双线盾构隧道下穿对邻近高铁桥梁群桩基础影响研究

汤友富， 谌启发， 丁宇航， 杨乔洪， 郭文华

（1.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600； 2.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075）

引 言

中国高铁线网多、行车密度大，运行速度高。2022年底中国高铁营业里程达4.2万公里，其中桥梁在高速铁路线路中占比极高，1318公里长的京沪高铁线路中桥梁占比就高达80.5%。随着一体化交通网建设飞速发展，日益规模化、网络化的道路、地铁、市政工程等将不可避免地会遇到盾构隧道下穿运营高铁桥梁。32 m预应力砼简支箱梁采用标准设计，主梁预制施工质量好，安装架设方便、快速，在高铁桥梁上已得到广泛采用，桥墩多采用群桩基础。当盾构下穿地质条件较差地段高铁桥梁时，会更大扰动周围土体，引发邻近群桩基础沉降和水平变形的变化，加剧桥上轨道不平顺，可能影响高速列车运营安全。因此，开展盾构隧道下穿施工对邻近高铁桥梁群桩基础影响研究就成为重要而紧迫的问题。

盾构隧道施工对邻近桩基的影响研究主要包括实测分析、解析法、模型试验和数值计算这四个方面的研究。朱逢斌等［1-2］选用 Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型，建立三维有限元数值模型，研究非均质土中直径6 m盾构隧道施工对邻近承载桩基的影响规律。毕景佩等［3］采用MIDAS/GTS有限元软件对盾构区间近距离下穿某桥梁进行有限元分析，分析了施工过程中桥面、盖梁及桩基位移变化特征和桩基应力变化规律。Lee［4］通过三维弹塑性数值分析，研究了弱风化岩中隧道开挖对隧道上方风化残积土中既有单桩及群桩性能的影响。Chen等［5］采用两阶段法分析了隧道开挖引起的桩基横向和轴向响应。王述红等［6］基于两阶段分析法和Winkler地基模型理论，提出一种计算盾构隧道开挖对邻近桩基影响的理论方法。秦东平等［7］基于柱体空腔膨胀理论，引入桩侧荷载传递函数，提出了盾构隧道施工影响下桩基的附加轴力、摩阻力、竖向位移的解析方法，研究了桩基在隧道不同位置处的力学响应规律。冯国辉等［8］采用两阶段法获得盾构掘进引起的邻近群桩水平位移解析解。邵羽等［9］对处于不同埋深下双隧道开挖所致桩顶沉降、工后群桩承载能力、群桩荷载传递机理进行分析。方焘等［10］设计了由模型架和非接触监测系统组成的模型试验系统，以研究不同埋深隧道盾构施工影响下砂土地层的变形规律。张富明等［11］以某地铁盾构下穿立交桥为背景，通过数值模拟对不同隧道埋深的应力和位移进行了分析。申兴柱等［12］依托某地铁线盾构隧道下穿铁路工程，分析了盾构隧道埋深对铁路箱涵结构变形及地表沉降的影响规律。可以看出：目前的研究主要集中在6 m左右小直径盾构下穿公路桥梁或铁路桥梁，但大直径盾构下穿高铁桥梁并考虑隧道埋深等对邻近群桩基础受力和变形影响特征研究还甚少。

本文采用有限元软件ANSYS建立13.67 m大直径盾构下穿沪宁高铁32 m简支箱梁的施工全过程空间分析模型，考虑原土层实际加固措施，计算各主要施工阶段下邻近桥墩顶部的沉降变形，并与墩顶现场监测结果进行对比分析。由于盾构隧道直径影响开挖断面大小和土体扰动范围，隧道埋深影响与邻近桥梁群桩的相对位置等，研究盾构隧道直径、埋深等关键参数对邻近群桩基础受力和变形的影响，可为地铁、市政道路等不同直径盾构隧道下穿高铁桥梁时的平、纵断面设计提供参考。

1 工程背景

以苏州桐泾路北延工程中盾构隧道下穿沪宁高铁苏州西特大桥多跨32 m简支梁桥为工程背景。隧道采用泥水平衡盾构机开挖，刀盘直径为13.67 m，施工顺序为先左线后右线，两隧道线间距为32.76 m，隧道净埋深约为10 m。隧道管片为外径13.25 m，内径12.05 m的C50混凝土圆环。邻近桥墩截面尺寸为7 m×3 m，墩高均为2.5 m，承台尺寸为9 m×6 m×2 m，承台下群桩的桩径为1 m，桩长约50 m，桥墩、承台和桩的混凝土等级均为C35。为确保施工期间桥上高铁列车运营安全，在盾构隧道下穿既有沪宁城际铁路影响区段（既有铁路中心线两侧各22.5 m）内，采用洞外隔离桩+MJS法加固+地表纵横梁的防护措施，如图1所示。洞外隔离桩的桩径为1 m，桩间距为1.2 m，桩长为30 m；在桩顶采用了加强隔离桩整体性的地表纵横梁，其尺寸为1.2 m×0.8 m，其中横梁间隔两个桩设置一处，纵梁在桩顶部沿隧道开挖方向设置；隔离桩和纵横梁均采用C30钢筋混凝土。同时为了降低地层渗透性，在隧道周围采用MJS法对隧道外轮廓以外，上下各5 m、左右各1 m范围内的土体进行加固。

图1 隧道与既有桥梁位置关系Fig.1 Position relationship between tunnel and existing bridg

2 数值分析模型及参数选择

基于Ansys分析平台，建立了苏州桐泾路北延工程直径13.67 m盾构下穿沪宁高铁32 m简支箱梁施工全过程的有限元分析模型。土层、盾壳、管片、桥墩、桩基、隔离桩、纵横梁、MJS加固体均采用SOLID45单元模拟，桩-土相互作用采用接触单元TARGE170和CONTA173模拟，摩擦系数取为0.3［13］。盾尾空隙及空隙内浆液充填情况简化为均质、等厚的等代层，也采用实体单元模拟，通过设置等代层单元的弹性模量随时间变化模拟浆液硬化过程［14］。为方便建模，忽略了隔离桩间净距0.2 m的影响，如图2所示。为精确模拟盾构施工的全过程，可考虑的荷载主要有结构自重、掘进面土压力280 kPa（作用于开挖面）、千斤顶推力65 MN（作用于管片）以及注浆压力200 kPa（同时作用于管片和围岩）等，其中，掘进面土压力基于位移反分析法计算而得［15］。通过改变材料刚度和单元生死来模拟土体开挖、施作管片以及注浆等过程。双线盾构隧道均从北向南交互分步开挖，每一步开挖1.5 m，先左线后右线，施工全过程共分为120个开挖步。

图2 有限元计算分析模型局部透视图Fig.2 Local perspective of finite element analysis model

土层和MJS加固体采用DP弹塑性本构关系，其他结构体均为弹性体。模型的顶面不做约束，底面及四周施加法向位移约束。模型中X轴为隧道径向，Y轴为地层埋深方向，Z轴为隧道开挖方向。承台沿隧道开挖方向的尺寸为9 m，为便于隧道开挖方向位置的说明，记为b，如图1（a）所示。取承台沿隧道开挖方向的中间截面，即桥梁纵向中心线截面处为z/b=0，隧道开挖端z坐标为-5b，开挖结束端z坐标为+5b。各土层走势较为平缓，且土层层数较多，相邻土层的物理力学性质也很相似，因此对相邻土层进行合并，并视为水平土层进行建模。合并后的土层及MJS加固体的物理力学参数如表1所示，结构弹性体的物理力学参数如表2所示。

表1 原土层及MJS加固体物理力学参数Tab.1 Original soil layer and MJS plus solid physical and mechanical parameters

表2 结构弹性体物理力学参数Tab.2 Physical and mechanical parameters of structural elastomers

3 数值分析模型的初步验证

为确保大直径盾构下穿运营高铁桥梁时列车运行安全和修正完善有限元分析模型，开展了苏州桐泾路北延工程直径13.67 m盾构下穿沪宁高铁32 m简支梁施工全过程现场监测，每个桥墩顶部均布置两个监测点（见图1）。为重点研究盾构下穿到高铁桥梁附近时的影响，仅选取离盾构附近的26#～28#桥墩为例进行说明。对于先左线后右线共120个施工阶段，仅选取每线盾构施工到离桥墩附近的某7个位置（盾构刀盘位置恰好位于z/b=-2.5，-1.5，-0.5，0，0.5，1.5，2.5）处，将这14个施工阶段的桥墩变形现场监测数据与数值计算结果进行比较，如图3所示。数值计算值与现场实测数据基本吻合，数值模拟能较好反映大直径盾构下穿施工对邻近高铁桥墩变形的实际影响。

图3 监测点累计沉降现场监测值及模拟计算值的对比Fig.3 Comparison of field monitoring values and simulated calculated values of accumulated settlement at monitoring points

4 群桩基础响应行为

4.1 盾构隧道直径与埋深等参数的选取

仍以苏州桐泾路北延工程盾构下穿区段为工程背景，为研究不同直径双线盾构隧道在不同埋深位置对邻近桥梁群桩基础的影响，仍采用原盾构下穿区段相同的土层参数，为减少计算量，将原桥梁桩长缩短至35 m，而且不考虑原设计中已采用的隔离桩防护、MJS法加固及地表纵横梁等各种土层加固措施，仅研究盾构隧道下穿原土层（未加固）时对邻近高铁桥梁群桩受力及变形的影响，如图4所示。盾构隧道直径主要根据交通行车及其他功能要求来确定。例如：6 m级隧道常用于单线地铁隧道；10 m级隧道一般为两车道公路隧道或双向地铁与铁路隧道；14 m级隧道可为三车道高等级公路隧道或公铁合用隧道；17 m级隧道可为四车道高等级公路隧道或公铁合用隧道，但由于技术、经济及施工条件等限制而应用极少。本文仅选取6 m（小直径）、10 m（中直径）、14 m（大直径）三种等级进行研究。由于隧道与桩端相对位置对群桩附加弯矩及附加沉降影响较大［9］，当盾构隧道下穿高铁3 2m简支箱梁时，对于大直径盾构隧道，单孔简支梁桥下无法同时布置双线隧道，为方便比较，均仅布置一线隧道从每孔简支梁中间位置下穿，隧道埋深则选择以下四种工况：工况A为隧道轴线位于桩身中部；工况B为隧道底与桩底齐平；工况C为隧道轴线与桩底齐平；工况D为隧道轴线整体位于桩底以下，且使群桩均处于隧道45°切线影响范围内［16］，如图5所示。三种直径隧道分别在四种工况下的实际埋深值如表3所示。

表3 隧道中心线y坐标表（单位：m）Tab.3 Tunnel center line y coordinate table （Unit： m）

图4 无加固措施有限元计算分析模型局部透视图Fig.4 Local perspective of finite element analysis model with out reinforcement measures

图5 隧道埋深工况示意图（单位：m）Fig.5 Tunnel depth working condition diagram （Unit： m）

4.2 计算结果分析

4.2.1 地表和墩顶沉降

图6为不同直径双线隧道以不同埋深下穿完成后在桥梁中心线（z/b=0）处产生的地表沉降图。其中，双线6 m直径隧道以不同隧道埋深下穿完成后在地表产生的最大沉降分别为16.80，18.48，19.62和27.39 mm。不同直径隧道下穿完成后在地表产生的最大沉降分别为27.39，87.45和118.36 mm。对于相同直径隧道，随着隧道埋深增加，地表最大沉降在逐渐增大，其地表变形也呈现两种特征：当隧道轴线整体位于桩底及其以上时，地表沉降为W型，其最大沉降分别出现在隧道中心对应的地面；当隧道轴线整体位于桩底以下时，地表沉降为V型，其最大沉降出现在27#中墩处。对于相同埋深工况，随着隧道直径增大，地表最大沉降也在增大，而且大直径隧道增加更加明显。

图7为不同直径双线隧道以不同埋深下穿完成后的邻近墩顶沉降图。对于相同直径隧道，随着隧道埋深增加，邻近墩顶沉降值都在增大。由于27#桥墩离左、右线隧道均较近，故最大沉降均发生在27#中墩处；反之，25#桥墩和29#桥墩墩顶沉降值相对较小。对于相同埋深工况，随着隧道直径增大，墩顶沉降大多会增大。因此，为减小盾构隧道下穿对邻近墩顶沉降的影响，需重点关注隧道轴线与桥桩的相对位置关系，尤其应避免隧道轴线整体位于桩底以下。

4.2.2 桥桩变形

中间27#墩桥桩横向变形极小，是由于左、右线隧道下穿完成后相互抵消所致，而邻近的26#和28#桥墩均位于双线隧道外侧，其桥桩横向变形相对较大。以左侧26#桥墩b1桩为例，图8为不同直径双线隧道以不同埋深下穿完成后该桥桩桩身横向变形图。对于相同直径隧道，随着隧道埋深增加，桩身横向位移整体增大，最大横向位移一般出现在桩顶。当隧道埋深较小（工况A，B，C）时，桩底横向位移较小（0～3 mm）；当隧道埋深较大（工况D）时，桩身整体发生了横向位移，其桩底最大横向位移可达14.03 mm。当隧道埋深较小时，桩底附近的土体受隧道开挖引起的隧道底部土体隆起的影响，成固结状态，约束进一步增强，因此桩身横向附加位移很小；当隧道埋深较大时，隧道开挖导致隧道顶部土体沉降，进而破坏桩底土体原本的紧密状态，导致桩底可活动的范围增大，因此桩身横向附加位移较大。对于相同埋深工况，随着隧道直径增大，桩顶横向位移一般会增大。

图8 双线隧道下穿完成后26#桥墩b1桩身横向变形图Fig.8 Transverse deformation diagram of b1 pile body of 26#bridge pier after the completion of double-line tunnel

对于桥桩竖向变形，显然位于双线隧道中间的27#墩桥桩变形更大。以中间27#桥墩b1桩为例，图9为不同直径双线隧道以不同埋深下穿完成后该桥桩桩身竖向变形图。对于相同直径隧道，随着隧道埋深增加，桩基竖向变形明显增大，沿桩身上下变形基本一致，呈现刚体变形特征。隧道埋深的增加导致桩身受隧道开挖引起的隧道顶部土体沉降区域增大，而桩身受隧道底部土体隆起区域减小，此消彼长致使桩身整体沉降值在增大。

图9 双线隧道下穿完成后27#桥墩b1桩身竖向变形图Fig.9 Vertical deformation diagram of b1 pile of pier 27#after the completion of double-line tunnel

不同直径隧道以埋深工况A下穿完成后该桥桩最大竖向变形分别为6.24，27.86和18.92 mm；以埋深工况B下穿完成后该桥桩最大竖向变形分别为14.49，47.76和47.98 mm，桥桩竖向变形并没有随隧道直径增大而一直增大。这是由于盾构施工会造成盾构上部分土体沉降而增大桩的沉降，盾构底部区域土体隆起而减小桩的沉降。当盾构直径增大时，土体沉降区域与土体隆起区域也在跟随隧道边界变化，由于埋深较浅，隧道上方的土体沉降区域会越过地表而无法增大，但隧道下方的土体隆起区域则一直在土体里，因此隧道开挖形成的底部土体隆起区域可能占主导作用。对于隧道埋深工况C和D，由于埋深足够大，土体沉降边界限制不再存在，故桥桩的最大竖向变形随隧道直径增大而一直增大。

4.2.3 桩基内力

桩基内力主要指桩身轴力和桩身弯矩。由于中间27#桥墩与左右线隧道均直接相邻，需承受更多的负摩阻力，因此其桩身轴力会更大；但中间27#桥墩桩身横向变形由于其左右双线隧道的开挖而有所抵消，故其桩身弯矩比左侧26#桥墩或右侧28#桥墩的桩身弯矩相对较小。限于篇幅，特选择27#桥墩来分析桩身轴力，选择26#桥墩来分析桩身弯矩。

图10为不同直径双线隧道以不同埋深下穿完成后27#桥墩b1桩身轴力图，轴力以受拉为正。桥桩轴力沿桩身从上至下呈现先增大后减小特征。这是由于盾构施工造成盾构上部分土体的沉降以及盾构底部区域的隆起，所以桥桩周围土体沉降随土层深度逐渐减小，随后甚至反向隆起；而桥桩沉降沿桩身变化极小，故桥桩与周围土体沉降在某个深度会达到一致，这个深度点即为中性点。在中性点深度以上，土体沉降大，桩身周围为负摩阻力，则桥桩需承担上部荷载、自重和负摩阻力的作用，桩身轴力逐渐增大。在中性点深度以下，桩身沉降大于周围土体沉降，桩受到正摩阻力，正摩阻力能分担一部分荷载，所以桩身轴力增加趋缓，并在达到一定深度后轴力开始逐渐减小。以双线6 m直径隧道为例，其以不同埋深下穿完成后该桥桩的最大压力分别为221.41，424.72，444.09和99.56 kN。对于相同直径隧道，随着隧道埋深增加，桩身最大压力先迅速增大，当达到最大埋深工况D时，桩身最大压力又会陡然下降。以埋深工况A为例，双线6，10和14 m直径隧道下穿完成后该桥桩的最大轴力分别为221.41，770.80和971.29 kN。可见相同埋深工况，随着隧道直径增大，桩身轴力均会明显增大。

图10 不同隧道直径下穿完成后27#桥墩b1桩身轴力图Fig.10 Axial diagram of b1 pile body of 27# pier after different tunnel diameters are completed

图11为不同直径双线隧道以不同埋深下穿完成后26#桥墩b1桩身弯矩图，弯矩以桩身左侧受拉为正。可以看出：（1）桥桩桩底弯矩接近于0，桩顶存在较小弯矩，主要是桩底接近自由端，而桩顶与承台固结。（2）当隧道埋深较小（工况A和B）时，桩身最大正弯矩出现在与隧道中心相同深度附近，且桩身正弯矩为远离隧道侧桩身受拉。（3）当隧道埋深较大（工况C和D）时，桩身最大弯矩出现在靠近桩顶的区域，随着隧道直径增大，桩身最大弯矩也明显增大。

图11 不同隧道埋深工况下的26#桥墩b1桩身弯矩图Fig.11 Bending moment diagram of b1 pile body of 26#bridge pier under different tunnel depth conditions

5 结 论

首先建立了大直径盾构下穿32 m简支箱梁施工全过程的有限元模型，考虑隔离桩及纵横梁和MJS法等土层加固措施的影响，通过现场实测数据与数值计算结果对比分析验证了有限元模型的有效性。再假定桥桩桩长为35 m，研究了双线盾构隧道下穿原土层（未加固）时盾构直径、隧道埋深等关键参数对邻近高铁桥梁群桩受力及变形的影响。

（1） 随着隧道埋深与隧道直径的增大，地表整体沉降和邻近桥墩顶部沉降一般都在增大。随着隧道埋深的增大，地表变形呈现由W型向V型的变化，因此双线盾构隧道下穿高铁桥梁时，应尽量避免下穿隧道轴线整体位于桩底以下。

（2） 桥桩横向变形一般随着隧道埋深与隧道直径的增加而增大。桥桩竖向变形沿桩身从上至下基本相同，呈现刚体变形特征。当隧道埋深较小时，桥桩竖向变形并没有随着隧道直径增大而一直增大；当隧道埋深较大时，桥桩的竖向变形却随隧道直径增大而一直增大。

（3） 桥桩轴力沿桩身从上至下呈现先增加后减小特征。对于相同直径隧道，随着隧道埋深增加，桩身最大轴力先迅速增大，最后又陡然下降。对于相同埋深工况，随着隧道直径增大，桩身轴力均会明显增大。

（4） 当隧道埋深较小时，桥桩桩身最大弯矩出现在与隧道中心相同深度处。当隧道埋深较大时，桩身最大弯矩出现在靠近桩顶处，随着隧道直径增大，桩身最大弯矩也明显增大。