地铁盾构施工穿越立交桥桩施工力学研究

摘要:针对上海地铁盾构施工邻接立交桥桩的地铁工程，进行了三维有限元数值模拟的工力学行为研究。研究结果表明: 盾构开挖引起的地表沉降曲线，与高斯分布曲线相似，但沉降曲线略显不对称；隧道开挖导致各桩沉降侧移均有所增加，对前排桩影响较大；盾构施工中，应特别注意前排边桩隧道中心线附近的轴力值；而对于弯矩来说，在隧道中心线附近达到最大负弯矩，但该值较小，可忽略不计。

关键词: 盾构施工; 立交桥桩; 数值分析

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

1 引 言

随着城市轨道交通建设的全面发展，地铁隧道开挖对邻近既有建筑物的影响已成为一个基本问题。其中，地铁盾构施工穿越立交桥桩施工力学研究是城市轨道建设中必须面对的一个重要课题。

文献[1]采用整体分析法讨论了桩与隧道轴线相对距离的变化对桩-土位移场的影响；文献[2]～[3]等采用室内模型试验法研究了隧道施工对邻近单桩的影响效应；而文献[4]～[5]通过位移控制法分析了盾构施工对邻近建筑物的影响。

本文针对上海地铁12号线盾构穿越S20顾戴路立交桥桩施工力学行为，采用ABAQUS[6]有限元分析软件建立仿真模型，结合上海工程地质条件和既有立交桥桩基条件，分析盾构隧道穿越工程对既有结构产生的影响,从而对工程的可行性和风险进行判断。

2 工程概况

上海地铁12号线隧道虹莘路站~七莘路站区间需从S20顾戴路立交桥下穿越。由设计施工图资料，可确定出盾构隧道邻接既有立交桥桩施工时的最不利工况为：与立交桥桩基邻接距离为1.63m工况。其中距离最近的立交桥桩为承台下8根桩的复合桩基，上部承台尺寸为3m*4.5m，厚度为0.6m，桩基为400×400预制方桩，桩长为26.5m。盾构隧道中心点埋深取为15.5m，盾构外径为6.34m，隧道主要是从5-1层灰色粘土和5-2 层灰色粉质粘土中穿越，根据上海地铁地区经验：一般认为地层损失率η应控制在5‰之内，本文选取该值为3‰，从而对盾构穿越S20顾戴路立交桥桩施工进行预测分析。

3 计算模型

3.1 计算模型

计算模型结合上海地铁12号线盾构穿越S20顾戴路立交桥桩实际情况，采用ABAQUS[6]软件建立隧道-桩-土三维有限元模型。模型中土体单元采用空间8节点缩减积分实体单元（C3D8R），而桩体与承台均采用空间8节点实体单元（C3D8）来模拟。前排桩距隧道轮廓线为1.63m，如图2所示；并在承台顶部施加大小为20kPa的均布荷载，模拟既有立交桥荷载的存在；模型沿线路方向（X方向）取45m，沿盾构掘进方向（Y方向）取15m，沿土层重力方向(Z方向)取35m。地表取为自由边界，底部限制竖向位移，侧面限制水平位移。

图1 有限元计算模型

Fig.1 FEM calculation model

3.2 计算参数

由于有限元软件建模过程中，方桩在桩土接触中容易出现不收敛的现象，尤其是四个角线部分，故为计算方便，将方桩改为圆桩，在隧道开挖过程中，桩既受压又受弯，故采用等效抗弯刚度（EI）和等效轴向刚度（EA）共同考虑的方式，通过比较确定圆桩的直径D为0.45m，桩长为L=26.5调整后的具体尺寸为如图所示2所示。

图2 群桩布置情况

Fig. 2Arrangement of pile groups

土体采用Mohr-Coulomb屈服准则，混凝土结构视为弹性体。计算采用的土体物理力学指标如表1所示，桩体及承台的参数如表2所示。

表1 土体物理力学指标

Table 1 physical and mechanical values of soil

表2 计算参数

Table2 Calculating parameter

3.3 计算过程的模拟

本文采用位移控制法可将隧道开挖过程分为以下几个步骤：1. 地应力平衡； 2. 施加荷载；3. 隧道周边施加位移边界约束；4. 移除隧道中土体；5. 施加隧道边界位移条件。

4 数值分析

4.1对地表沉降的影响分析

图3地表沉降槽曲线

Fig.3Curves of ground surface settlement

计算得到的地表沉降曲线如图3所示。该沉降槽曲线与高斯分布曲线相似，隧道中心点两侧土体沉降近似对称，但有桩一侧的土体比无桩侧土体沉降稍小，这主要是由于复合桩基的存在导致了地表最大沉降点偏离中心，向无桩侧移动，沉降曲线略显不对称，有桩侧较无桩侧沉降小，即桩基的存在降低了地表沉降，说明对开挖周围土体起到了一定的加固作用。经计算得出该模型的最大沉降值约为14.3mm，未超出规范值，符合安全施工的条件。

4.2对立交桥桩沉降的影响分析

图4桩基沉降变化

Fig. 4Settlement changes of group-piles

隧道开挖后，由于前排桩较后排桩遭受了更大的竖向土移，理论上讲前排桩的沉降应该大于后排桩，但由于上部承台的联结，使得三者沉降差别较小（如图4所示），最终使得前排桩、后排桩较开挖前，桩顶沉降值分别增大了4.05mm、3.7mm；而承台的差异沉降较小（0.3mm），可以忽略不计。对于同一排的中间桩与边桩，沉降值差别较小。

4.3对立交桥桩侧移的影响分析

图5 开挖引起的桩基侧向位移

Fig. 5Horizontal displacement of group-piles after tunneled

从图5中可以看出：前、后排桩的水平变形趋势相同，均表现为：沿桩身深度先减小后增大，在隧道中心线附近达到最大值，再随着深度增加，侧移值不断减小。对于数值方面，前排桩的水平位移值比后排桩要大，（前排桩最大侧移为2.76mm，后排桩为2.34mm）这是由于前排桩距离隧道更近，其较后排桩桩遭受了更大的由底层应力释放引起的侧向土移；由于承台的约束作用，前，中与后排桩桩顶的水平位移值几乎相同。

4.4对立交桥桩轴力的影响分析

图6桩基轴力变化

Fig. 6Axial force changes of group-piles

在隧道开挖前，各桩轴力呈现出中间桩

4.5对立交桥桩弯矩的影响分析

图7开挖引起的桩基弯矩

Fig. 7Bending moment of group-piles after tunneled

图7给出了隧道开挖引起的桩基弯矩变化趋势。由于该复合桩基桩顶与承台刚接，前、后排桩桩顶均出现较大的弯矩（桩后面受拉），随着距离增加，桩顶弯矩相应增大，故在隧道施工时需特别注意对桩顶处的保护，防止出现受弯破坏。对于前排桩，桩顶弯矩较小，出现了先增大后减小的现象，桩身弯矩最大值仍然出现在隧道水平中心线附近，因前排桩受隧道开挖影响最严重，故其桩身弯矩最大。而后排桩两种桩型的最大弯矩均出现在桩顶，且随着桩身的增加，弯矩逐渐减小，在隧道水平中心线附近达到负弯矩的最大值，再减小为零，中后排桩负弯矩最大值较小，对桩基影响不大，可以不予考虑。

5 结论

（1）盾构开挖引起的地表沉降曲线，与高斯分布曲线相似，但沉降曲线略显不对称，有桩侧较无桩侧沉降小，即桩基的存在降低了地表沉降，说明对开挖周围土体起到了一定的加固作用。通过有限元软件得到，最大沉降值为14.3mm，满足正常施工要求。

（2）对于桩基沉降来说，隧道开挖导致各桩沉降均有所增加，但对前排桩影响较大，前排桩最大沉降达4.05mm。同样对于侧移来说，前排桩隧道中心线附近达到最大值为2.76mm。

（3）对于盾构开挖后的桩基轴力，应特别注意前排边桩隧道中心线附近的轴力值，通过本文软件计算该值为140kN（最大），施工时应特别注意。而对于弯矩来说，在隧道中心线附近达到最大负弯矩，但该值较小（7.8kNm），可忽略不计。

参考文献：

[1] 方勇，何川． 地铁盾构隧道施工对近接桩基的影响研究[J]．现代隧道技术，2008，45(1)：42~47

[2] Morton J D，King K H．Effects of tunneling on the bearing capacity and settlement of piled foundations[J]．Proc., Tunneling’79，IMM, London，1979：57~68

[3] Loganathan N，Poulos H G，Stewart D P．Centrifuge model testing of tunneling induced ground and pile deformations [J]．Geotechnique, 2000，50(3)：283~294

[4] Cheng C Y，Dasari G R，Leung C F，Chow Y K．3D numerical study of tunnel-soil-pile interaction[J]． Tunnelling Underground Space Technology，2004，19：381~382

[5] 王磊，杜佐龙，何绍利等． 基于受力控制和位移控制有限元法的隧道开挖对土体自由位移场的影响[J]． 吉林大学学报（工学版），2008，38(3)：647~651

[6] 费康，张建伟．ABAQUS在岩土工程中的应用[M]．北京：中国水利水电出版社，2010