地铁隧道施工对附近桥梁桩基的影响及控制措施研究

摘要：地铁隧道施工过程中会对附近的桥梁桩基造成扰动等影响，对桥梁结构的稳定性带来一定冲击。文章介绍了桥梁桩基的作用机理，分析了桥梁桩基各部分载荷受力情况，并对引起桥梁桩基形变的主要因素以及桥梁桩基形变的主要模式进行了研究，提出了控制桥梁桩基形变的具体措施。

关键词：地铁隧道;施工;桥梁;桩基形变;研究

0 引言

随着我国城镇化进程的不断加快，城市土地面积使用率在逐渐缩小，如何充分利用城市中的每一寸土地已成为当前社会各界所关注的主要问题。地铁隧道工程的建设和投入使用，使得城市可利用的土地空间变大，也为人们日常的出行提供了诸多便利，其优势不言而喻。地铁隧道工程已成为目前国内各大型城市的必备市政工程，在提高城市的社会生产力和竞争力方面具有一定作用。地铁隧道工程的施工技术复杂，需要综合协调各施工环节，并考虑可能对周边建筑带来的破坏和影响。以地铁隧道工程附近的桥梁为例，桥梁桩基可能受到地铁施工的影响，情况严重时会波及到桥梁整体结构的稳定性，影响车辆及行人的安全。为此，研究地铁隧道施工过程中对附近桥梁桩基的影响十分必要[1]。

1 桥梁桩基作用机理

桩基属于当前建筑领域较为常用的一种基础模式，其应用范围比较广泛。桩基可穿过软弱地质结构最终达到持力层，建筑上部的载荷也传到持力层中。地铁隧道工程的施工将对桥梁桩基周边的土体造成扰动，进而使土层在横向及纵向上发生位移改变，使得桥梁桩基的载荷能力降低，引起桥梁结构的形变破坏。桩基端部土质总抗力以及桩基侧方土质总阻力共同承载桩基顶部的纵向载荷，可通过以下公式表示：

根据桥梁桩基的受力特征将受力划分为两方面：（1）依靠桩基端部阻力进行载荷;（2）通过桩基侧方阻力来承担。以上两方面组成了桩基受力的全部，且桩基侧方阻力相对于下部作用更早，二者具有不同的力学传输特性，桩基侧方阻力以剪力形式逐渐扩散到周边土体中，而桩基端部阻力则由桩体直接作用[2-3]。

2 地铁隧道施工对附近桥梁桩基的影响

2.1 桥梁桩基形变的主要因素

（1）桩基周边土质特性

桥梁桩基形变的一个主要原因是桩基周边的土质特性。由于在地铁隧道施工过程中对各种深度的地层具有扰动作用，使得桩体周边各种深度土层结构发生改变，影响桩基端部以及侧方的阻力。地铁隧道施工过程中对地层的扰动作用分区如图1所示。在一些富水以及软土等特殊地质结构中，在允许的地表沉降范围之内，桩基侧方阻力通常较正常情况小，这种现象多由地铁隧道开挖而引起地层沉降范围超过桥梁桩基沉降范围所致[4]。

（2）施工工艺

地铁隧道的施工工艺对附近桥梁桩基的形变具有重要影响。地铁隧道施工工艺的不同对周边地层的扰动程度和影响范围也不同。如果地铁隧道施工过程中影响地表的沉降范围很大，则附近的桥梁桩基受到的扰动也会很大。为有效防止地铁施工对附近桥梁桩基扰动而引发的形变，要选用合适的施工工艺，尽可能选用对周边土质及地层扰动较小的施工工艺[5]。

（3）地下水因素

地下水因素对于桩基周边土质结构变化的影响不能忽略。地下水主要是对土质具有一定的软化作用，进而引起土层结构力学特性的改变，使得桩基端部以及侧方的抗压强度减弱。在降水情况下对地铁隧道进行施工，会引发桩基周边土质的固结沉降，使得桩基周边土地应力随之增加，当固结沉降范围大于桩基固有的沉降范围时，会使桩基发生负摩阻力效应[6]。

桥梁桩基形变的主要因素如表1所示。

2.2 桥梁桩基形变的主要模式

地铁隧道施工对附近桥梁桩基造成不同程度的影响，而桥梁桩基刚度相对于周边土地的刚度较大，因此，可将桥梁桩基视作完全刚性体，桥梁桩基与周边土体的位移形变可通过土体的位移形变过程来进行分析。发生位移形变的土层将重新分配应力，使桥梁桩基侧方以及端部的阻力均发生变化，最终使桥梁桩基纵向载荷能力以及侧方抗压能力发生改变。由于桩体轴向刚度非常大，因此桩周土体和桩基的位移方向近乎直线，桥梁桩基发生沉降以保持这种情况下的平衡状态。此时，地层土质对桥梁桩基的形变起到了一定的约束作用，横向上的传递因此而受到桥梁桩基的阻力，二者间呈现相互制约、彼此作用的关系。地铁隧道施工过程中地层位移变化对桥梁桩基形变的主要影响有：在橋梁桩基部分的影响趋势逐渐减弱;地铁隧道开挖引起的桥梁桩基应力逐渐向桩基端部传送，对桥梁桩基的载荷能力有影响;相对于周边土体而言，桩基可被视作刚性体结构[7-8]。

3 桥梁桩基形变的控制措施

3.1 参数优化控制措施

参数优化控制措施在桥梁桩基形变的控制中较为常用，这种参数优化控制措施贯穿于施工过程的始终。在施工开始时，依据历史工程经验可选用适宜的施工参数，并对参数适当优化，在实际施工中应根据具体变化情况对地铁隧道开挖的机械设备进行参数调整，最大程度弱化对附近桥梁桩基的影响。地铁隧道开挖面的参数控制尤为重要，地铁隧道施工中的作业面与土体压力值应在规定范围之内。土体压力超出允许的范围将为地铁隧道的施工带来一定影响：土体压力偏大会造成地表结构的凸起，而土体压力偏小则会引起地表沉降。因此，在地铁隧道开挖面参数控制过程中应首先核对目标土体压力，使用特定的仪器对开挖面土体压力进行核实[9]。

3.2 工程施工控制措施

为使地铁隧道在施工过程中减少对附近桥梁桩基的影响，除了对施工机械设备进行参数优化之外，还应在具体的工程施工过程中采取相应的控制措施，如隔断墙、土体稳固以及桩基托换等措施。

（1）隔断墙

隔断墙在保护桥梁桩基的措施中较为常见，主要是通过在隧道与桥梁桩基中间搭设隔断墙的方式来弱化施工机械设备对附近桥梁桩基的影响，地面上和地面下均可进行隔断墙施工，在地铁隧道开挖时可使用高压旋喷桩以及密排灌注桩等方式。此种措施需要一定的施工空间。

（2）土体加固

土体加固一般包括两种方式，一种是采用化学注浆法，另一种是通过喷射进行搅拌的方法。化学注浆法主要对土体进行注浆以实现增加土体刚度的作用，进而降低地铁隧道施工对附近桥梁桩基的影响。喷射注浆则利用改善桩体周围土质特性的方式来提高桩周土的结构完整性。

（3）桩基托换

桩基托换即使用新桩来替换原来的旧桩以承担上部结构的载荷，新桩将与原基础共同组成新的结构体系，以优化原来的结构应力状态，使沉降范围得到进一步控制。桩基承压及桩基转换是桩基托换的两种常用方法[10-11]。

工程施工部分的桥梁桩基形变控制措施如表2所示。

4 结语

地铁隧道施工会给附近桥梁桩基结构的稳定性带来一定影响。本文对桥梁桩基的作用机理进行了分析，对引起桥梁桩基形变的主要因素进行了总结，包括桩基周边土质特性、施工工艺以及地下水等因素。从参数优化和工程施工两方面讨论了控制桥梁桩基形变的具体措施，工程施工部分列举了隔断墙、土体加固以及桩基托换等方法。在地铁隧道施工对附近桥梁桩基的影响方面，本文进行了系统性的总结并提出了控制措施，研究内容具有一定的工程实用价值。

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作者简介：马佳仁（1980—），工程师，研究方向：公路与桥梁。