隧道盾构施工对临近桥梁桩基的影响研究

隧道盾构施工对临近桥梁桩基的影响研究

郑淼鑫,李国庆,吕姚

中铁隧道股份有限公司  河南省郑州市 450001

摘要：总结多年的工程实践，可以看出，隧道盾构施工将会使土体的平衡状况发生变化，同时，盾构在挖掘过程中会对土壤产生压力，导致地下水渗入，周边土壤发生变形，使地表出现凹陷或凸起。若盾构工程场地周边有基础地基等关键建筑物，在桥梁桩基未加防护的情况下，盾构会对地基的稳定和变形都会造成不利影响。

关键词：隧道盾构施工；桥梁桩基；影响

目前已有的隧道开挖方式有很多，但由于大部分隧道都是在市区较为繁华的地段，周边有大量的车辆、行人，以及各种管道，如污水管道、水管、燃气管道等，而且周边还有大量的建筑物，因而在城市地铁隧道中采用明挖等开挖方式是不合适的。随着城市地下空间的不断开发，城市轨道交通建设技术也在发生着变化与革新，而盾构施工技术也随之发展。盾构施工在近几年中得到了广泛的应用。采用盾构法进行隧道开挖具有诸多优势。采用盾构法施工，利用盾构箱体进行支护，并在尾段进行管片拼装、注浆补强，保证了盾构在施工期间的安全、有序；盾构法不会受到其他地表条件的影响，对地面交通的影响也不大；盾构法是一种快速、机械化的施工方法。由于其优越性，在城市轨道交通中已被广泛采用。虽然隧道盾构法有着许多优点，但是在城市轨道交通中必然要经过人群密集、周边环境复杂、地下市政管线纵横交错的地区，从而会对周边环境造成一定的影响。若光线较弱，则会使周边基础承载能力下降，地面会上升或下降。在发生较大的地震后，将会对周边房屋、结构的地基产生破坏，使房屋发生开裂、倾斜，甚至引起房屋的不稳定、损坏，危及房屋的正常使用，并在一定程度上影响到人们的人身、财产得安全。

1.盾构施工桥梁桩基影响机理

隧道盾构法是一种在隧道工程中应用较长的工程技术，与其他施工方法比较，盾构法具有隐蔽、污染小、对环境影响小等特点。但盾构法在工程建设中也有一定的安全风险。由于隧道的开挖，造成了水土流失、地下水大量释放等问题，从而引起了地表的变形。土体的压力会使桥梁桩基发生变形，进而对邻近建筑物的安全产生不利的影响。当工作面上的压力太大时，结构下的土壤流失，会使地表发生变形；在工程建设中，地基的变形将会对邻近建筑物产生一定的破坏。因此，在盾构施工中，对地层及临近桥梁地基的变形进行分析是十分必要的。

1.1.1盾构法施工影响地层变形分析

在盾构工程中，有许多原因导致了盾构面的变形。首先，由于地基的挖掘而产生的地表沉陷，盾构施工中对挖掘前方的土体的挤压作用、尾部空隙的挤压作用以及盾构的移动对周边地层的摩擦力等因素的影响；其次，地层固结、排水等原因造成的地表塌陷，在盾构法施工中，土层的原有平衡状态发生了变化，尤其是在高含水率的情况下，因开挖引起的渗漏，使土壤失去动力，从而引起桥梁桩基的固结沉降和变形；最后，二次固结沉陷，在盾构附近的土体失稳后，必须经过相当长的一段时间才能使其稳定下来，使其处于一个新的平衡状态。由于蠕变作用而产生的地面沉降则叫做二次固结沉降。因此，在盾构施工过程中，开挖沉降、固结沉降、二次固结沉降是导致地面变形的主要原因。

1.1.2盾构对桥梁桩基的影响分析

在进行隧道施工之前，可以保证桥梁桩基础的稳定性。它不会受到高层交通和人流的干扰。由于盾构施工而产生的土体变形，使基础与土体的平衡受到破坏。在盾构通过或将要到达已有的桩基础时，隧道、地基、土壤以及上部结构成为一体，它们互相作用、互相影响，直至达到稳定、平衡的目的。盾构施工对桥梁桩基产生的影响有：一是由于在盾构施工中，周边土体产生了一定的变形，从而对邻近的桥梁桩基产生不利的影响，从而造成地基的下沉，从而影响桩的上部承载能力。二是在盾构施工时，因盾构在开挖时与前面的土体发生横向位移，从而使桥梁桩基发生横向位移，从而对上部结构的稳定产生不利的影响。三是如果桩基与隧道的位置关系是垂直的，那么在开挖过程中，桩端的承载能力会降低，而在地表载荷的作用下，则会产生沉降。在盾构施工中，由于基坑顶部的土体发生竖向位移，造成了桩身的负摩阻。在实际工程中，桩基通常使用比地基更高的混凝土结构。在盾构施工中，由于土层与桩基之间的相互作用，使其产生了较大的变形。桩基的内力再分配将引起基础承载力的改变，从而引起桩体的沉陷。在沉桩时，桩身的各个部位因其轴向刚度比较大而产生的沉陷几乎是一致的。在隧洞施工中，由于地基的横向位移，会使邻近的桥梁桩基发生横向变形，从而产生附加的弯矩。如果桥梁桩基发生较大的变形，将对地基产生严重的破坏，从而对上部结构的稳定产生不利的影响。桩身的横向位移与其自身的刚度密切相关。在高强度的基础上，基坑开挖对水平位移的影响不大；在桩身刚度低的情况下，盾构施工对基础产生了很大的影响。土体的变形与其变形有很大关系。在盾构开挖过程中，土层的变形量大，对桩顶产生的作用越大。

2.隧道施工对临近桥梁桩群被的影响研究

在实际的降道施工中，在靠近立柱基础处存在建筑物的情况下，危险路段也会出现较多的桩群。由于土、桩、承台之间的相互影响，单桩与群桩之间的受力变形与传递过程比较复杂，所以它的应力和变形问题非常复杂。沉降问题应该得到综合的考虑。拿群桩来说，有很多因素会引起他们之间的交互作用影响，例如承台设置方法，外部荷载大小，土壤剖面变化，土壤类型和特性，桩基地基施工及施工工艺，成桩工艺及分析群桩的几何构造。目前，采用变分法、混合法、有限单元法、弹性理论法、等效基法是目前研究的热点。弹性理论法在实际中应取得较好的应用效果。弹性理论是建立在单桩与地基的相互作用基础上的。利用应力叠加原理，将两根桩在弹性介质中的作用因子推广到一套桩基上。在群桩受外荷载的情况下，隧道对邻近群桩的影响分析是不同的。

在进行路基施工之前，可以忽略其他几个方面。可以将桩体看作是一个不受外力作用的平衡体系。这是建立在忽视其他因素的基础上的。在进行危险路段开挖时，的基因周边土体的运动，会引起地基的内力和附加的变形，使桩身承受更大的向下阻力，使地基承受能力下降，引起地基发生碰撞，造成地基结构损坏。在桩群中，一般采用整体分析法和两步法来进行风险挖掘。采用数值分析法进行隧道开挖过程中，对周边的桩基、土体进行整体分析。采用有限差分法、有限元法等多种方法进行了数值计算与分析。整体有限元计算可以同时兼顾地基的复杂性，土壤的各向异性，被动柱群中的结构和柱子的相互作用，以及柱土的相互作用。但由于采用了专门的仿真软件，建模过程十分繁琐，参数化的研究难度较大，因而工作量较大。阶段分析法主要分为两个阶段，分别对桩基工程施工中的危害进行了研究，两步法较全面分析法更易于被接受，且试验和计算都比较简便。

3.结语

总之，盾构法在工程建设中的应用日益广泛。现在，很多城市都在为建设地下铁路做准备。随着地下线路的日益增多，盾构工程必然会给已有的建筑物和地基带来极大的冲击。在盾构施工中，如何降低地面沉降，降低相邻桩基础的影响，一直是一个迫切需要解决的问题。

参考文献：

[1]王平易，张凯翼.隧道盾构施工对邻近桥梁桩基的影响研究[C]/第十四届全国边坡工程技术大会论文集.[出版者不详],2022:45-54.

[2]肖昭然，隧道盾构施工对邻近既有桥梁桩基影响研究.河南省，河南工业大学，2020-10-17.