地铁区间隧道下穿邻近高架桥桩基础变形分析

罗劲

摘 要：【目的】隧道側穿或下穿高架桥的施工情况及相关研究越来越多，但是对于双隧道下穿临近高架桥且以粉土为主要成分地质条件的案例研究较少。【方法】本研究以深圳地铁7号线西丽～珠光（DK2+420～DK5+190）段盾构区间下穿高速高架桥为背景，建立三维数值计算模型对墩顶位移和离隧道最近桩节点位移变化进行分析研究。【结果】研究表明：墩顶横向位移在先行隧道贯通前逐渐增大，但随着后行隧道的开挖，桩基两侧的土体产生的土压力逐渐平衡，墩顶横向位移逐渐减小，向初始位置靠近；墩顶纵向位移随着隧道开挖逐渐增大，位移方向同盾构掘进方向相反；墩顶竖向位移随着盾构掘进逐渐增大；双隧道两侧桥桩横向位移随着隧道的开挖和墩顶力的共同作用，位移逐渐增大，左右线贯通后达到最大值，但双隧道中间桥桩随着右侧隧道掘进，由于两侧土体产生的土压力逐渐平衡，横向位移逐渐减小，向初始位置靠近。【结论】下穿邻近高架桥的粉土地层的地铁隧道，应根据其工程变形规律，避免对既有工程造成影响，本研究对于同类型工程设计和研究具有一定参考。

关键词：区间隧道；邻近高架；桩基础；位移

中图分类号：U231.3    文献标志码：A    文章编号：1003-5168（2023）09-0079-05

Abstract： [Purposes] There are more and more studies on the construction of tunnels passing sideways or under viaducts and related to them， but there are fewer case studies on the geological conditions of double tunnels passing under adjacent viaducts and with powder soil as the main component. [Methods]In this article， a three-dimensional numerical calculation model is established to analyze and study the displacement changes of pier top and nearest pile nodes from the tunnel in the context of shield interval underpassing a high-speed viaduct in the Xili～Zhuguang （DK2+420～DK5+190） section of Shenzhen Metro Line 7. [Findings] The results show that： the transverse displacement of the top of the pier gradually increases before the first tunnel is opened， but with the excavation of the later tunnel， the earth pressure generated by the soil on both sides of the pile foundation is gradually balanced， and the transverse displacement of the top of the pier gradually decreases and approaches to the initial position; the longitudinal displacement of the top of the pier gradually increases with the excavation of the tunnel， and the displacement direction is opposite to that of the shield tunneling; the vertical displacement of the top of the pier gradually becomes larger with the shield tunneling; the transverse displacement of the bridge piles on both sides of the double tunnel The displacement gradually increases with the excavation of the tunnel and the joint action of the pier top force， and reaches the maximum value after the left and right lines are passed， but the middle bridge pile of the double tunnel gradually decreases with the right tunnel excavation due to the gradual balance of the earth pressure generated by the soil on both sides， and the lateral displacement approaches the initial position. [Conclusions] In this study， a three-dimensional numerical calculation model is established to investigate the deformation of the pile foundation of an adjacent viaduct under an underpass interval tunnel with powder soil as the main geological condition， to provide some reference value for the design and research of the same type of project.

Keywords： interval tunnel; near the viaduct; pile foundation; displacement

0 引言

为研究城市地下工程施工导致既有结构物变形问题，众多学者撰文分析了隧道开挖引发地表沉降致使地上结构物发生开裂、倾斜、沉降等现象，进一步对破坏地上结构物的正常使用和承载能力的各种情况进行分析。

Soliman等［1］为了研究双洞隧道的变形，对双洞变形进行了基于连续介质的有限元分析，通过二维和三维的数值模拟得出单洞隧道结果的叠加可以得到双洞的变形。Kimmance等［2］研究了jude延长线某段隧道建设过程中新奥法隧道下穿和侧穿既有建筑物及在既有铸铁管片隧道的施工。通过分析量测数据表明，对计算地表沉降采用的深度添加系数进行修正后可以用公式估算上部已有隧道的变形沉降。通过采用有限元法和解析解法可以估算出侧面基坑开挖导致既有隧道的沉降变形。王如路等［3］针对上海地铁盾构隧道研究了超载作用下软土盾构隧道的横向变形机理，并认为隧道横向变形发展过程中，其直径变化量与隧道接头张开量、螺栓应力和混凝土应力之间的关系存在归一化关系。Cooper等［4］通过采集三条直径为9 m的隧道对下穿既有隧道工程产生影响的变形数据，将精密水准仪和电子水准点布设在被穿越隧道内部，并进行长时间且广泛的监测，绘制出新建隧道后的沉降曲线，分析了地层沉降过程和变化范围，得出沉降槽因既有隧道的存在影响了形状和宽度。Krishan等［5-6］通过研究新加坡北线枢纽换乘站在既有轨道交通隧道侧下方施工的数据采集过程，提出为满足控制轨道线形平顺和开挖过程中隧道结构的整体性要求，检测仪器必须能够描述和检验深基坑开挖对既有隧道附加影响的极限状态，以此获得的数据才具有研究性。李松等［7］以广州地铁六号线下穿北二环高速公路高架桥桩基工程为对象进行建模分析，总结出盾构施工推进过程中，盾构推力是影响桩基位移的重要因素，影响结果是两侧桩基水平位移在隧道范围内呈明显“凹槽”，发生的沉降位移较小。刘厚全等［8］通过建立有限元模型分析近距穿越群桩基础，总结出桩基础剪力与弯矩会随着盾构掘进距离的增加而增大，且在盾构掘进过程中桩基础周围会产生较大的负摩阻力。吕怀昌等［9］结合明挖隧道与盾构隧道先后下穿桥梁工程的案例，分析了该情况施工时铁路桥墩、桥桩位移的变化规律，以及为减小变形采用隔离桩的控制效果。

既有文献资料对地铁侧穿、下穿建筑物的施工情况开展了不少研究，但是盾构区间隧道边缘距离桩基最近处为2.05 m，且地质条件具有以粉土、粉细砂、圆砾等为主的较低承载力为特点的研究案例较少。本研究以深圳地铁7号线为工程依托，研究双线隧道先后施工下穿高架桥桩基础情况下墩顶和临桩节点位移发展和离隧道最近桩节点位移变化规律。

1 工程概况

深圳地铁7号线横贯东西方向，跨越大半个市区，地下空间包含有28个车站和27个施工地段，在27个施工地段中，有21个地段需要进行开展盾构施工，其余的采取明挖施工。整条线路穿越多种地面建（构）筑物以及河流，大风险源多、工程开展规模受限、地质情况复杂等因素都造成施工相比于其他地铁修建难度大。

西丽～珠光（DK2+420～DK5+190）段，从珠文光站到珠光站，地铁线下穿龙珠大道珠光大道桥。珠光大道桥左右两幅桥，跨径布置：22 m+40 m+22 m。桥墩采用倒八字型桥墩，桥台采用一字型，桩基础采用2.5 m的直径、桩长64 m的摩擦桩。

本研究选取的地铁7号线盾构区间段，隧道轴线距离珠光大道桥1号墩桩基中心最近处为7.364 m，隧道边缘距离桩基最近处为2.05 m。1号桥墩处断面如图1所示。

2 计算模型

本研究使用有限元软件建立三维整体计算模型对施工阶段进行数值模拟，分6个施工阶段32步进行开挖模拟施工，单元体采用四顶点的等四面體结构。模型建立的边界尺寸为40 m×80 m×70 m（分别为隧道开挖方向、横断面方向和土层厚度）。

根据地质资料考虑不同土体分层条件和重度，结合桥墩初始应力场的影响进行初始应力场的模拟。采用“莫尔-库伦（M‐C）”土体弹塑性模型，具体材料参数见表1，考虑土体和桩结构之间的相互作用建立摩擦界面单元，通过软件中的桩单元可以与土体自动耦合，能较好地模拟土体与和桩之间相互作用［10］。

整个数值模拟模型以地表为建模自由面，分析与桩基础相接触的土体条件时，底面约束Z方向的位移变化量，侧面分别约束横向和纵向的位移变化，Z方向的转角变化受到桥梁桩基的约束控制，构成一个边界条件完整模型。隧道与桥桩的位置关系如图2所示。

3 计算结果与分析

隧道施工共分为32步，左线贯通16步，右线贯通16步。根据关于六个桥墩的模拟分析，对1到4号墩顶位移变化过程和1到6号离隧道最近桩节点位移数据进行采集和分析，墩顶各方向位移随着隧道开挖变化曲线如图3～5所示。从图中可以直观

地看出墩顶和临近桩节点的横向位移、纵向位移和竖向位移的变化过程。

3.1 墩顶位移变化

以四个桥墩顶部为监测对象采集模型数据，根据数据分析墩顶横向位移、纵向位移和竖向位移随着隧道开挖的变化过程，通过数据绘制的图3至图5可以看出墩顶位移在左线先行隧道开挖结束到右线后行隧道开挖之间有明显的变化。

结果分析如下。①墩顶横向位移在左线隧道贯通前，在隧道的开挖和墩顶力的共同作用下，位移逐渐增大，达到最大值分别为2.72 mm、2.59 mm、1.91 mm、2.15 mm。随着右线隧道的开挖，桩基两侧土体产生的土压力逐渐平衡，墩顶横向位移逐渐减小，向初始位置靠近。右线贯通后，位移值分别为1.0 mm、0.9 mm、0.51 mm、0.50 mm。②墩顶纵向位移在隧道的开挖和墩顶力的共同作用下，纵向位移逐渐增大（与盾构掘进方向相反），最大值分别为-2.12 mm、-2.13 mm、-2.17 mm、-2.17mm。③墩顶竖向位移在隧道的开挖和墩顶力的共同作用下，竖向位移逐渐增大，最大值分别为2.27 mm、2.18 mm、2.85 mm、2.97 mm。

3.2 离隧道最近桩节点位移变化

一般单线隧道施工扰动影响范围为6倍隧道直径区域［11］，而双线隧道影响范围更广。本研究取距离隧道最近的6条桩为对象建立模型，根据模型采集的数据如图6至8所示，可以清晰地看到离隧道最近桩节点横向位移、纵向位移和竖向位移的变化过程。

现将结果分析如下。①隧道两侧的桩1、桩 2、桩5及桩6横向位移在隧道的开挖和墩顶力的共同作用下，位移逐渐增大，左右线贯通后达到最大值分别为4.06 mm、 4.45 mm、4.50 mm、4.90 mm。但是

随着右线隧道的开挖，开挖面超越位于隧道中间的桩3和桩4后，桩基两侧土体产生的土压力逐渐平衡，桩3和桩4横向位移逐渐减小，向初始位置靠近，最大值为4.74 mm、4.27 mm，右线贯通后位移值分别为1.63 mm、1.58 mm。②离隧道最近桩节点纵向位移在隧道开挖和墩顶力的共同作用下逐渐增大，位移最大值分别为0.53 mm、0.79 mm、0.66 mm、1.26 mm、0.52mm、0.85 mm。③离隧道最近桩节点竖向位移在隧道的开挖和墩顶力的共同作用下逐渐增大，位移最大值分别为3.69 mm、3.17 mm、2.79 mm、2.26 mm、 2.3 9mm、1.90 mm。④从模拟结果可以看出，随着隧道的开挖，由于土体压力，位于隧道开挖面以下桩横向和纵向出现反弯点。

4 结论

①墩顶横向位移在左线隧道贯通前，在隧道的开挖和墩顶力的共同作用下，位移逐渐增大，但是随着右线隧道的开挖，桩基两侧土体产生的土压力逐渐平衡，墩顶横向位移逐渐减小，向初始位置靠近。

②墩顶纵向位移在隧道的开挖和墩顶力的共同作用下，纵向位移逐渐增大，与盾构掘进方向相反；竖向位移逐渐增大，与盾构掘进方向相同。

③双隧道两侧桥桩横向位移在隧道的开挖和墩顶力的共同作用下，位移逐渐增大，左右线贯通后达到最大值。但双隧道中间桥桩随着右侧隧道掘进，由于两侧土体产生的土压力逐渐平衡，横向位移逐渐减小，向初始位置靠近。

④离隧道最近桩节点纵向位移和竖向位移在隧道的开挖和墩顶力的共同作用下逐渐增大。在隧道的施工中，后行隧道的开挖由于土压力的逐渐平衡会产生明显的反弯点。

参考文献：

［1］ SOLIMAN E， DUDDECK H， AHRENS H. Two- and three-dimensional analysis of closely spaced double-tube tunnels［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，1993， 8（1），13-18.

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［3］ 王如路，张冬梅. 超载作用下软土盾构隧道横向变形机理及控制指标研究［J］. 岩土工程学报， 2013， 35（6）： 1092-1101.

［4］ COOPER M L，CHAPMAN D N，ROGERS， et al. Movements in the Piccadilly Line tunnels due to the Heathrow Express construction［J］. Géotechnique， 2002， 52（4）：243-257.

［5］ KRISHNAN R，COPSEY J P，ALGEO R G， et al. Design of the civil works for Singapore's North East line［J］. Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research， 1999， 14（4）：433-448.

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［7］ 李松，楊小平，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）： 74-78.

［8］ 刘厚全，赖金星，汪珂，等. 盾构下穿既有群桩基础受力特性数值分析［J］. 公路，2017， 62（8）： 298-304.

［9］ 吕昌怀，刘燕，张亮亮，等. 明挖隧道与盾构隧道下穿铁路桥变形影响及隔离桩效果［J］. 铁道建筑， 2022： 1-5.

［10］ 闫兴宝. 复杂地层条件下深基坑施工对下卧地铁隧道结构影响研究［D］. 西安：长安大学， 2015.

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