地铁盾构隧道穿越既有桥桩及排水渠的施工影响与对策

艾国平，陈 刚，刘维正，孙 康，李英伟

(1. 中交一公局集团有限公司，北京 100024；2. 中南大学 土木工程学院，长沙 410075)

在城市地铁的建设过程中，盾构隧道下穿既有桥桩等建(构)筑物的现象十分普遍，施工时隧道开挖会使周围地层变形，导致邻近桥桩产生位移和附加内力，进而影响桥梁上部结构的稳定性。该类工程施工风险和难度较大，因此有必要研究盾构隧道开挖对邻近桥桩的影响，制定相应的施工对策，减小施工对桩基的扰动，以保证桥梁及上部结构的稳定和安全。

近年来，国内外学者对于盾构隧道穿越邻近桩基造成影响的研究方法主要有理论分析、数值模拟及试验研究。在理论分析方面，于晨昀[1]、李进军等[2]根据两阶段分析法，分别采用简化分析方法和位移控制有限元进行分析；袁海平等[3]基于桥桩结构耦合弹簧力学计算原理和有限差分方法对桩基受力和变形进行研究。在数值模拟方面，王净伟等[4]对盾构施工进行数值模拟，研究了在隧道逐步开挖的过程中，桥桩的附加轴力和所受外力的变化情况；赵坤等[5]通过建立数值模型研究了地层在注浆加固后桥梁桩基的变形受力情况；Li等[6]通过数值模拟对地层和盾构施工参数进行敏感性分析，并利用修正后的计算参数研究了隧道施工对复合地层中地表沉降和桩基础沉降的影响。

在试验研究方面，李林[7]根据实际工程对地层沉降与倾斜进行了现场试验；武钰翔[8]以相似理论为基础设计了9组模型试验，对土体沉降进行可视化分析；张治国等[9]设计了一种模型试验装置，用于研究盾构管片衬砌注浆对桩基础的影响。

针对盾构下穿桥梁桩基的施工对策，一般从地层变形控制、桩基变形控制以及盾构掘进参数控制三个方面进行研究。Wu等[10]、Liu等[11]通过对地层进行注浆加固，达到控制地层沉降的目的；王永军等[12]、刘恒等[13]从桩基变形着手，采用注浆加固、隔离桩保护和桩基主动托换等方法，有效地控制桩基变形，保证桥梁安全；盾构掘进参数控制一般与其他方法一起使用，如王效文[14]、徐源等[15]综合了隔离桩加固、盾构施工参数控制及信息化监测等方法，对桩基进行保护。目前对于盾构隧道穿越桥桩的研究中，隧道与桥桩的净距大部分在2 m及以上，且大多数没有考虑桥下其他建(构)筑物的影响，隧道与桥桩净距越小，相邻建(构)筑物越多越复杂，施工扰动就越大，施工风险和难度也相应越大。

本文以长沙地铁6号线盾构隧道小净距(1.0 m)下穿杨家山立交桥桥桩及桥下排水渠为工程背景，采用ABAQUS有限元软件模拟盾构施工过程，在未采取措施、设置临时支墩和采用克泥效工法三种工况下，分析地层沉降规律和桥桩及桥下排水渠的受力和变形规律，通过数值模拟确定合适的施工参数，提出相应的施工对策。

1 工程概况

长沙地铁6号线朝阳村站-芙蓉区政府站区间长度约1.62 km，主要由西向东敷设，区间隧道于YDK37+235～YDK37+265处正交穿越杨家山立交桥，桥下地表处有一条垂直于隧道的排水箱涵团结渠，隧道与立交桥及团结渠的位置关系如图1所示。

图1 隧道与立交桥及团结渠的位置关系(单位：m)

立交桥桥桩为人工挖孔桩，桩长17 m，桩径1.8 m，桩端扩大端直径为2.2 m，持力层位于中风化泥质粉砂岩，桥桩距离隧道结构边线水平净距最近为1.0 m，桩底位于隧道轴线上方，垂直距离为1.9 m。团结渠的结构尺寸为12.3 m×3.5 m，距离隧道顶部12.0 m。

区间隧道采用土压平衡盾构法施工，盾构直径6.4 m，管片外径6.2 m，厚度0.35 m，每一环管片宽1.5 m。盾构隧道埋深16 m，左右线轴线间距为13.0 m，穿越段位于中风化泥质粉砂岩，隧道所处土层的物理力学性质及相关材料计算参数如表1所示。

表1 隧道所处土层的物理力学性质及相关材料计算参数

地下水类型以孔隙潜水为主，水量丰富，局部水量中等，部分为承压水，承压水头约1.0～4.0 m，属强透水性地层；以基岩裂隙水为辅，为承压水，含水量贫乏，局部水量中等，总体上基岩属弱透水层。混合水初见水位埋深0.90～9.20 m，混合水稳定水位1.70～6.50 m。

2 盾构开挖数值模拟

2.1 计算模型

本文利用ABAQUS有限元软件模拟盾构隧道穿越杨家山立交桥桥桩施工过程。模型尺寸选取为：80 m×40 m×60 m，即模型横向长度为80 m、竖向深度为40 m，隧道开挖方向为60 m。为简化分析，盾构隧道一次开挖3 m，单线开挖分20步完成，左右线总共需要40个开挖步。

模型边界利用位移约束进行控制，其中顶面为自由边界，侧面限制水平位移，底面完全约束。模型中盾壳部件的单元类型采用壳单元S4R，其余部件选用八节点线性六面体单元C3D8R。

2.2 计算参数

计算过程中土体的本构模型采用Mohr-Coulomb(屈服准则)模型，桥梁结构、团结渠、桩基、盾构管片、盾壳以及注浆体均采用线弹性模型。考虑到凝固时间，注浆体按初凝和终凝分为两种弹性模量不同的材料。盾壳的密度则由模拟时盾壳单元的厚度和土压平衡盾构机主体的质量换算而成。相关材料参数如表1所示。

参照施工资料，盾构机掘进过程中，盾尾注浆压力取0.22 MPa，土仓压力取0.14 MPa。

2.3 施工模拟

利用ABAQUS有限元软件中的单元生死功能，可以实现土体开挖和盾构机掘进的模拟，在开始模拟之前，首先应平衡模型初始地应力，使其应力状态更加符合真实情况。隧道开挖模拟先完成左线的开挖，再进行右线开挖。其具体步骤如下：

第1步：移除模型中的盾壳、衬砌和注浆层，对模型施加重力，利用导入odb文件的方式反复平衡地应力，直至模型位移小于0.1 mm。

第2步：移除左线0～3 m内的土体单元，激活盾壳单元，并对开挖面施加支护压力。

第3步：移除0～3 m内的支护压力，施加注浆压力并激活注浆层单元和管片单元；同时移除3～6 m 内的土体单位，激活盾壳单元并施加支护压力。

第4步：移除0～3 m内的注浆压力；移除3～6 m 内的支护压力，施加注浆压力并激活注浆层单元和管片单元；同时移除6～9 m内的土体，激活盾壳单元并施加支护压力。

模拟过程分3部分，即前3 m开挖，中间3 m注浆支护安装管片，后3 m移除注浆压力；之后的开挖只需重复第4步，直至双线隧道开挖完成。

2.4 模拟工况设置

为分析盾构隧道穿越既有桥桩时不同施工因素造成的影响，本文针对临时支墩以及克泥效工法等因素设置了3种不同工况：

工况1：未采取措施，施工时注浆压力取 0.22 MPa，土仓压力取0.14 MPa。

工况2：设置临时支墩，在桥梁桥墩两侧设置临时支墩，分担桥梁上部结构的部分荷载，施工参数同工况1。

工况3：采用克泥效工法，对盾壳周围土体进行同步注浆，施工参数同工况1。

3 模拟结果分析

3.1 地层变形分析

左右线开挖完成后，工况1下地层整体沉降云图如图2所示，地层变形最大处位于双线隧道周围，其中隧道拱顶处地层最大沉降值为4.83 mm，隧道底部地层发生隆起，变形值为4.67 mm，地层沉降从拱顶向上延伸至地表。

图2 工况1下地层整体沉降云图

取模型中桥梁下方的地表作为研究对象，3种工况下的地表沉降曲线如图3所示，从图中可以看出，地表最大沉降发生在双线隧道中心线上方，最大沉降值为2.23 mm，地表沉降形状基本符合Peck的正态分布曲线。其中，工况2与工况1沉降曲线接近重合，工况3的最大沉降为1.56 mm，相比工况1减小了约30%，说明采用克泥效工法进行同步注浆能有效控制地表沉降。

图3 3种工况下的地表沉降曲线

3.2 桥桩变形分析

3.2.1 桥桩沉降变形分析

根据左右线盾构隧道掘进时穿越的先后顺序，对桥桩进行编号，分别为1～4号。工况1下桥桩沉降云图如图4所示，从图中可以看到桥桩沉降沿桩身深度方向变化不大，但在X方向上靠近隧道一侧沉降明显大于远离隧道一侧沉降，最大沉降值为0.99 mm。

图4 工况1下桥桩沉降云图

3.2.2 桥桩水平变形分析

隧道开挖完成后，工况1下1～4号桥桩X方向变形沿桩深的变化曲线如图5所示，从图中可以看到，桥桩上部13 m范围内均出现了向隧道方向的倾斜，X方向的变形沿桩深均匀变化，最大变形均发生在桩顶部位，最大变形值为3.37 mm，其中1、2号桥桩X方向变形大于3、4号桥桩，这是因为1、2号桥桩距离隧道更近，净距仅为1.0 m，受隧道开挖影响较大。

图5 工况1下1～4号桥桩X方向变形沿桩深的变化曲线

在设置临时支墩(工况2)和采用克泥效工法(工况3)后，为分析桥桩变形的影响，以1号桥桩为例，绘制了3种不同工况下桥桩X方向变形沿桩深的变化曲线，如图6所示。从图中可以看到，工况2设置临时支墩后，1号桥桩的最大变形值由3.13 mm 减小到2.99 mm，变形减小了约5%，工况3采用克泥效工法后，1号桥桩的最大变形值减小到1.28 mm，变形减小了约60%。由结果分析可知，采用克泥效工法相比设置临时支墩而言，能更多地减少桥桩的变形。

图6 3种不同工况下桥桩X方向变形沿桩深的变化曲线

3.3 桥桩受力分析

3.3.1 桥桩轴力分析

以1号桥桩为例，3种工况下桥桩轴力沿桩深的变化曲线如图7所示。从图中可以看出，工况1和工况3情况下桥桩轴力变化不大，两条曲线基本重合，说明采用克泥效工法对桥桩的受力影响不大。而在工况2设置临时支墩后，桥桩轴力显著减小，最大轴力由6 323 kN减小到5 859 kN，减小了约7%。

图7 3种工况下桥桩轴力沿桩深的变化曲线

3.3.2 桥桩弯矩分析

图8是工况1下1～4号桥桩Y方向附加弯矩沿桩深的变化曲线。附加弯矩是指桥桩在盾构隧道未开挖和开挖后的弯矩变化。从图中可以看出，1号和2号桥桩附加弯矩值为正，3号和4号桥桩附加弯矩值为负，表示桥桩都向隧道方向弯曲。桥桩附加弯矩的变化规律为沿桩深自上而下逐渐增大，最大附加弯矩值为46.2 kN·m，各桥桩之间附加弯矩绝对值相差不大。

图8 工况1下1～4号桥桩Y方向附加弯矩沿桩深的变化曲线

以1号桥桩为例，在工况2和工况3情况下桥桩最大附加弯矩值分别为34.1 kN·m和21.3 kN·m，相比工况1而言分别减小了26%和54%，说明设置临时支墩和采用克泥效工法都能较好地改善桥桩弯矩情况，但采用克泥效工法的效果更好。

3.4 排水渠变形受力分析

3.4.1 排水渠变形分析

图9是工况1下排水渠沉降云图，从图中可以看出，排水渠的沉降呈现出中间大、两边小的规律，这与地表沉降规律类似，沉降主要发生在双线隧道中心线上方，最大沉降发生在排水渠的底部，其值为2.28 mm。

图9 工况1下排水渠沉降云图

3.4.2 排水渠受力分析

图10是工况1下排水渠最大主应力云图，其中最大主应力的正值表示受拉，负值表示受压，分别对应最大拉应力和最大压应力。从图中可以看出，排水渠的最大压应力主要分布在上表面，最大拉应力主要分布在下表面，且都位于排水渠中间部位。

图10 工况1下排水渠最大主应力云图

表2是不同工况下排水渠最大主应力值，其中工况2的最大主应力值与工况1相差很小，工况3相比工况1，最大拉应力和最大压应力值分别减小了7%和5%，说明采用克泥效工法能较好地改善排水渠的受力状态。根据《混凝土结构设计规范GB 50010—2010》(2015年版)的规定，C30混凝土的抗拉强度设计值为1.57 MPa，抗压强度设计值为16.7 MPa，表2中不同工况下的最大应力值均小于规定的设计值，满足强度要求。

表2 不同工况下排水渠最大主应力值 (MPa)

4 施工对策

4.1 设置临时支墩

盾构穿越桥桩前，在桥梁和地表之间采用临时支墩进行加固，这种方法是从改变桩基外部荷载的角度出发，将既有桥梁桩基础承受的部分荷载通过临时支墩传递到地层中去，待盾构顺利通过桥桩影响范围后，逐步拆除临时支墩体系。

实际工程中设置临时支墩的主要流程包括临时支墩混凝土基础施工、钢构件安装施工、体系受力调整和临时支墩体系拆除。根据盾构在推进过程中的需要，结合地面监测情况，对桥梁稳定性情况进行分析，确定是否需要通过千斤顶来增大压力，保证桥梁体系安全。

在本文的数值模拟结果中，对比设置临时支墩前后桥桩的状态可知，设置临时支墩能有效控制桥桩的受力情况，其轴力减小了约7%，其弯矩减小了约26%，数值模拟的结果表明临时支墩加固的效果显著，为实际工程中临时支墩的具体应用提供了依据。

4.2 采用克泥效工法

克泥效工法本质上是一种盾构注浆施工技术，其原理是特殊黏土与强塑剂以一定的比例混合后，瞬间形成高黏度、不会硬化的可塑性黏土。一般盾尾同步注浆的注入点在盾尾处，而克泥效工法则是对盾体周围的土体进行注浆。混合后的克泥效材料通过前端盾构机外壳上的注浆孔注入周围土体中，可以有效填充刀盘开挖轮廓与盾构产生的间隙，利用克泥效材料止水、支撑和充填的特性，阻止土体的变形并控制地表沉降。

克泥效的特殊黏土材料由合成钙基黏土矿物、纤维素衍生剂、胶体稳定剂和分散剂构成，强塑剂主要为水玻璃。在本工程中，克泥效采用A、B双液，特殊膨润土浆液(A液)比例为膨润土∶水=1∶2，水玻璃液(B液)比例为水玻璃∶水=1∶1(体积比)，其中B液添加率为5%～6%，每环1.5 m宽注入克泥效混合液体积为0.604 m3。

通过分析本文数值模拟结果可知，采用克泥效工法能有效地控制桥桩水平位移，相比未采取任何措施而言，桥桩水平位移减小了约60%，附加弯矩减小了约54%，除此之外，排水渠的应力状态也得到一定程度的改善。对于盾构隧道以小净距穿越的情况，或其他对变形控制要求高的盾构掘进工程，采用克泥效工法能很好地控制地层变形，满足工程要求。

4.3 盾构掘进控制

将盾构穿越前100 m设为试掘进段，盾构机掘进前，先对各种施工参数进行计算，然后根据计算结果，设定施工参数。在正常掘进阶段施工中，根据设定施工参数的应用效果，结合地表监测的结果对各种参数进行调整、优化，使各项参数的设定达到最佳。

盾构掘进参数主要包括土仓压力、推进速度及刀盘转速、注浆压力，在本工程中，土仓压力的设定值根据隧道埋深取为开挖面平衡土压0.14 MPa，推进速度在穿越段控制在15 mm/min内，刀盘转速不大于1.3 r/min，注浆压力根据隧道埋深及地质情况设定在0.2～0.3 MPa之间。

另外，壁后注浆采取同步注浆和二次补充注浆两种方式，同步注浆通过同步注浆系统随掘进同时注入，二次补充注浆利用补充注浆系统通过管片注浆孔进行注浆。注浆作业时，严密注意注浆压力和注浆量变化，以注浆压力控制为主、注浆量控制为辅，且注浆作业与盾构推进同步进行，其注入速率应与掘进速度相适应。

4.4 施工监测

为保证施工过程中桥梁和排水渠的使用安全，了解施工过程中现场的实际情况，必要时对设计方案或施工过程进行修正，从而实现动态设计及信息化施工，需要对现场进行严密的施工监测。

盾构开挖影响的范围随开挖进度的增加而增大，本工程取盾构开挖的隧道边缘向外2倍开挖深度范围内的地表沉降、桥墩沉降以及排水渠沉降作为监测对象，其中地表沉降的监测点沿隧道纵向推进轴线布置，测点间距为5～10 m，要求每个桥墩至少布置1个桥墩沉降的监测点。

各监测项目在盾构施工影响前应连续观察2～3次，取其稳定值的平均值作为监测项目初始值。当变形超过有关标准或场地条件变化较大时，应加密观测；当大雨、暴雨或盾构边载条件改变时应及时监测；当有危险事故征兆时，应连续跟踪观测。监测项目控制值如表3所示。

表3 监测项目控制值

地表纵向沉降施工监测数据如表4所示，根据表4，地表最大沉降值为2.87 mm，平均值为2.02 mm，监测数据的地表沉降平均值与模拟结果中的最大沉降值2.23 mm相差约9%，误差在工程可接受的范围内，同时也证明了模型的有效性。

表4 地表纵向沉降施工监测数据

5 结论

本文以长沙地铁6号线穿越杨家山立交桥工程为背景，采用数值模拟方法研究了盾构隧道穿越桥桩产生的影响，并根据模拟结果提出相应的施工对策，得出以下结论：

(1) 盾构隧道穿越桥桩过程中，桥桩会产生向隧道中心方向的倾斜，桩顶的水平位移最大值达到3.37 mm；各桥桩轴力随桩深的增加而增加，弯矩沿隧道中心线呈对称分布，最大弯矩发生在桩端部位；排水渠应力状态表现为上表面受压、下表面受拉。

(2) 在工况2(设置临时支墩)情况下，桥桩轴力和弯矩相比工况1(未采取措施)分别减小了约7%和26%；在工况3(采用克泥效工法)情况下，桥桩水平变形和弯矩分别减小了约60%和54%。采用工况2、工况3两种施工措施后，桥桩以及排水渠的变形满足监测控制值，有效地降低了盾构开挖风险，保证了既有结构的稳定性。

(3) 结合数值模拟结果和工程实际，提出了4条相应的施工对策，分别是设置临时支墩、采用克泥效工法、盾构掘进控制以及施工监测，通过4种施工对策的合理运用，保证桥梁及桥下排水渠的正常使用。