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摘要：盾构法已成为我国城市地铁施工中一种重要施工方法，有施工引起的地面沉降对其周围环境的影响是盾构隧道设计和施工中非常重要的问题。本文根据某地铁盾构隧道穿越桥桩工程，因公软件进行数据模拟，并对计算结果和实测结果进行对比和分析，研究了隧道开挖中产生的位移既对桥桩的影响，并提出相应的的建议。
关键词盾构 隧道 施工 地层 位移 桥梁 桩基
Abstract: the shield law has become China's urban subway construction an important construction method, construction of ground subsidence caused by the influence of the surrounding environment is design of shield tunnel in construction and very important question. This paper according to a subway tunnel through constructing project, on business software data simulated, and the calculated results and the measured results were compared and analyzed in this paper, research the tunnel excavation of the displacement produced both to the influence of the bridge pier, and put forward the corresponding proposal.
Keywords: shield tunnel construction formation displacement bridge pile foundation
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
引言
随着城市集约化的发展，充分利用城市地下空间是十分必要的。地铁作为现代城市大规模快速客运系统的一个重要组成部分，极大地缓解了市区地面交通的拥挤阻塞状况，对改善城市交通和促进城市经济发展发挥着重大作用，被认为是城市的生命线工程。而城市地铁施工往往要受到环境和施工条件的限制，因此近接既有构筑物工程大量涌现，在这种情况下，如何把对环境的影响减少到最低限度，是地铁在近距离条件下施工的核心问题。北京地铁隧道多处穿越桥梁。地铁开挖引起的土层沉降、应力变化对既有桥梁的正常使用将产生一定影响，往往会引起桩基础的沉降，造成桥梁上部结构的变形，当变形过大时将危及结构的使用功能，因此对施工技术要求高，这也是设计者和施工单位所关心的问题。这一现象也引起了地下工程界、岩土工程界的广泛重视。
1、工程概况
拟建场区以第四纪冲积、洪积地层为主，围岩类别属于Ⅳ类。隧道围岩以粉土与粉质粘土为主，结构顶板及底板均埋置于粉质粘土中。拟建地铁隧道下穿某跨河桥，跨河桥为3跨简支梁结构，下部结构形式为桩接墩，跨径分别为6．7 m、30．9 m，隧道拱顶距河床底分别为10．3 m、8．4 m。地铁隧道为马蹄形断面，左线距离两侧桩基分别为0．73 m、0．55 m，右线距离两侧桩基分别为1．03 m、0．61 m。跨河桥宽49 m，长44．6 m，桥基为混凝土灌注桩排桩，直径41 200 mm。 隧道采用矿山法施工，上下台阶开挖，复合式衬砌，由钢格栅加喷射混凝土的初期支护与模筑混凝土的二次衬砌构成，两次衬砌之问设置柔性卷材防水层。初衬采用C20喷射混凝土，二衬采用C30模筑混凝土。开挖中对拱顶及开挖边缘地层进行小导管超前注浆，分步开挖土方、分步架设钢格栅及喷射混凝土，在上一步初衬的保护下开挖下一步土方。
2 、计算模型
根据原形建立图2所示的计算模型。计算模型共剖分单元16459个，节点73 400个，隧道周围网格适当地加密，以精确地反映其应力应变特征。计算模型上部边界为自由面，按设计要求施加了20 kN／m2的地面超载；其余边界均为位移约束边界。计算中所采用的材料参
数见表1。
在地下工程开挖中首先要进行初期分析，即对初始地应力场进行模拟。一般情况下把施工前的状态定义为初始状态，在这种状态下，土体的压缩变形及排桩的变形均已完成，土体与桩体达到平衡状态。只有当初始地应力场符合实际，才能开挖进行第二阶段的分析研究。图3为模型的初始应力场的模拟结果，从图中可以看出主应力随深度的变化符合一般的地应力变化规律，表明所建立的模型较好地反映了初始地应力场，也说明所建立的模型合理、施加的边界条件合理。
3 、三维数值模拟结果分析
本次模拟共划分了10个阶段，阶段1为初始应力场的模拟，按施工方法先开挖左线隧道，再开挖右线隧道。每个隧道的开挖遵循“上台阶开挖一施加初衬一下台阶开挖一施加初衬一施加二衬”的步序进行，并按不利的情况处理，即隧道划分为两个台阶进行开挖。在分析中主要讨论了左线隧道的情况，右线隧道具有类似的结果。
3．1 位移变化特征
3．1．1 竖向位移变化特征
地铁开挖破坏了原有的平衡状态，必然产生位移，在隧道拱顶以上土体产生了向下的位移，造成土体的附加沉降。本文选取了桥梁上部结构3个测点、河床3个测点及桥桩2个测点进行分析(见图4)。图5为桥梁上部结构3个点随隧道开挖的位移变化图。从图中可以看出，由于先开挖左线隧道，因此最大下沉点在1号点，沉降达1 em，左右线开挖完成并施加二衬后，3个点的沉降趋于一致，稳定在0．6 em。河床底3个点的变化较大，隧道开挖对2号点的影响不大，1号点与3号点的沉降均达到3 cm。在隧道周围的桥桩垂直位移变化见图6，从图中可以看出左线隧道开挖后引起的桥桩沉降最大达到1．5 cm，由于右侧桩距离隧道较近，其受到隧道开挖的影响较大，随着二衬的施加，桥桩的竖向位移趋于稳定。由桥桩的垂直沉降可以估算出桥桩的差异沉降，從计算结果看，在垂直隧道轴线方向的相邻桥桩差异沉降为0．34 cm，而在平行隧道轴线方向桥桩的差异沉降达到1．1 Cm，超出了一般规定要求(5 mm)。
3．1．2 水平位移变化特征
图7为隧道开挖后桩基的变形图。从图中可以看出在隧道周围的桩基产生了明显的指向隧道内侧的变形。隧道开挖完毕施加初衬后，桩基的变形最大为+1 cm(距隧道0．73 m)、一1．2 cm(距隧道0．55 m)，右侧桩的变形受到右线隧道开挖的影响具有减小的趋势。3．2 破坏分析在三维模拟分析中，虽然采用了弹性模型，但软件提供了材料的强度参数，可按弹性分析结果进行材料的破坏性分析。3D一α将反映单元应力状态的摩尔圆的半径r与圆心至破坏曲面(强度曲线)之间的最短距离h之比(卵=r／h)定义为破坏接近程度。其含义为：当卵<1时，围岩没有发生破坏，处于稳定状态；当田=1时，围岩的稳定性处于极限平衡状态；当田>1时，围岩发生破坏。从分析结果看，在隧道周围的土体破坏接近度均大于1，表明土体发生破坏；隧道周围的桥桩由于产生了过大的“拉伸”也出现了破坏接近度大于l的情况。土体的破坏由于有桥桩的限制，有沿垂直拱顶向河床底部发展的趋势，类似于砂土中的破坏趋势。桥梁上部结构由于桥桩过大的差异沉降而产生了应力集中区，甚至出现了拉应力，危及桥梁的安全使用。
3.2破坏分析
从上述分析知，隧道开挖后，桥桩不仅产生垂直方向上的位移，还产生水平方向的位移。究其原因主要是隧道收敛变形产生的地表及土体的沉降引起的。桥桩过大的差异沉降将造成桥梁上部结构的变形，当变形过大时将危及桥梁结构的使用功能。因此控制隧道本身的变形对防止桥梁产生过大的变形具有重要意义。预加固技术是利用一些技术手段对软弱土层进行加固，以提高土体的自稳能力，限制土体的变形，这在保证开挖面的稳定及控制土体变形是一种不可缺少的手段，隧道施工严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤测量”的18字方针，以合理地利用围岩的自稳能力，尽量减少开挖隧道对围岩的扰动。根据隧道开挖后围岩、地表及桥桩的变形特点，施工中的监控测量显得非常重要。
4 、对施工监测的建议
施工监测应包括3部分：地层位移监测、隧道本身的变形监测及桥桩的监测。地层位移监测主要内容为：地表沉降、隧道两侧地层水平位移；隧道监测的主要内容为：拱顶下沉、净空收敛及底板隆起；桥桩主要监测其沉降及差异沉降。隧道开挖中，应用每天量测若干次的监测频率很难满足施工要求，因此应采用一些先进的技术进行动态的实时监测。这些方法有个共同特点是24 h连续传输数据，且安装方便，不影响桥梁的正常使用哺]。如，电水平尺是美国Slope Indicator公司推出的测量物体倾斜(即两点间高差)的精密仪器，可以监测桥桩、地面及道床的不均匀沉降，可进行24 h的连续监控，具有极高的精度(能测出1 m长的物体两端产生5¨m高差)，并实现自动报警，这对测量要求极高的桥桩差异沉降显得十分重要；巴塞特收敛系统是由美国90年代中期推出的隧道断面收敛自动量测系统，其主要用途为：记录隧道或其它地下洞室开挖时开挖轮廓的变化过程，以确保其在建筑物施工期间的安全，并以它的安全为标准来控制施工速度；固定式测斜仪可以代替滑动式测斜仪进行24 h不间断自动量测，主要测量地层的水平位移，利用计算机和通讯技术可以实现远距离的数据实时监测，特别适合于隧道穿越桥梁、地铁区间及车站的监控。这样通过地面、地下两副眼睛对桥桩及隧道进行全方位的監测，确保桥梁的正常使用与隧道施工的安全。
结束语
总而言之，随着社会的不断发展与进步，重视盾构隧道施工引起的地层位移对既有桥梁桩基的影响分析具有重要的意义。
参考文献
1．张志强，何川．地铁盾构隧道近接桩基的施工力学行为研究[J】．铁道学报，2003，25(1)：92—95．
2．王善勇，唐春安，王述红，陆培炎．地铁开挖对地基沉降影响的数值分析[J】．东北大学学报(自然科学版)，2002，23(9)：888—890．
3． 刘波，叶圣国，陶龙光，唐孟雄．地铁盾构施工引起邻近基础沉降的FLAC元数值模拟[J】．煤炭科学技术，2002，30(10)：10—12．
4．刘军．地下工程围岩稳定性研究【D]．成都：成都理工大学，2001．
5．张、况，孔恒．地层预加固技术的研究现状和方向[J]．市政技术，2004，(增刊)：74—81．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词盾构 隧道 施工 地层 位移 桥梁 桩基
Abstract: the shield law has become China's urban subway construction an important construction method, construction of ground subsidence caused by the influence of the surrounding environment is design of shield tunnel in construction and very important question. This paper according to a subway tunnel through constructing project, on business software data simulated, and the calculated results and the measured results were compared and analyzed in this paper, research the tunnel excavation of the displacement produced both to the influence of the bridge pier, and put forward the corresponding proposal.
Keywords: shield tunnel construction formation displacement bridge pile foundation
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
引言
随着城市集约化的发展，充分利用城市地下空间是十分必要的。地铁作为现代城市大规模快速客运系统的一个重要组成部分，极大地缓解了市区地面交通的拥挤阻塞状况，对改善城市交通和促进城市经济发展发挥着重大作用，被认为是城市的生命线工程。而城市地铁施工往往要受到环境和施工条件的限制，因此近接既有构筑物工程大量涌现，在这种情况下，如何把对环境的影响减少到最低限度，是地铁在近距离条件下施工的核心问题。北京地铁隧道多处穿越桥梁。地铁开挖引起的土层沉降、应力变化对既有桥梁的正常使用将产生一定影响，往往会引起桩基础的沉降，造成桥梁上部结构的变形，当变形过大时将危及结构的使用功能，因此对施工技术要求高，这也是设计者和施工单位所关心的问题。这一现象也引起了地下工程界、岩土工程界的广泛重视。
1、工程概况
拟建场区以第四纪冲积、洪积地层为主，围岩类别属于Ⅳ类。隧道围岩以粉土与粉质粘土为主，结构顶板及底板均埋置于粉质粘土中。拟建地铁隧道下穿某跨河桥，跨河桥为3跨简支梁结构，下部结构形式为桩接墩，跨径分别为6．7 m、30．9 m，隧道拱顶距河床底分别为10．3 m、8．4 m。地铁隧道为马蹄形断面，左线距离两侧桩基分别为0．73 m、0．55 m，右线距离两侧桩基分别为1．03 m、0．61 m。跨河桥宽49 m，长44．6 m，桥基为混凝土灌注桩排桩，直径41 200 mm。 隧道采用矿山法施工，上下台阶开挖，复合式衬砌，由钢格栅加喷射混凝土的初期支护与模筑混凝土的二次衬砌构成，两次衬砌之问设置柔性卷材防水层。初衬采用C20喷射混凝土，二衬采用C30模筑混凝土。开挖中对拱顶及开挖边缘地层进行小导管超前注浆，分步开挖土方、分步架设钢格栅及喷射混凝土，在上一步初衬的保护下开挖下一步土方。
2 、计算模型
根据原形建立图2所示的计算模型。计算模型共剖分单元16459个，节点73 400个，隧道周围网格适当地加密，以精确地反映其应力应变特征。计算模型上部边界为自由面，按设计要求施加了20 kN／m2的地面超载；其余边界均为位移约束边界。计算中所采用的材料参
数见表1。
在地下工程开挖中首先要进行初期分析，即对初始地应力场进行模拟。一般情况下把施工前的状态定义为初始状态，在这种状态下，土体的压缩变形及排桩的变形均已完成，土体与桩体达到平衡状态。只有当初始地应力场符合实际，才能开挖进行第二阶段的分析研究。图3为模型的初始应力场的模拟结果，从图中可以看出主应力随深度的变化符合一般的地应力变化规律，表明所建立的模型较好地反映了初始地应力场，也说明所建立的模型合理、施加的边界条件合理。
3 、三维数值模拟结果分析
本次模拟共划分了10个阶段，阶段1为初始应力场的模拟，按施工方法先开挖左线隧道，再开挖右线隧道。每个隧道的开挖遵循“上台阶开挖一施加初衬一下台阶开挖一施加初衬一施加二衬”的步序进行，并按不利的情况处理，即隧道划分为两个台阶进行开挖。在分析中主要讨论了左线隧道的情况，右线隧道具有类似的结果。
3．1 位移变化特征
3．1．1 竖向位移变化特征
地铁开挖破坏了原有的平衡状态，必然产生位移，在隧道拱顶以上土体产生了向下的位移，造成土体的附加沉降。本文选取了桥梁上部结构3个测点、河床3个测点及桥桩2个测点进行分析(见图4)。图5为桥梁上部结构3个点随隧道开挖的位移变化图。从图中可以看出，由于先开挖左线隧道，因此最大下沉点在1号点，沉降达1 em，左右线开挖完成并施加二衬后，3个点的沉降趋于一致，稳定在0．6 em。河床底3个点的变化较大，隧道开挖对2号点的影响不大，1号点与3号点的沉降均达到3 cm。在隧道周围的桥桩垂直位移变化见图6，从图中可以看出左线隧道开挖后引起的桥桩沉降最大达到1．5 cm，由于右侧桩距离隧道较近，其受到隧道开挖的影响较大，随着二衬的施加，桥桩的竖向位移趋于稳定。由桥桩的垂直沉降可以估算出桥桩的差异沉降，從计算结果看，在垂直隧道轴线方向的相邻桥桩差异沉降为0．34 cm，而在平行隧道轴线方向桥桩的差异沉降达到1．1 Cm，超出了一般规定要求(5 mm)。
3．1．2 水平位移变化特征
图7为隧道开挖后桩基的变形图。从图中可以看出在隧道周围的桩基产生了明显的指向隧道内侧的变形。隧道开挖完毕施加初衬后，桩基的变形最大为+1 cm(距隧道0．73 m)、一1．2 cm(距隧道0．55 m)，右侧桩的变形受到右线隧道开挖的影响具有减小的趋势。3．2 破坏分析在三维模拟分析中，虽然采用了弹性模型，但软件提供了材料的强度参数，可按弹性分析结果进行材料的破坏性分析。3D一α将反映单元应力状态的摩尔圆的半径r与圆心至破坏曲面(强度曲线)之间的最短距离h之比(卵=r／h)定义为破坏接近程度。其含义为：当卵<1时，围岩没有发生破坏，处于稳定状态；当田=1时，围岩的稳定性处于极限平衡状态；当田>1时，围岩发生破坏。从分析结果看，在隧道周围的土体破坏接近度均大于1，表明土体发生破坏；隧道周围的桥桩由于产生了过大的“拉伸”也出现了破坏接近度大于l的情况。土体的破坏由于有桥桩的限制，有沿垂直拱顶向河床底部发展的趋势，类似于砂土中的破坏趋势。桥梁上部结构由于桥桩过大的差异沉降而产生了应力集中区，甚至出现了拉应力，危及桥梁的安全使用。
3.2破坏分析
从上述分析知，隧道开挖后，桥桩不仅产生垂直方向上的位移，还产生水平方向的位移。究其原因主要是隧道收敛变形产生的地表及土体的沉降引起的。桥桩过大的差异沉降将造成桥梁上部结构的变形，当变形过大时将危及桥梁结构的使用功能。因此控制隧道本身的变形对防止桥梁产生过大的变形具有重要意义。预加固技术是利用一些技术手段对软弱土层进行加固，以提高土体的自稳能力，限制土体的变形，这在保证开挖面的稳定及控制土体变形是一种不可缺少的手段，隧道施工严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤测量”的18字方针，以合理地利用围岩的自稳能力，尽量减少开挖隧道对围岩的扰动。根据隧道开挖后围岩、地表及桥桩的变形特点，施工中的监控测量显得非常重要。
4 、对施工监测的建议
施工监测应包括3部分：地层位移监测、隧道本身的变形监测及桥桩的监测。地层位移监测主要内容为：地表沉降、隧道两侧地层水平位移；隧道监测的主要内容为：拱顶下沉、净空收敛及底板隆起；桥桩主要监测其沉降及差异沉降。隧道开挖中，应用每天量测若干次的监测频率很难满足施工要求，因此应采用一些先进的技术进行动态的实时监测。这些方法有个共同特点是24 h连续传输数据，且安装方便，不影响桥梁的正常使用哺]。如，电水平尺是美国Slope Indicator公司推出的测量物体倾斜(即两点间高差)的精密仪器，可以监测桥桩、地面及道床的不均匀沉降，可进行24 h的连续监控，具有极高的精度(能测出1 m长的物体两端产生5¨m高差)，并实现自动报警，这对测量要求极高的桥桩差异沉降显得十分重要；巴塞特收敛系统是由美国90年代中期推出的隧道断面收敛自动量测系统，其主要用途为：记录隧道或其它地下洞室开挖时开挖轮廓的变化过程，以确保其在建筑物施工期间的安全，并以它的安全为标准来控制施工速度；固定式测斜仪可以代替滑动式测斜仪进行24 h不间断自动量测，主要测量地层的水平位移，利用计算机和通讯技术可以实现远距离的数据实时监测，特别适合于隧道穿越桥梁、地铁区间及车站的监控。这样通过地面、地下两副眼睛对桥桩及隧道进行全方位的監测，确保桥梁的正常使用与隧道施工的安全。
结束语
总而言之，随着社会的不断发展与进步，重视盾构隧道施工引起的地层位移对既有桥梁桩基的影响分析具有重要的意义。
参考文献
1．张志强，何川．地铁盾构隧道近接桩基的施工力学行为研究[J】．铁道学报，2003，25(1)：92—95．
2．王善勇，唐春安，王述红，陆培炎．地铁开挖对地基沉降影响的数值分析[J】．东北大学学报(自然科学版)，2002，23(9)：888—890．
3． 刘波，叶圣国，陶龙光，唐孟雄．地铁盾构施工引起邻近基础沉降的FLAC元数值模拟[J】．煤炭科学技术，2002，30(10)：10—12．
4．刘军．地下工程围岩稳定性研究【D]．成都：成都理工大学，2001．
5．张、况，孔恒．地层预加固技术的研究现状和方向[J]．市政技术，2004，(增刊)：74—81．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。