大直径盾构隧道超近距离侧穿桥桩变形分析及控制措施.pdf

第 63 卷 第 9 期2023 年9 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.9September 2023文章编号：10031995（2023）09009106大直径盾构隧道超近距离侧穿桥桩变形分析及控制措施梁禹1，2，3 范晓锋2 尹义豪4 常勇41.中山大学 深圳 航空航天学院，广东 深圳 518107；2.中山大学 土木工程学院，广东 珠海 519000；3.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东 珠海 519000；4.中铁十四局集团大盾构工程有限公司，南京 211800摘要 以一座高速铁路大直径盾构隧道超近距离侧穿海湾大桥匝道桥桥桩工程为依托，建立考虑开挖面支护力、盾壳摩擦力、同步注浆参数、千斤顶推力等多因素耦合作用下盾构施工的精细化数值模型，分析了采用全方位高压喷射（Metro Jet System，MJS）工法加固前后桥桩及地表变形。结果表明：桥桩变形与上述因素以及隧道与桩的相对位置密切相关；盾构掘进会引起桥桩产生朝向隧道外侧及沿隧道开挖方向的水平变形；桥桩的存在使地表竖向变形曲线从对称变为不对称，且对邻近土体的竖向变形有一定的抑制作用；采用MJS工法对土体进行倒L形加固后，由于竖向加固区对桥桩的保护作用和对桩周土体进一步的抑制作用，以及横向加固区对隧道与上覆土的阻隔作用，桥桩和地表变形均得到明显控制。桥桩和地表变形模拟计算值与实测值的变化趋势基本一致，说明数值模拟可靠。关键词 铁路隧道；大直径盾构；侧穿桥桩；MJS工法；掘进参数；数值模拟；变形中图分类号 U455.4 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.09.19引用格式：梁禹，范晓锋，尹义豪，等.大直径盾构隧道超近距离侧穿桥桩变形分析及控制措施 J.铁道建筑，2023，63（9）：9196.在城市修建盾构隧道经常遇到邻近桩基的情况，会对周边土层产生扰动，改变桩周土体的位移场和应力场，使上部结构产生不均匀沉降，甚至危及桥梁的安全1。近年来盾构隧道呈现出直径扩大化、环境复杂化的特点2，如何准确预测大直径盾构隧道施工对邻近桩基的影响，采取有效措施防止桩基及上部结构产生较大变形乃至破坏是需要解决的问题。对于盾构施工引起桩基变形和内力变化的分析方法主要有理论分析、模型试验及数值模拟。理论分析方面，目前多采用两阶段分析法。Mu等3基于该方法提出了分层土中盾构施工时桩基的侧向响应公式。Huang等4使用该方法推导了盾构施工引起的邻近桩基位移的三维解析解。模型试验主要包括离心试验和常重力试验。Ng等5-6通过离心试验分析了盾构开挖过程中桩基沉降及承载力的变化。路德春等7通过常重力试验进行了盾构掘进过程对桩基的三维影响研究。数值模拟具有很高的可重复性，可以较全面考虑实际工程中各种因素和模拟多施工步骤。王净伟、李建平等8-9采用数值模拟分析了盾构施工对邻近桩基承载力的影响。艾国平等10建立三维有限元模型研究了盾构邻近桩基施工时，不采取措施、设置临时支墩和采用克泥效工法三种工况下桩基的力学响应。上述对盾构隧道邻近桩基的研究主要针对小直径盾构工程，对大直径盾构邻近桩基施工的研究较少。本文以一座高速铁路大直径盾构隧道超近距离侧穿匝道桥桥桩工程为依托，采用有限元软件建立精细化模型，研究采用MJS工法加固前后桥桩和地表的变形情况，并将模拟结果与实测数据进行对比分析。1 工程概况 一高速铁路海底隧道工程采用单洞双线的大直径泥水盾构下穿既有海湾大桥匝道桥。采用7+2+1分块方式的通用楔形环钢筋混凝土单层管片，内径、外径和环宽分别为12.6、13.8、2.0 m，错缝拼装，穿越段隧道覆土厚度约24 m。匝道桥为四跨连续梁，桥面宽8.5 m；基础为桩基础，桩径1.8 m。隧道先后侧穿A3#、A4#墩桩，桩长分别为 61.0、49.5 m，桥下净空分收稿日期：20230619；修回日期：20230729基金项目：广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515030258）；深圳市科技计划（KCXFZ20201221173207020）第一作者：范晓锋（2000 ），男，硕士研究生。E-mail：通信作者：梁禹（1986），男，副教授，博士。E-mail：铁道建筑第 63 卷别为 8.7、7.0 m。隧道与 A3#、A4#墩桩位置关系见图1。隧道外缘与A3#、A4#墩桩净距分别为1.2、0.9 m。在与桥桩约1 m净距进行大直径盾构隧道施工，若不采取控制措施，极易引起桥桩破坏，进而影响整个匝道桥的安全。为了控制桥桩和地表变形，减小隧道施工对周边环境的扰动，考虑到桥下净空较低，采用MJS工法对土体进行加固，浆液为水泥浆。加固区呈倒L形，分为竖向加固区和水平加固区，见图2。竖向加固区先采用2.4 m2.0 m的MJS工法桩与桥桩咬合，最大咬合深度为0.4 m，然后在桩周打设2.0 m1.6 m 的 MJS工法桩进一步加固土体，加固深度为隧顶以上3.0 m至隧底以下6.2 m，共23.0 m。水平加固区采用2.0 m1.6 m的MJS工法桩，加固隧顶以上3.0 m的土体和隧道与A3#、A4#墩桩之间的三角区。根据详勘报告，隧址区土层自上而下依次为杂填土、淤泥质土、粗砂、有机质土及粉质黏土。加固区以粉质黏土为主，局部夹杂粗砂。各土层物理力学参数见表1。2 数值模拟 2.1计算模型采用 MIDAS 有限元软件建立地层-结构三维模型。为减小边界效应影响，模型尺寸取 160 m（长）140 m（宽）90 m（高），模型边距离隧道及A3#、A4#墩桩均不小于5倍洞径，侧面限制法向位移，底部设置固定约束。模型共有 169 725个单元，108 682个节点，见图3。土体采用弹塑性本构模型，服从MohrCoulomb屈服准则。管片、承台、MJS工法桩采用实体单元，盾壳采用壳单元，A3#、A4#墩桩采用梁单元模拟。2.2计算参数2.2.1盾壳摩擦力施工时，盾壳摩擦力（Fs）即盾壳周围的土体所受到沿着盾构掘进方向的摩擦力，其计算式为11Fs=s（DsLPa+G）（1）式中：s为盾壳与土体间摩擦因数，依据文献 12 取值；Ds为盾壳直径；L为盾壳长度；Pa为作用在盾壳的平均土压力；G为盾构机自重。通过计算，Fs约为150 kPa。2.2.2开挖面支护力大断面隧道的拱顶与拱底水土压差较大，模型中开挖面支护力以梯形荷载的形式垂直施加到刀盘前方土体，数值从320 kPa增至490 kPa。2.2.3同步注浆参数梁禹等13研究得出浆液凝结过程具有时变性，其弹性模量随着浆液的凝结而逐渐增大，对土体的压力表1土层物理力学参数土层杂填土淤泥质土粗砂有机质土软粉质黏土粗砂硬粉质黏土重度/（kNm-）19.717.320.017.818.020.021.6压缩模量/MPa124445104418泊松比0.300.420.260.410.300.260.25黏聚力/kPa13801030050内摩擦角/（）83365103617厚度/m353314369图1隧道与A3#、A4#墩桩平面位置关系图2MJS工法加固区图3计算模型92第 9 期梁禹等：大直径盾构隧道超近距离侧穿桥桩变形分析及控制措施则逐渐消散。设置同步注浆的浆液在4环管片拼装时间内凝结，弹性模量从 5 MPa 逐步上升至 500 MPa。实测数据显示盾尾同步注浆压力为0.50 0.72 MPa，计算时选择平均压力0.60 MPa作为浆液最大压力并逐渐减小至0，详见表2。注浆层厚度等于刀盘与管片的高度差，取 0.25 m；浆液重度为 25 kN/m3，泊松比为0.25。2.2.4其他参数由于刀盘对土体的切削和摩擦作用，开挖面前方一定范围内的土体会受到扰动。参考文献 14，将开挖面前方2 m（1环管片）土体的弹性模量减小50%。由于管片纵向与环向接头会降低隧道整体刚度，依据文献 15 将混凝土管片弹性模量减小 25%。结构参数见表3。参考实测数据，盾构千斤顶推力换算成均布荷载施加于管片环的横截面上，大小为15 MPa。A3#、A4#墩桩为摩擦桩，通过切向和法向弹簧模拟桩土间相互作用。界面切向刚度（Kt）、界面法向刚度（Kn）分别为Kt=Gi/tv（2）Kn=Ei/tv（3）式中：Gi为第i层土的折算剪切模量，Gi=RGisoil，R为强度折减系数，取0.71.0，Gisoil为第i层土的剪切模量；tv为虚拟厚度系数，取0.01 0.10；Ei=2Gi（1-v）/（1-2v），Ei为第i层土的弹性模量，v为桩土接触面的泊松比，取0.45。桥梁上部结构等效为均布荷载120 kPa作用在承台上；地面荷载为20 kPa。2.3盾构掘进过程模拟时不考虑管片安装及盾构停机，掘进过程见图4。具体施工步骤为：1）施作A3#和A4#桥墩、承台、桥桩，计算模型的自重应力场与位移场。2）采用MJS工法加固土体，将加固区单元属性变为MJS工法桩属性，将所有单元位移清零。3）模拟盾构开挖，修改开挖面前方土体弹性模量，添加盾壳单元，施加盾壳摩擦力、开挖面支护力及千斤顶推力。4）盾构每向前推进1环，激活距离盾尾最近的管片单元，依据表2，依次在区注浆，注浆压力分别为 0.60、0.25、0.12、0 MPa；对新开挖面施加支护力，修改其前方2 m土体弹性模量；对新激活的盾壳、管片单元施加盾壳摩擦力和千斤顶推力，删除步骤3荷载。5）重复上述步骤至隧道贯通。2.4计算结果2.4.1A3#、A4#墩桩水平变形提取刀盘距离 A3#、A4#墩桩-30，-20，-10，0，10，20、30 m处桥桩的水平变形进行分析，负值表示刀盘未通过桥桩。未采用MJS工法加固时A3#、A4#墩桩水平变形见图5。由图5可知：1）在各影响因素综合作用下，盾构掘进阶段两桥桩均产生朝向隧道外侧及沿隧道开挖方向的水平变形。2）盾构与桥桩越近，对桥桩扰动越大，桩身变形越大；刀盘通过桥桩20 m后，桩身变形基本稳定。图4盾构掘进过程图5未采用MJS工法加固时A3#、A4#墩桩水平变形表2盾尾同步注浆浆液弹性模量和压力设置 MPa参数弹性模量注浆压力第1环50.60第2环500.25第3环2000.12第4环5000表3结构参数结构管片盾壳承台墩、桩MJS工法桩重度/(kNm-)25.078.525.025.025.0弹性模量/MPa2.588 1042.100 1053.450 1043.000 1043.000 102泊松比0.200.300.250.250.2593铁道建筑第 63 卷3）A3#墩桩在 x、y 方向的最大变形分别为 14.7、20.5 mm；A4#墩桩在x、y方向的最大变形分别为13.7、20.1 mm。采用MJS工法加固前后刀盘距A3#、A4#墩桩30 m时桥桩水平变形见图6。可知：加固后A3#墩桩在x、y方向最大变形分别为3.96、6.54 mm，与未采用MJS工法加固时相比，变形减小了73.1%、68.1%；A4#墩桩在x、y 方向最大变形分别为 3.41、7.16 mm，与未采用MJS工法加固时相比，变形减小了75.1%、64.4%。可见采用 MJS 工法加固后，两桥桩的水平变形显著降低，说明MJS工法的水泥浆与桩周土体混合形成具有较高强度的固结体，对桥桩起到了保护作用。2.4.2地表竖向变形在垂直于隧道轴线的地表布置两处监测断面，分别位于A3#与A4#墩桩北侧约1 m。未采用MJS工法加固时盾构施工地表竖向变形见图7，其中灰色虚线为无桥桩时地表竖向变形。由图7可知：1）盾构施工过程中，地表由隆起转为沉降，直至刀盘距监测断面40 m时变形稳定。刀盘抵达监测断面前，由于开挖面支护力及盾壳摩擦力对前方土体的挤压作用，地表隆起且隆起逐渐增大；在刀盘邻近监测断面时，地表变形由隆起变为沉降；盾尾通过监测断面后，因同步注浆压力开始消散，开挖引起的地层损失逐渐增大，沉降和沉降槽宽度不断增加，最终宽度约3倍洞径。2）A3#、A4#墩桩的存在使地表变形曲线从对称变为不对称，沉降槽中心向远离桥桩的方向偏移。3）A3#、A4#墩桩附近曲线形态平缓，说明地表竖向变形受到抑制，桥桩对邻近土体有一定的抑制作用。A4#墩桩与隧道距离更近，这种抑制作用更明显。采用MJS工法加固前后刀盘距A3#、A4#墩桩北侧监测断面40 m时地表竖向变形见图8。可知：1）采用MJS工法对土体进行倒L形加固后，地表最大沉降分别从8.63、8.28 mm降至3.59、4.67 mm，降幅为58.4%、43.6%，沉降得到较好控制。2）MJS工法加固区的存在改变了地表竖向变形曲线的形状，沉降槽中心向远离桥桩一侧的横向加固区边缘偏移。竖向加固区内地表变形曲线轻微拱起，说明加固区增强了桥桩对土体的抑制作用。由于A4#墩桩离隧道更近，抑制作用更强，因此竖向加固区内地表变形从未加固时的沉降变为隆起。3 现场监测 3.1测点布置在A3#、A4#桥墩分别布置变形监测点，见图9。采用全站仪进行自动化监测，监测频率为1次/d，测量精度为0.001 mm。沿隧道开挖方向设置5个地表变形监测断面，每个断面布设9个测点，沿隧道轴线对称分布，见图10。图7未采用MJS工法加固时盾构施工地表竖向变形图6采用MJS工法加固前后刀盘距A3#、A4#墩桩30 m时桥桩水平变形图8采用MJS工法加固前后刀盘距监测断面40 m时地表竖向变形94第 9 期梁禹等：大直径盾构隧道超近距离侧穿桥桩变形分析及控制措施监测频率为1次/d，测量精度为0.1 mm。3.2桩顶竖向变形由于桩顶与桥墩固结，因此将测点33、42竖向变形作为桩顶的竖向变形。采用MJS工法加固后，桩顶竖向变形模拟计算值与实测值对比见图11。可知：桩顶竖向变形的模拟计算值与实测值变化规律相似，盾构穿越桥桩过程中，桩顶隆起均先增大后减小。在刀盘距A3#、A4#墩桩约20 m时，由于同步注浆浆液固结，桩顶竖向变形的模拟计算值轻微增大。3.3地表竖向变形J2断面地表竖向变形模拟计算值与实测值对比见图12。可知：采用MJS工法加固后，二者变化趋势基本一致，刀盘抵达监测断面前地表隆起，远离监测断面后地表沉降。施工时采用了克尼效工法，在向土体注入克尼效浆液时会导致土体上浮，同时盾构掘进参数也会随着施工情况进行动态调整，因此模拟计算值与实测值有一定偏差。4 结 论 1）盾构施工导致A3#、A4#墩桩产生朝向隧道外侧和开挖方向的水平变形。采用MJS工法加固后，刀盘距两桩30 m时，A3#墩桩在x、y方向最大水平变形分别为3.96、6.54 mm，与未采用MJS工法加固相比，分别减小了73.1%、68.1%；A4#墩桩在x、y方向最大水平变形分别为 3.41、7.16 mm，与未采用 MJS 工法加固相比，分别减小了 75.1%和 64.4%，说明 MJS工法采用的水泥浆与桩周土体混合形成具有较高强度的固结体，对桥桩起到了保护作用。2）A3#、A4#墩桩的存在使地表竖向变形曲线从对称变为不对称，沉降槽中心向远离桥桩的方向偏移。桥桩对邻近土体有一定的抑制作用，且桥桩距离隧道越近，抑制作用越明显。3）采用MJS工法对土体进行倒L形加固后，由于竖向加固区对桥桩的保护作用及对桩周土体进一步的抑制作用，以及横向加固区对隧道与上覆土的阻隔作用，刀盘距A3#、A4#墩桩北侧监测断面40 m时地表最大沉降分别从8.63、8.28 mm降至3.59、4.67 mm，降幅分别为 58.4%和 43.6%，地表变形得到较好控制。4）桥桩和地表变形模拟计算值与实测值的变化趋势基本一致，说明数值模拟可靠。参考文献1 李进军，王卫东，黄茂松，等.地铁盾构隧道穿越对建筑物桩基础的影响分析 J.岩土工程学报，2010，32（增刊2）：166-170.2 严金秀.中国隧道工程技术发展40年 J.隧道建设（中英文），2019，39（4）：537-544.3 MU L L，HUANG M S，FINNO R J.Tunnelling Effects on Lateral Behavior of Pile Rafts in Layered Soil J.Tunnelling and Underground Space Technology，2012，28：192201.4 HUANG K，SUN Y W，YANG J S，et al.Three-dimensional Displacement Characteristics of Adjacent Pile Induced by Shield Tunneling Under Influence of Multiple FactorsJ.Journal of Central South University，2022，29（5）：1597-1615.5 NG C W W，LU H，PENG S Y.Three-dimensional Centrifuge Modelling of The Effects of Twin Tunnelling on an Existing 图10地表变形测点布置（单位：m）图9A3#、A4#桥墩变形测点布置图12J1断面地表竖向变形模拟计算值与实测值对比图11桩顶竖向变形模拟计算值与实测值对比95铁道建筑第 63 卷PileJ.Tunnelling and Underground Space Technology，2013，35：189-199.6 NG C W W，SOOMRO M A，HONG Y.Three-dimensional Centrifuge Modelling of Pile Group Responses to Side-by-Side Twin Tunnelling J.Tunnelling and Underground Space Technology，2014，43：350-361.7 路德春，丁超，林庆涛，等.盾构隧道开挖对邻近桩基三维影响试验研究J.防灾减灾工程学报，2022，42（4）：732-741.8 王净伟，杨信之，阮波.盾构隧道施工对既有建筑物基桩影响的数值模拟 J.铁道科学与工程学报，2014，11（4）：73-79.9 李建平，汤恺.盾构正穿灰岩区上软下硬层高速涵洞桩基加固技术J.隧道建设（中英文），2021，41（增刊 2）：533-541.10 艾国平，陈刚，刘维正，等.地铁盾构隧道穿越既有桥桩及排水渠的施工影响与对策 J.现代交通技术，2021，18（2）：68-74.11 曹洋，林向荣，李子路.软土地层浅埋盾构施工的精细化数值模拟 J.工程科学与技术，2022，54（3）：149-158.12 许宏发，吴华杰，郭少平，等.桩土接触面单元参数分析 J.探矿工程，2002（5）：10-12.13 梁禹，阳军生，王树英，等.考虑时变性影响的盾构壁后注浆浆液固结及消散机制研究 J.岩土力学，2015，36（12）：3373-3380.14 张海波，殷宗泽，朱俊高.地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟 J.岩石力学与工程学报，2005，24（5）：755-760.15 黄宏伟，徐凌，严佳梁，等.盾构隧道横向刚度有效率研究J.岩土工程学报，2006，28（1）：11-18.Deformation Analysis and Reinforcement Measures for Largediameter Shield Tunnel Crossing Bridge Piles in Superclose DistanceLIANG Yu1，2，3，FAN Xiaofeng2，YIN Yihao4，CHANG Yong41.School of Aeronautics and Astronautics，Sun Yat-sen University（Shenzhen），Shenzhen Guangdong 518107，China；2.School of Civil Engineering，Sun Yat-sen University，Zhuhai Guangdong 519000，China；3.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory（Zhuhai），Zhuhai Guangdong 519000，China；4.China Railway 14th Bureau Group Large Shield Engineering Co.Ltd.，Nanjing 211800，ChinaAbstract Based on a high speed railway large diameter shield tunnel construction crossing bridge piles in super-close distance，a fine-scale numerical model for the dynamic construction process of shield tunneling was established，considering the coupled effects of various construction factors，such as excavation face support force，shield-shell friction，synchronous grouting parameters，jack force，ect.The deformations of piles and surface with or without MJS（Metro Set System）method reinforcement were analyzed.The results show that，the deformations of piles are closely related to the above factors and the relative positions between tunnel and piles.Shield tunneling cause horizontal deformations of bridge piles towards the outside of tunnel and along the excavation direction of tunnel.The existence of piles changes the vertical deformation curve of surface from a symmetrical pattern to an asymmetrical pattern，and has a certain restraining effect on the vertical deformation of neighboring soil.By using the MJS method to reinforce the soil in an inverted L-shape，due to the protective effect of the vertical reinforcement zone on piles and the restraining effect on the surrounding soil of piles，as well as the blocking effect of the horizontal reinforcement zone between the tunnel and overlying soil，the deformations of piles and surface were significantly controlled.Through field monitoring，the deformations of piles and surface are consistent with the simulation results，which verifies the reliability of the numerical simulation.Key words railway tunnel；large-diameter shield；crossing bridge pile；MJS method；excavation parameters；numerical simulation；deformationCitation format：LIANG Yu，FAN Xiaofeng，YIN Yihao，et al.Deformation Analysis and Reinforcement Measures for Largediameter Shield Tunnel Crossing Bridge Piles in Superclose Distance J.Railway Engineering，2023，63（9）：9196.（编辑：葛全红 校对：李付军）96