摘 要:某城市地铁盾构隧道近距离穿越城市立交桥桩基，最小净距仅 1. 56 m。应用 ANSYS 建立三维非线性有限元模型分析盾构隧道施工对桥梁桩基的影响。采用接触单元来模拟桩基与土体的相互作用，分析不同加固方式下盾构隧道掘进对近接桩基位移和内力的影响。计算结果表明: 盾构隧道近接施工时，既有桩基会产生侧移和附加内力; 对距离隧道较近且靠近隧道侧的桩基进行花管注浆加固效果不明显; 对盾构隧道穿越地层进行加固能有效降低桩基的侧移和附加内力。

关键词:盾构隧道 桩基 加固方式 数值分析

 

      盾构法修建地铁隧道具有对周围环境影响小、施工快速安全等优点，已成为城市地铁修建的主要施工方法。由于城市建筑物密集，地铁修建过程中必然会出现近接施工。盾构施工中由于超挖、顶推力、盾尾空隙、注浆等因素的影响，不可避免地引起地层变位。地层变位可能导致结构物发生开裂、沉降、倾斜等现象，对结构物产生不利影响。

      拟建中的某城市地铁 2 号线区间盾构隧道近距离穿越城市立交桥桩基，最小净距仅 1. 56 m。研究桩基的内力和位移随盾构掘进的变化规律，并提出有效的加固方法对立交桥的保护和地铁的顺利掘进具有重要意义。

 

      根据地质勘测结果，隧道邻近地层由上至下为人工填土、粉土、中密卵石、密卵石、细砂、强风化泥岩等，隧道穿越地层主要为密卵石地层。计算所采用的地层和结构物理力学参数见表 1，结构物性指标取相应混凝土类型和强度等级的规范值，考虑管片接缝的存在对隧道的刚度进行折减，折减系数为 0. 8。区间隧道与桩基位置剖面如图 1 所示。

 

      采用三维数值模拟方法进行计算分析。土体、桩基、注浆层采用 Solid45 单元模拟，二衬单元采用Shell43 单元模拟，模型长 ( z 向) 54 m，宽 ( x 方向)61. 21 m，高( y 方向) 34. 57 m，共有46 968 个单元。有限元模型如图 2 所示。

      土与结构共同作用有其特殊性，因两者刚度相差很大，一般在两者的界面上不满足变形协调条件，此时就需要采用接触单元予以处理。处于接触状态的表面具有不相互穿透、能传递法向压力和切向摩擦力、不传递法向拉力的特点，因此接触表面可以自由地相互分开并相互远离。接触是一种高度非线性行为，能真实地反映桩—土间的相互作用。由于桩基仅对立交桥的桥面结构提供竖向支撑，在侧向则主要存在摩擦力，为简化计算，忽略该摩擦力对桩基顶端的约束作用。本次数值模拟中的桩为摩擦型桩，其承载能力主要由桩侧摩阻力构成，该摩阻力为桩—土之间相互作用的结果。为了更加真实地模拟桩—土间的相互作用，采用了面—面接触单元，在桩—土接触中，桩是刚性体，土是柔性体，因而将桩表面设为目标面，土表面设为接触面。桩基与土体间采用 Targe170、Conta174 接触单元组成的接触对进行模拟，桩身和土体均采用六面体八节点 Solid45 实体单元，每个节点具有 x、y、z 三个方向自由度，具有塑性、流变、应力强化、大变形和大应变的能力，桩的本构模型为线弹性，土的本构模型为摩尔—库伦模型。土体和桩的摩擦系数取 0. 4。

 

      比较相同注浆压力、顶进力，不同加固方式时考虑以下三种工况:

      1) 工况一: 没有进行任何加固措施。

      2) 工况二: 对距离隧道较近且靠近隧道侧的桩基

      进行花管注浆加固，在桩边 0. 5 m 范围内间隔 1. 2 m采用钢花管垂直打入桩基下 2 m 的地层中，对桩基础进行注浆加固，注浆断面图见图 3。

      3) 工况三: 对盾构隧道穿越地层进行加固，注浆加固区域如图 4 所示。

      选取 1^#桩进行分析，盾构隧道施工对桩 x 方向位移的影响如图 5 所示。盾构施工时，在地层变形、顶进力及注浆压力等影响下，1^#桩顶部产生水平向左的位移，1^#桩底部产生水平向右的位移。当左洞施工到桩基前 2D( D 为隧道直径) 时，对桩基影响较小，工况一与工况二 1^#桩底部位移相同，为 0. 9 mm。工况一 1^#桩顶部位移为 －0. 3 mm，工况二和工况三 1^#桩顶部位移相近。从左洞施工到达桩基至右洞施工到桩基前2D 范围内，桩基顶部和底部位移的绝对值不断增大，即桩的倾角不断增大，工况一最大倾角为 76″，工况二最大倾角为 64″，工况三最大倾角为 13″。由此可知，工况一桩基倾角最大，工况二桩基倾角比工况一略小，工况三桩基倾角明显小于前两种工况。从右洞施工到桩基以后，桩基顶部和底部位移的绝对值开始减小，右洞贯通后工况一最大倾角为 38″，工况二最大倾角为32″，工况三最大倾角为 4″。

 

      盾构施工引起的 1^#桩第一主应力变化情况为: 工况一最大拉应力 1. 6 MPa，出现在左洞通过桩基 2D时。右洞开始修建时，最大拉应力逐渐减小，最终最大拉应力为 0. 9 MPa; 工况二最大拉应力为 1. 5 MPa，出现在左洞通过桩基 2D 时。右洞开始修建时，最大拉应力的值逐渐减小，最终最大拉应力为 0. 7 MPa; 工况三左洞通过桩基 2D 时，最大拉应力为 0. 5 MPa，其后随着盾构施工，最大拉应力基本稳定。

      盾构施工引起的 1^#桩第三主应力变化情况为: 工况一最大压应力 1. 5 MPa，出现在左洞通过桩基 2D时; 右洞开始修建时，最大压应力逐渐减小，最终最大压应力为0. 9 MPa。工况二最大压应力为1. 5 MPa，出现在左洞通过桩基 2D 时; 右洞开始修建时，最大压应力的值逐渐减小，最终最大压应力为 0. 7 MPa。工况三左洞通过桩基 2D 时，最大压应力为 0. 5 MPa，其后随着盾构施工，最大压应力基本稳定。

 

      1) 盾构隧道近距离穿越立交桥桩基对桥梁桩基的内力和位移产生一定影响。未加固时，1^#桩最大 x方向倾角为76″，最大拉应力1. 6 MPa，最大压应力1. 5MPa。

      2) 对桩基两侧地层采用花管注浆加固，1^#桩最大x 方向倾角为 64″，最大拉应力 1. 5 MPa，最大压应力1. 5 MPa。该加固方式对桩基的位移和内力控制效果不明显。

      3) 对盾构隧道穿越地层进行注浆加固后，1^#桩最大 x 方向倾角为 13″，最大拉应力 0. 5 MPa，最大压应力 0. 5 MPa。该方法加固效果明显，建议采用对盾构隧道穿越地层进行注浆加固的方法。

      4) 施工过程中应严格控制地层损失率以及盾构推进压力等盾构掘进参数，增加盾构管片上的注浆孔，加强盾构通过时的同步注浆和二次注浆。盾构通过前在下穿的建筑物周围预埋两排袖阀管进行适量预注浆加固，盾构通过时根据监测情况进行地面跟踪补偿注浆，以确保建筑物的安全。

 

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