李木松，商 敏

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津300392）

隨著城市公共交通快速發(fā)展，以地下敷設(shè)為主的軌道線網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜。國內(nèi)外關(guān)于地鐵隧道施工對(duì)鄰近建筑、市政樁基的影響研究較多，而新建的市政橋梁樁基對(duì)既有運(yùn)營地鐵隧道的影響研究相對(duì)較少。劉力英等[1]建立了平面應(yīng)變模型和三維實(shí)體模型，模擬樁基礎(chǔ)對(duì)既有地鐵隧道的影響并就其原理和結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，指出三維模型更為合理。閆靜雅等[2]采用有限元方法模擬分析了樁基礎(chǔ)荷載對(duì)鄰近既有隧道的影響，通過樁側(cè)孔壁上的靜水壓力來模擬泥漿護(hù)壁和混凝土灌注過程，考慮鉆孔灌注樁施工過程的影響。路平等[3]研究了軟土地區(qū)橋樁與既有地鐵最小凈距6.5 m 的工程施工和運(yùn)營期橋樁對(duì)地鐵的影響。張超等[4]針對(duì)鋼套管施工對(duì)地鐵隧道變形及位移的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析。馮龍飛等[5]采用有限元對(duì)廣汕立交跨六號(hào)線橋梁樁基施工對(duì)隧道的影響進(jìn)行了研究。尹洪樺[6]等分析在打樁振動(dòng)作用下既有隧道的動(dòng)力響應(yīng)，采用有限元軟件對(duì)打樁施工引起鄰近既有隧道的響應(yīng)問題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。張鵬飛等[7]針對(duì)城市橋梁上部結(jié)構(gòu)采用滿堂支架現(xiàn)澆施工對(duì)既有地鐵的影響進(jìn)行了分析。上述主要為局部點(diǎn)位較為獨(dú)立的樁基施工或運(yùn)營對(duì)既有隧道的影響分析且樁基與地鐵盾構(gòu)的距離相對(duì)較大；對(duì)立交區(qū)多次近距離跨越既有地鐵隧道、影響相互疊加的工況缺乏說服力。

本文以某軟土地區(qū)大型互通立交多次近距離跨越既有運(yùn)營地鐵隧道為例，采用三維數(shù)值模擬方法，研究分析不同立交布跨橋梁施工對(duì)地鐵隧道的影響，進(jìn)而對(duì)橋梁設(shè)計(jì)方案、施工措施提出優(yōu)化建議，為類似立交設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

全互通半定向半苜蓿葉式三層立交由縱橫2個(gè)主線橋和14個(gè)匝道橋組成，其中一條主線利用既有跨線橋拼寬改造而成；共24 次跨越3 條現(xiàn)狀河道，27 次跨越既有道路，8次跨越既有地鐵。

地鐵已建成運(yùn)營，立交區(qū)地鐵為地下盾構(gòu)段，埋深（地面至盾構(gòu)頂）約7～12 m，受老橋限制，上下行盾構(gòu)隧道間凈距為6.8~13.3 m，最寬處為下穿老橋位置。見圖1。

圖1 立交橋與既有運(yùn)營地鐵平面位置關(guān)系

工程位于軟土地區(qū)，主要為黏性土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂及細(xì)砂。地鐵隧道位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，該土層為高含水量、高靈敏度、高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性的飽和軟弱黏性土，蠕變量大，易引起地面較大變形，層位變化較大，為非均質(zhì)地基，穩(wěn)定性較差。地下水位于地面下1.5 m。見表1。

表1 主要土層參數(shù)

2 設(shè)計(jì)方案

一般情況下，橋梁樁基與地鐵結(jié)構(gòu)外邊線最小凈距均≮6.5 m，結(jié)合立交布設(shè)情況，跨越地鐵的橋梁跨徑為46~65 m 且曲線匝道均為大跨徑，對(duì)立交的整體景觀性、施工難度、造價(jià)都是非常不利的。見表2和圖2。

表2 中間不設(shè)墩跨地鐵位置橋梁跨徑和結(jié)構(gòu)形式 m

圖2 中間不設(shè)墩橋梁與地鐵立面關(guān)系

為了避免上述情況，考慮在地鐵上下行隧道盾構(gòu)區(qū)間中間布設(shè)橋墩，以減小跨徑，橋梁樁基與地鐵盾構(gòu)的最小凈距僅有3.8 m。見表3和圖3。

表3 中間設(shè)墩跨地鐵位置橋梁跨徑和結(jié)構(gòu)形式 m

圖3 中間設(shè)墩的橋梁與地鐵的立面關(guān)系

3 施工模擬

3.1 施工方案

地鐵隧道輪廓線兩側(cè)≮3 m 范圍內(nèi)，不宜行走重車；兩側(cè)8 m范圍內(nèi)不宜堆載，確保隧道結(jié)構(gòu)受力在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。緊鄰的樁基施工過程如下：

1）樁位處采用漸挖漸壓的靜壓法壓入鋼護(hù)筒，施工完畢不拔除，每次套筒壓入前，建議回轉(zhuǎn)套筒，減小已挖段落側(cè)摩阻力，確保每次壓入所需的壓力最小，減小樁基成孔作業(yè)對(duì)隧道的擾動(dòng)，護(hù)筒應(yīng)穿過隧道區(qū)域以下≮1 倍盾徑，以便在樁基成孔過程中形成保護(hù)，同時(shí)也有效避免隧道相鄰?fù)翆釉跇痘煽字兴祝?/p>

2）采用振動(dòng)相對(duì)較小的施工設(shè)備（旋挖鉆）在鋼護(hù)筒內(nèi)成孔，穿過盾構(gòu)區(qū)域至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高；

3）成孔后，樁基鋼筋籠就位，完成樁基混凝土灌注，成樁后施工承臺(tái)和永久墩；

4）利用永久橋墩的承臺(tái)設(shè)置現(xiàn)澆支架臨時(shí)墩，安裝架設(shè)貝雷片或軍用梁，模板進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)澆筑等。

3.2 模擬施工

3.2.1 模型參數(shù)

模型尺寸為100 m（長）×100 m（寬）×70 m（深），隧道盾構(gòu)管片厚取0.35 m，中間設(shè)墩樁基為1.2 m（直徑）×50 m（樁長）、中間不設(shè)墩樁基為1.5 m（直徑）×56 m（樁長）。

3.2.2 本構(gòu)模型和邊界條件

橋梁承臺(tái)和基樁、地鐵盾構(gòu)管片采用線彈性單元，土體模擬采用摩爾庫侖模型。承臺(tái)采用四節(jié)點(diǎn)板單元，基樁采用2 個(gè)節(jié)點(diǎn)梁單元，土體采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，地鐵盾構(gòu)管片采用曲面板單元，樁土接觸采用連接不同材料或剛度相差較大材料的無厚度Goodmall單元。

地鐵盾構(gòu)管片與土的接觸面采用彈簧單元，土體模型采用地面約束邊界，模型左右約束x方向的自由度，前后約束y方向的自由度，底面約束z方向的自由度，地面不約束。

3.2.3 模擬步驟

施工分析主要為2個(gè)階段。

1）鋼護(hù)筒施工：將預(yù)留的樁基單元設(shè)定為板單元，作為鋼護(hù)筒的模擬；激活鋼護(hù)筒頂表面的施工荷載，以模擬鋼護(hù)筒施工階段的受力和變形情況。

2）樁基施工：以實(shí)際情況下的材料特性賦予樁并鈍化施加在其上的外荷載；激活施加在樁上的外荷載，以模擬樁基施工階段的受力和變形情況。

3.2.4 監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)

既有地鐵盾構(gòu)豎向沉降控制標(biāo)準(zhǔn)：累計(jì)值10 mm，報(bào)警值5 mm，變化速率0.5 mm/d。

3.2.5 模擬結(jié)果

選取凈距最小的位置，根據(jù)施工方案建模分析。見圖4。

圖4 模型

三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示，盾構(gòu)區(qū)間上下行隧道之間不設(shè)置樁基和設(shè)樁基的兩種跨越方式土體差異沉降絕對(duì)值均較小，盾構(gòu)隧道變形值均在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，不影響地鐵行車安全，均為可行方案。見圖5和圖6。

圖5 中間不設(shè)墩豎向沉降

圖6 中間設(shè)墩豎向沉降

中間設(shè)墩方案整個(gè)施工過程地面最大沉降為13.95 mm 且均處于樁基周邊，沉降與樁基所受的豎向荷載成正比，與樁的距離成反比，3倍樁基直徑外的土體發(fā)生的沉降很?。欢軜?gòu)隧道的位移最大值為2.76 mm，與樁的距離成反比。

4 動(dòng)態(tài)信息化監(jiān)測(cè)

橋梁施工期間，對(duì)地鐵隧道進(jìn)行動(dòng)態(tài)信息化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)根據(jù)數(shù)值模擬情況布設(shè)。見圖7。

圖7 運(yùn)營地鐵隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在鋼護(hù)筒施工的前期，隧道幾乎沒有受影響；隨著開挖深度的增加，隧道拱頂有所下沉，斷面開始擴(kuò)張變形直至鋼護(hù)筒施工完畢停止；隨著樁基澆筑混凝土，隧道拱頂繼續(xù)下沉，斷面開始收縮變形，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)澆筑加載，隧道的拱頂和收斂均快速變形，直至澆筑完成后趨于穩(wěn)定。整個(gè)監(jiān)測(cè)過程隧道變形均較小，拱頂最大累計(jì)變形2.29 mm，累計(jì)變形和變化速率均在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)且與數(shù)值模擬結(jié)果十分接近，二者具有較好的一致性。見圖8。

圖8 運(yùn)營地鐵隧道隨施工進(jìn)度累積沉降歷程曲線

5 結(jié)論及建議

1）鋼護(hù)筒和樁基施工對(duì)既有盾構(gòu)的影響較小，此階段可不作為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。

2）鋼護(hù)筒的作用僅為防止樁基施工塌孔，對(duì)降低盾構(gòu)隧道的變形基本不起作用且施工工期較長、造價(jià)較高，是否設(shè)置有待商榷；防止塌孔可通過泥漿護(hù)壁、跳打樁基等措施實(shí)現(xiàn)。

3）上部結(jié)構(gòu)澆筑施工對(duì)既有盾構(gòu)隧道的影響很大，大部分變形均發(fā)生在該階段，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

4）盾構(gòu)隧道的變形與樁基的距離成反比，設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡量使樁基遠(yuǎn)離盾構(gòu)隧道；在條件受限的情況下最小可按≮3倍樁基直徑考慮，同時(shí)盡量采用小直徑的樁基。

5）盾構(gòu)隧道的變形與樁基受的荷載成正比，設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡量采取減小跨徑和降低結(jié)構(gòu)自重的措施（采用鋼梁、鋼護(hù)欄、降低鋪裝厚度、提高混凝土強(qiáng)度降低結(jié)構(gòu)尺寸等），最大限度減小樁基荷載。盡量避免將中墩設(shè)在離地鐵較近的墩位處。對(duì)于有抗震要求的地區(qū)，建議采用減隔震體系并將連接墩設(shè)置在離地鐵較近的墩位處。

6）盾構(gòu)隧道的變形和樁周土體的沉降是由樁基沉降導(dǎo)致，采用樁端后注漿可有效控制樁基沉降，進(jìn)而降低對(duì)盾構(gòu)隧道的影響。

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