盾构隧道施工对既有桥梁基础的影响分析

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1、66世界桥梁2013，41(4)盾构隧道施工对既有桥梁基础的影响分析李光伟(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)摘要：针对采用盾构法进行隧道施工时对临近的既有桥梁安全性造成威胁的情况，以城轨线盾构隧道近距离下穿京沪高速铁路桥梁的实际工程为背景，分析盾构隧道施工对既有桥梁基础的影响。采用大型有限元软件ABAQUS建立铁路桥群桩基础、隧道及周围土体的三维有限元模型，模拟盾构隧道开挖过程，并对铁路桥基桩的位移、倾斜及内力的变化情况进行分析。分析结果表明：隧道盾构掘进过程中，邻近的既有桥梁基桩沿水平方向及隧道掘进方向产生了位移，同时

2、发生倾斜；隧道盾构掘进引起的地层扰动，不仅使周围土体及基桩产生沉降，而且导致基桩产生一定的附加力，降低了桩基础的承载力。关键词：铁路桥；桩基础；隧道施工；盾构法；位移；受力分析；有限元法中国分类号：U443．15文献标志码：A文章编号：1671—7767(2013)04—0066—051引言盾构隧道施工对既有桥梁安全性造成威胁的情况，盾构法为目前修建地铁隧道的主流施工方法，本文以拟建中的南京至高淳城际快速轨道南京南站具有对周围环境影响小、施工安全快速等优点Ⅲ。至禄口机场段隧道工程(简称城轨线)为背景，分析盾构法施工过程中，经常以地表的沉降值指

3、导盾构盾构隧道施工对既有桥梁基础的影响。推进]。隧道开挖掘进引起地层的位移会降低已有结构基础的承载力，同时引起附加变形、差异沉降2工程概况以及侧向位移。当地层变形超过一定范围时，就会拟建城轨线盾构隧道为南北走向的双线隧道，危及邻近结构物的安全，特别是对于埋置较深、与隧左、右线间距30m，隧道埋深约29m。该隧道近距道的相对位置较近的桩基础，这种影响往往更加严离下穿京沪高速铁路高架桥，铁路线路与隧道夹角重_5]。因此，在隧道施工前，应正确预测和掌握隧约77。，隧道洞身离铁路桥基桩最小净距仅4．8m道施工对沿线结构物可能造成的不利影响，为完善(见

4、图1)。盾构管片相关参数为：隧道外径6200隧道设计以及隧道施工提供技术支持和参考。针对mm、内径5500mm，管片厚度350mm，每环宽度】0．205040034002OBO1n梁缝中I=_、线9蚕9一蓬．三{L’

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9、560L560~_S6oL560560图1盾构隧道与京沪高铁桥梁桩基础的关系收稿日期：2013—03—20作者简介：李光伟(1962一)。男，工程师，1998年毕业于长沙铁道学院铁道工程专业(E-mail：liguangwei757@163．corn)。盾构隧道施工对既有桥梁基础的影响分析李光伟67

10、1200mm。隧道穿越铁路桥桥墩处的岩土从上至下主要4盾构施工过程模拟及计算结果分析为：①一2b2—3，素填土，稍湿～湿，由软～可塑状4．1盾构施工过程模拟-粉质黏土组成；③一lbl一2，粉质黏土，饱和，可塑对盾构施工过程进行模拟，共分为以下几个步～硬塑，中压缩性；③一262—3，粉质黏土，饱和，软骤：①初始地应力场平衡。②施加群桩基础承台的～可塑，中压缩性；Klg一2，强风化粉砂岩，风化强表面荷载。③指定隧道开挖位置。该步骤的主要作烈，岩石结构完全破坏，岩芯呈砂土状；Klg一3，中用是消除边界约束的影响。由于盾构机并不是从端风化粉砂岩，风化

11、较弱，岩石较完整，呈短～中柱状。部开始掘进，而是离端部有一定距离，因此先将盾构机后部隧道内的土体单元去除，再将衬砌位置采用3有限元模型及计算参数混凝土材料代替。④隧道开挖。该步骤中隧道为同3．1有限元模型步开挖且及时注浆，通过设置10cm厚的等代层来采用大型有限元软件ABAQus建立铁路桥群模拟浆体材料。衬砌的外半径为3．1m，内半径为桩基础、隧道及周围土体的三维有限元模型(见图2．75m。另外，开挖过程中，对开挖表面施加均布2)，模拟盾构隧道掘进开挖过程对铁路高架桥的影荷载以模拟推进面土体上的压应力(盾构机的推进响。建模时，选取土体的尺寸为

12、：长(顺铁路桥方向)力)。一般将盾构机的推进力设置为总推力的1／3，100m，宽(盾构掘进方向)30m，高(地层厚度)40由于盾构机的推力正常值在1000013000kN，因m。模型中土体、管片结构、注浆层、承台及基桩均此本次计算中对开挖土体表面施加150kPa的均布采用空间8节点实体单元模拟。计算过程中，桩土荷载以模拟推进力。由于不同开挖步长对计算结果间摩擦效应采用面一面接触单元模拟，应力～应变的的影响较小，计算过程中盾构机向前推进的步长根本构理论采用Mohr—Coulomb线弹塑性模型r7叫]。据相应的网格划分情况而定，通过ABAQUS的

13、单元生死技术模拟土体开挖，每个开挖步将1个步长的土体挖掉，并增加衬砌和浆体。隧道开挖示意如图3所示。开挖步3开挖步6lIJ．．r—]llIl(a)隧道及周围土体(b