摘要：以昆明轨道交通4号线，双洞隧道盾构法近距离侧穿菊华立交既有桥梁桩基工程为例，采用数值模拟分析盾构法隧道近距离侧穿既有桥梁桩基的影响。分析表明：采用隔离桩可减小双洞隧道左右线的相互影响；盾构隧道距离桩基越近，隧道开挖对桩基的横向变形、竖向变形影响越明显。
关键词：双洞隧道；盾构法；侧穿；桥梁桩基
0引言
桥梁桩基根据受力模式不同，一般分为摩擦桩和端承桩，当大断面地铁车站隧道下穿桥梁桩基，特别是长距离小净距与桩基并行的时候，对摩擦桩承载力的影响与端承桩有着本质的不同。对于摩擦桩，其承载力主要由桩侧土体摩阻力提供，桩端处地层的竖向抗力较小。当桩侧土体摩阻力无法提供足够的承载力时，既有桥梁桩基的竖向沉降是无法预测及控制的[1-2]。所以隧道开挖时，不仅要控制桩端处地层扰动减少竖向沉降，还要考虑桩侧土体大面积开挖造成的桩基一侧土体摩阻力减小甚至丧失对桩基承载力的影响。
图1区间隧道与菊华立交平面位置关系
图2隧道与菊华立交桥桩基关系典型剖面图
本文以昆明轨道交通4号线昆菊区间盾构下穿菊华高架桥为例，通过数值模拟，分析了软弱地层下双洞隧道近距离侧穿既有桥梁桩基对桥类桩基的影响，可供类似工程设计、施工借鉴。
1工程概况
区间隧道在里程YDK14+290~YDK13+350范围内双线侧穿菊华立交，平面上，左线区间隧道与邻近旧桥桩基最小水平距离范围约为0.6米，与邻近新桥桩基最小水平距离范围约为3.9米，右线区间隧道与邻近旧桥桩基最小水平距离范围约为0.9米，与邻近新桥桩基最小水平距离范围约为0.9米，旧桥、新桥桩基基底均位于隧道底部10m以上。隧道侧穿立交桥工程段覆土层主要为素填土、粉质黏土、粉土。隧道与菊华立交平面位置图如图1所示。
隧道与新建桩基相对位置剖面图2如图所示。
2 盾构隧道侧穿立交桥桩基段保护方案
1) 在地铁隧道开挖前，对该区间的既有桩基础进行加固，采用静压注浆法在桩基础处进行加固，待基础加固体达到设计强度80%以上后，再进行隧道掘进。
2) 钻孔垂直度保证<1％。钻孔完以后应采用高压水泵或者压浆泵往注浆孔内注清水，压力应大于0.5MPa~0.7MPa，以便将松散的砼碎渣以及砂粒从钻孔中冲洗出来，避免孔中的砂粒沉入底部。
3) 注浆时，先注入水灰比为0.8的水泥稀浆。水泥浆液进行多次的过滤，防止压浆管堵塞。低稠度的水泥浆注入之后待压出孔内原有的清水以后再注入稠度较高的水泥浆，水灰比宜为0.5左右。并将灌浆压力增大到0.7MPa~0.8MPa。浓浆从出浆口冒出后，关闭进浆阀门，压浆静置20分钟以后拆卸管件，随后立即用堵头封堵压浆管头，防止回浆。
3盾构双洞隧道近距离侧穿既有桥梁桩基影响数值计算分析
3.1 盾构施工模型
如图3所示，在盾构机的首部和尾部都设置“预设单元”，利用FLAC3D的“死活”功能模拟盾构机的推进[3-5]。
图3盾构施工模拟示意图
盾构施工过程中模拟土体与盾构机以及管片之间的接触作用，采用一种简化的方法，即用降低土体的刚度来模拟盾构周围土体由于施工所引起的土体扰动。这样就能很好反应盾构周围土体的大变形现象。
3.2 数值计算工况
为研究盾构施工对既有桥梁桩基的影响规律，分别计算隧道边缘距离既有桩基0.5m、2m，共2个工况，隧道埋深参照现场情况取12.5m，计算模型如图4所示，计算参数见表1及表2，计算中不考虑注浆加固措施。
(a) 工况一
(b) 工况二
图4 各工况计算模型
表1各土层的物理力学参数
表2 建筑物理力学参数
由于该段涉及行车荷载，按照最不利工况计算，公路运营期间按照公路I级荷载计算，车辆荷载布置图如下参照 《公路工程设计标准》 (JTG B01-2014)。
图5 车辆荷载布置图
其中轴重力单位为kN，尺寸单位为m，假设宽24.0m，为双向四车道，考虑最不利的情况，四车道均布汽车，则荷载可以简化为：
本次计算取q=23kN/m作为汽车荷载。
3.3 围岩及桩基位移分析
3.3.1 工况一
围岩及桩基位移随隧道施工变化云图如图6~7所示。
(a) 竖向位移(m)
(b) 横向位移(m)
图6 隧道（左线）开挖后位移云图
(a)竖向位移(m)
(b)横向位移(m)
图7 隧道（右线）开挖后位移云图
3.3.2 工况二
围岩及桩基位移随隧道施工变化云图如图8~9所示。
(a) 竖向位移(m)
(b) 横向位移(m)
图8 左线隧道开挖完成位移云图
(a) 竖向位移(m)
(b) 横向位移(m)
图9 右线隧道开挖完成位移云图
由各工况云图可以看出，由于隔离桩的隔离作用，左右线隧道的相互影响相对较小。
3.4 桩基变形分析
3.4.1 横向位移分析
桩基的横向变形如图10所示。
(a) 工况一 (b) 工况二
图10 桩基横向变形图
图10为隧道距离桩基0.5m、2m时桩基的横向变形随埋深变化曲线。由图可以看出，由于左线隧道距离桩基相对较远以及隔离桩的隔离作用，左线隧道开挖对桩基的影响均较小，左线开挖完成后，工况一、工况二桩基最大横向位移分别为1.37mm、1.14mm。
(a) 工况一 (b) 工况二
图11 桩基竖向变形图
由于右线隧道距离桩基相对较近，且无隔离桩的隔离作用，故施工时对桩基的影响相对较大，使整个桩基向隧道开挖侧变形。即当隧道距离桩基越近，其施工对桩基的影响越大。
3.4.2 竖向位移分析
桩基的竖向变形如图11所示。
由图11可以看出，桩身最大的竖向位移在桩顶处，说明隧道开挖对上层土体的扰动大于下层土体的扰动，对桩身的扰动效果是从上往下影响效果递减。由于桩身的轴向刚度比较大，因此单桩的竖向位移沿着桩身相对一致。离隧道0.5m的桥桩因隧的道开挖引起桩底竖向位移为1.2mm，桩顶竖向的位移为1.4mm。与前者比较，由于距离隧道较远，相同位置桩身的沉降值都略小。
3.4.3 桩土相对位移分析
根据数值模拟提供的桩身的位移数据以及桩周土体的位移数据，分别列出各工况的桩土相对位移如图13、14所示。
(a) 工况一 (b) 工况二
图12桩土相对位移
图12为各工况下桩土相对位移随着桩埋深的变化图，其变化趋势基本相同，距离桩顶1/4桩身的长度范围内，桥桩侧面土体的竖向位移小于桥桩本身的竖向位移；距离桩顶1/2桩身范围内，桥桩侧面土体的竖向位移大于桥桩本身的竖向位移。中性点位于粧顶以下20m处，桩身下部1/4范围内，桥桩侧面土体的竖向位移小于桥桩本身的竖向位移，桩侧土体向桥桩提供向上的正摩阻力。
隧道开挖后，下部土体由于隧道的卸载作用，使土体的沉降小于桩基的沉降，桩侧正摩阻力产生。根据桩土相对位移图可知，在隧道开挖后，各工况中性点基本处于桩顶以下20m处。
4 结论
（1）双洞隧道盾构侧穿立交桥桩基段应实施有效的保护方案来减小对桩基承载力的影响。
（2）通过数值计算分析，由各工况云图可以看出，因为隔离桩的隔离作用，双洞隧道左右线的相互影响相对较小。
（3）盾构隧道距离桩基较远时，外加隔离桩的隔离作用，隧道开挖对桩基的横向变形影响较小；
盾构隧道距离桩基相对较近时，且无隔离桩的隔离作用，施工时对桩基的横向变形影响相对较大，整个桩基向隧道开挖侧变形。
参考文献
[1]王菲,禚一.盾构法施工对既有桥基础变位的影响分析[J].铁道工程学报,2011,28(06):14-20.
[2]王丽,郑刚.盾构法开挖隧道对桩基础影响的有限元分析[J].岩土力学,2011,32(S1):704-712.
作者简介：刘刚，男，高级工程师，1976.
论文作者:刘刚1,冯凯1,李明1,李凯1,邓继清2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/28
标签：桩基论文; 隧道论文; 位移论文; 盾构论文; 工况论文; 桥桩论文; 横向论文; 《基层建设》2019年第6期论文;