身在平行隧道方向弯矩略微增大， 致的。使垂直隧道方向弯矩明显增大，增幅达到了 169%,这 2）2号墩台各桩受力与位移情况与1号墩台各桩70 彳貳仅* 2019No.l(Jan.) Vol.37Track Traffic &Underground Engineering轨道交通与地下工程S3类似，但由于隧道侧穿2号墩台下的桥桩，所以其受

力与位移变化均较小。加强了桩与土层的协同变形，使得桩的轴力增大，桩身

弯矩有所减小。4结论3.2掘进参数影响分析工况1~5下地表最大沉降、邻近桩基的最大沉降、水平位移等计算结果见表4。1） 正常掘进情况下，地表最大沉降为9.4 mm,位 于隧道轴线正上方，1-7桩沉降最大，为13.7 mm,因此

施工中需重点关注隧道轴线上方区域地表沉降及对

表4各工况计算结果工况周边建筑物的变形监测。2） 盾构刀盘距离监测断面40 m时，地层沉降较

768850751Sj/mm9.410.5L/xi-v/mmM 2/kNAf3i-2/(kN-m)3.7113.714.312.52 8522 8462 8532 8422 907

2344.33.6小，之后开始缓慢沉降，当刀盘距离监测断面约20 m 时，地层沉降显著；隧道盾尾通过时，地层与桩基变形

9.110.88.514.44.23.6845发展迅速,在刀盘通过后40m时，变形基本稳定。因此

在盾构机下穿春风高架桥前20 m时，建议全面检修盾 构机，做好监测点布设，并取得原始数据，为盾构机过

511.6709注:Sa为地表最大沉降；仏\"为1-7桩的最大竖向位移;U“-2为1-2

桩最大水平位移;M-2为1-2桩的最大轴力；“33为1-2桩的最大弯矩。既有建（构）筑物做好准备。3） 盾构隧道掘进过程中，掘进工作面推力和注浆 压力的改变会对桥梁桩基变形与受力产生一定的影 响，因此在施工中应当密切关注两者的变化。由表4可知：1） 当注浆压力一定时（工况1〜3）,掘进工作面推 力变化对周边环境影响较小。如当掘进工作面推力从

4） 地层预加固对地表及桥桩的沉降都有所减小，

因此既有桥桩应执行“先加固后施工”的保护原则，盾

0.8P增加到1.2P时，地表最大沉降从10.5 mm减小

为9.1 mm: 1 -7桩最大竖向位移从14.3 mm减小为 12.5 mm； 1-2桩最大水平位移从4.3 mm减小为3.6mmo2） 当掘进工作面推力一定时（工况1、4、5）,注浆 压力变化对周边环境影响较大，并随着注浆压力的提 高，地表及桩基位移都大幅减小，相应桩基轴力增大

构掘进施工过程中，应加强监测，必要时进行跟踪注

浆加固。参考文献：[1] 张文正.北京地铁14号线大直径盾构隧道下穿机场线桥桩

结构变形及其控制研究[D].北京:北京交通大学,2012.显著，弯矩明显减小。如当注浆压力从0.8R变为1.2P0

时，地表最大沉降从10.8 mm变为8.5 mm； 1-7桩最大 竖向位移从14.4 mm变为11.6 mm； 1-2桩最大水平位

[2] 李松，杨小平，刘庭金.广州地铁盾构下穿对近接高架桥桩

基的影响分析[J].铁道建筑,2012（7）:74-7&移从4.2 mm变为3.6 mm03.3桩基加固影响分析[3] 周济民.盾构区间隧道下穿高架桥桩基群施工技术与环境

影响预测[J].现代隧道技术,2016,53（1）: 165-172.桩基加固前后各工况计算结果见表5。[4] 朱逢斌，杨平,ONGC W.盾构隧道开挖对邻近桩基影响数值

分析[J].岩土工程学报,2008,30（2）:298-302.表5桩基加固前后各工况计算结果工况[5] 芮勇勤，岳中琦,唐春安，等.隧道开挖方式对建筑物桩基影响

的数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22（5）:735-

Sd/mm4-7/mm13.7t/sI 2/mm^2/kNM3W/(kN-m)741.原始加固9.48.73.41.91 8213 205768533[6] 杨晓杰，邓飞皇.聂雯，等.地铁隧道近距穿越施工对桩基承

载力的影响研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25（6）: 1290-

9.41295.由表5可知，桩基加固后地表和桩的沉降都有所

减小。其中，由于在桩身周围注浆，提高了周围土层刚

度，使得桩的水平向位移减小最为显著。同时刚度提高

收稿日期：2018-05-17作者简介：刘明高，男，高级工程师.硕士，主要从事隧道工程设计与

研究工作。『佛山』地铁3号线太平站一狮山站盾构区间左线贯通2018年12月15日，在“天佑6号”盾构机刀盘转动的轰鸣声中，佛山地铁3号线太平站一狮山站盾构区间左线顺利贯通。20194M 1*(1

37卷彳苯倉索 71