紧贴桥梁桩底某暗挖区间施工对桥桩的影响分析

毕景佩, 易领兵, 杜明芳, 刘胜欢, 李帅兵，朱亮亮

(1.郑州地铁集团有限公司，郑州 450000；2.中交铁道设计研究总院有限公司，北京 100088；3.河南工业大学土木建筑学院，郑州 450000; 4.苏交科集团股份有限公司，南京 210000)

地铁区间在城市建构筑密集区域施工环境越来越复杂,下穿桥梁、河流、铁路、管线等，设计方案和施工方案也越来越多样[1-2]。

祝勇[3]、沈建文等[4]采用数值模拟与现场实时监测的方法研究了盾构隧道侧穿桥桩对桥梁的影响。王凌等[5]采用数值模拟与理论计算的方法研究了盾构隧道与桥桩的安全距离。张金伟[6]运用数值计算、桥桩承载力分析、现场实测数据等方法对暗挖区间进行优化设计。徐登票等[7]研究了盾构施工对桥梁的影响。何茂周[8]、姚文花[9]、刘才平等[10]和李幸发[11]采用理论计算与工程类比相结合方式对盾构穿越桥桩进行综合处理进行了研究。冠晓强等[12]采用数值模拟与现场监测的方法研究了旋喷加固对盾构穿越已建构筑物的影响。杨勇等[13]、宋金涌[14]、马忠政[15]、徐前卫等[16]和朱统步[17]采用数值模拟与现场实时监测的方法对盾构区间穿越托换桩基的影响进行了研究。

前人对地铁区间下穿、侧穿施工情况开展了大量研究，但是盾构区间具有与桥桩距离仅为0.333 m、砂卵石地层、存在地下水的特点，而关于紧贴桩底盾构施工案例研究较少。

考虑以上情况，以下穿小月河桥的新机场线盾构区间隧道工程为背景，研究盾构区间下穿小月河桥施工过程中桥面、盖梁及桥桩位移变化规律特征；揭示盾构区间下穿小月河桥施工过程中桥桩差异沉降；分析盾尾径向注浆加固对下穿桥桩的影响。

1 工程概况

北京地铁27号线(昌平线南延)学院桥站～西土城站区间设计起点、终点里程分别为K41+185.000、K42+494.932，区间全长约1 309.932 m，为盾构法+矿山法区间。拱顶覆土18.1～27.9 m，底板埋深24.9～33.9 m。区间线路平面最小曲线半径R=1 000 m，线间距为9～17 m。线纵向为单面下坡设计，坡度为6.2‰，两端车站附近坡度为0.2‰。

图2 小月河桥与盾构隧道剖面位置关系图

小月河桥梁长度25 m，全宽26 m，上部结构由14片中主梁和2片边主梁组成的单孔预应力混凝土简支梁桥，下部结构采用排柱式轻型桥台，墩柱D=1.0 m,长度 2 m，下接D=1.2 m 钻孔灌注桩，桩长 23 m。

区间隧道结构位于桥梁桩基础正下方，区间北侧桥桩与桩基础的最小垂直净距0.333 m，区间南侧与桩基础最小垂直净距0.027 m。

场地地下水位埋深29.4 m，盾构区间主体结构底板埋深32.57 m，盾构区间主体结构进入地下水。

小月河桥与盾构区间的平剖面位置关系如图1、图2所示。

图1 小月河桥与盾构隧道平面位置关系图

2 数值计算分析

针对北京地铁27号线(昌平线南延)学院桥站—西土城站区间下穿小月河桥施工，根据设计及地质资料，采用Midas/GTS软件建模分析。在考虑到本工程盾构施工步序较多且在节约篇幅的基础上选取盾构施工步序中有代表性的8个工况。

(1)初始地应力分析。

(2)桥梁施工完成后的地应力分析。

(3)右线隧道接近北侧桥桩加固区。

(4)右线隧道穿过北侧桥桩并接近南侧桥桩加固区。

(5)右线隧道离开南侧桥桩加固区。

(6)左线隧道接近北侧桥桩加固区。

(7)左线隧道穿过北侧桥桩并接近南侧桥桩加固区。

(8)左线线隧离开南侧桥桩加固区。

(9)双线隧道开挖完成。

土体、桥桩及盾构材料参数如表1所示，模型如图3所示。

表1 材料参数

图3 三维整体模型图

参阅既有资料并结合业主提供的 10 号线穿越小月河引起的桥梁基础变形监测，通过建模计算，分析得出 27 号线穿越小月河桥应满足的桥梁控制技术指标：简支T梁纵桥向相邻轴差异沉降控制值为8 mm；同一边盖梁相邻桩基础位置差异沉降控制值2 mm；桥梁单测点最大沉降控制值15 mm边盖梁新增倾斜不大于1/1 500。

3 计算结果分析

3.1 土层位移分析

土层位移计算结果如图4、图5所示。由图4可知，右线贯通时，地层最大竖向沉降约为13.411 mm，发生位置位于盾构隧道正上方；最大竖向隆起约为7.575 mm，发生位置位于盾构隧道底部。由图5可知，双线贯通时，地层最大竖向沉降约为13.606 mm，发生位置位于右线盾构隧道正上方；最大竖向隆起约为7.325 mm，发生位置位于盾构隧道底部。

图4 右线贯通后土层竖向位移云图

图5 双线隧道开挖完成后土层竖向位移云图

最大沉降位置和最大隆起位置基本稳定在右线盾构隧道的正上方和底部，且双线贯通较右线单线贯通数据大，分析原因可能是随着左线盾构隧道的二次扰动引起右线隧道正上方沉降增大，底部隆起增大。

3.2 小月河桥桥面变形分析

为节约篇幅，仅列出阶段3～阶段8工况位移图，小月河桥桥面的位移如图6所示。

地铁区间隧道施工过程中，小月河桥桥面的沉降逐渐增加，右线靠近时，桥面的沉降为0.864 mm，右线通过时，桥面的最大沉降达到2.751 mm，右线贯通后，桥面的最大沉降达到2.991 mm。继续施工左线隧道，在左线盾构靠近小月河桥时，桥面的沉降为43.336 mm，在左线隧道通过小月河桥北侧桥桩时，桥面的最大沉降达到4.455 mm，双线隧道贯通后，桥面的最大沉降达到4.728 mm。左线盾构通过后桥面沉降较右线通过后增大1.737 mm，左线盾构隧道的施工引起桥面沉降增大比例为58.07%。

3.3 小月河桥盖梁沉降分析

因篇幅有限，仅列出阶段3～阶段8工况位移图，小月河桥盖梁的位移如图7所示。

地铁区间隧道施工过程中，小月河桥盖梁的沉降逐渐增加，在右线盾构靠近小月河桥时，盖梁的沉降为0.855 mm，右线通过时，盖梁的最大沉降达到2.804 mm，右线隧道贯通后，盖梁的最大沉降值达到了3.000 mm。继续施工左线隧道，在左线盾构靠近小月河桥时，盖梁的沉降为3.324 mm，在左线隧道通过小月河桥北侧桥桩时，桥墩的最大沉降达到4.410 mm，双线隧道贯通后，盖梁的最大沉降达到4.688 mm。

3.4 小月河桥桥桩沉降分析

为节约篇幅，仅列出阶段3～阶段8工况位移图，小月河桥桥桩的竖向位移如图8所示。

地铁区间隧道施工过程中，小月河桥桥桩的沉降逐渐增加，在右线盾构靠近小月河桥时，桥桩的沉降为1.904 mm，在右线隧道通过小月河桥北侧桥桩时，桥桩的最大沉降达到6.724 mm，右线隧道贯通后，桥桩的最大沉降达到了6.836 mm。继续施工左线隧道，左线靠近时，桥桩的沉降为6.980 mm，左线通过时，桥桩的最大沉降达到7.301 mm。双线隧道贯通后，桥桩的最大沉降达到7.330 mm。

3.5 小月河桥桥桩水平位移分析

为节约篇幅，仅列出阶段3～阶段8工况位移图，小月河桥桥桩的水平位移如图9所示。

图6 桥面竖向位移

图7 桥墩竖向位移

图8 桥桩竖向位移

地铁区间隧道施工过程中，小月河桥桥桩的水平位移逐渐增加，在右线盾构靠近小月河桥时，桥桩的水平位移为0.203 mm，在右线隧道通过小月河桥北侧桥桩时，桥桩的水平位移达到0.939 mm，右线隧道贯通后，桥桩水平位移达到了0.954 mm。继续施工左线隧道，在左线盾构靠近小月河桥时，桥桩的水平位移为0.970 mm，在左线隧道通过小月河桥北侧桥桩时，桥桩的水平位移达到1.656 mm，双线隧道贯通后，桥桩的水平位移达到1.650 mm。

图9 桥桩水平位移

图10 桥桩附加弯矩

3.6 小月河桥桥桩应力分析

阶段3～阶段8工况位移图，小月河桥桥桩的附加弯矩如图10所示。由图10可知，地铁盾构区间隧道施工过程中，小月河桥桥桩的附加弯矩逐渐增加，在右线盾构靠近小月河桥时，桥桩的弯矩为26.935 kN·m，右线通过时，桥桩的最大弯矩达到40.046 kN·m，右线隧道贯通后，桥桩的最大弯矩达到了39.432 kN·m。继续施工左线隧道，左线靠近时，桥桩的弯矩为42.320 kN·m，左线通过时，桥桩的最大弯矩达到42.718 kN·m。双线隧道贯通后，桥桩的最大弯矩达到42.733 kN·m。

桥桩附加弯矩最大值42.733 kN·m，经计算可知附加弯矩计算配筋面积298.76 mm2远小于按最小配筋率计算配筋面积3 654.91 mm2，即桥桩附加弯矩对桩身影响不大，不会对其产生破坏影响。

3.7 小月河桥桩差异沉降分析

3.7.1 桥桩差异沉降分析

提取上述数值模拟阶段8承桥桩竖向位移数据，对桥桩横向差异沉降进行分析，为便于表达，对沉降位置进行编号，编号方式如图11所示。例如：1表示小月河桥第1个桥桩位置1；1-2表示第1和第2个桥桩桩顶位置的差异沉降位。

图11 桥桩位置编号

横桥向桥桩差异沉降如表2所示，小月河桥在盾构区间隧道施工过程中的横向差异沉降最大值为1.752 9 mm，发生在第1和第2个桥桩之间的差异沉降。

表2 桥桩差异沉降

小月河桥在盾构区间隧道施工过程中的纵向差异沉降最大值为0.954 9 mm，是第6个和第7个桥桩之间的差异沉降。

3.7.2 盖梁横桥向差异沉降分析

小月河桥在盾构区间隧道施工过程中的横向差异沉降最大值为1.247 5 mm，经计算盖梁新增倾斜不大于 1/1 500。

4 径向加固措施分析

4.1 横桥向桥桩

小月河桥桩和2号桥桩桩顶及桩底沉降如图12 所示。桥桩沉降最大值发生在右线隧道上方的4号和10号桥桩。全线贯通后，右线隧道上方的桥桩沉降有所增加，但左线隧道上方的1号和7号桥桩沉降较大。

图12 1号和2号桥桩桩顶、桩底沉降

未加固情况下，桥桩桩顶最大沉降为-8.159 2 mm，加固后桩顶沉降最大为-6.416 7 mm，减小了21.35%；未加固情况下桥桩桩底最大沉降值为-9.991 4 mm，加固后桩底沉降最大值为-7.328 7 mm，减小了26.64%。

未加固情况下，相邻桥桩桩顶沉降差异最大值为发生在11号和12号桥桩之间，其值为2.589 5 mm，超过了桥桩桩顶沉降控制值；加固后相邻桥桩桩顶沉降差异最大值为发生在5号和6号桥桩之间，其值为1.756 5 mm,满足控制要求。

4.2 典型点桥桩全过程分析

施工阶段8-17和38-47为右隧道0#桥桩加固区，由图13中桥桩的沉降曲线可以看出，隧道下穿加固区域期间时，未加固情况下，桥桩4桩底沉降为6.737 6 mm，桥桩1桩底沉降为2.611 5 mm；加固情况下，桥桩4桩底沉降为4.505 1 mm，桥桩1桩底沉降为1.846 2 mm。加固后桥桩4桩底沉降降低了33.13%，桥桩1桩底沉降降低了29.30%。

图13 桩1及桩4桩底沉降全过程分析

5 结论

对盾构区间下穿小月河桥进行了数值计算，研究了盾构隧道施工后小月河桥桥面、盖梁及桥桩的位移和桥桩受力情况，得出如下结论。

(1)盾构隧道施工过程中小月河桥桥面、盖梁及桥桩最大沉降值满足控制标准；桥桩水平位移满足控制标准；桥桩附加弯矩较小，不会对桥桩造成破坏。

(2)盾构隧道施工过程中小月河桥盖梁及桥桩横桥向及纵桥向差异沉降满足控制标准；最大相邻差异沉降1.752 9 mm，不会对大桥产生破坏影响。

(3)盾构隧道施工引起地层应力的重分布，当双线盾构隧道施工完成后一段时间内，周围地层应力再次处于平衡状态。

(4)盾尾径向后注浆加固下，桥桩桩顶沉降差异满足控制要求，桥桩桩底竖向位移从6.737 6 mm减少到4.505 1 mm，降低33.13%。