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摘要：众所周知，地铁施工必然扰动周围地层，因而有可能致使一定范围内近接桥桩发生过大绝对沉降或差异沉降，从而影响桥梁的正常使用，甚至危及桥梁安全。因此在新建隧道施工过程中如何经济有效的保证既有结构和施工的安全，已成为一项亟待解决的重要课题。本文针对这一课题浅谈了隧道施工引起地层位移对桥梁桩基的影响分析。
关键词：隧道施工 地层位移 桥梁桩基 影响
Abstract: as we all know, the subway construction inevitable around disturbance formation, so that may cause a certain range by bridge pier happened near absolute settlement or too different subsidence, which affects the normal use of the bridge, and even endanger the safety of bridge. So in the new tunnel construction is the process of how to effectively guarantee both economic structure and construction of the security has become an urgent important topic. This paper discuss the topic of tunnel construction of the bridge pile foundation formation cause displacement of the impact analysis.
Keywords: tunnel construction bridge pile foundation formation displacement effect
中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：
引言
隧道施工中伴随着地层应力状态的改变，相应地引起地层的位移和变形，从而可能影响到既有建、(构)筑物，当变形达到一定程度时，将影响到已有建(构)筑物安全及正常使用。因此，隧道开挖最为关键的问题之一就是对邻近建(构)筑物影响的分析和评估。目前，国内外大部分研究都是集中于地表沉降的预测以及土体沉降对周围建(构)筑物基础不均匀沉降的影响。特别是对于建筑物桩基，运用桩土之间相互作用机理，就桩基在土体变形影响下的响应进行了一些研究。但是对于在施工中如何控制桩．基的变形，尤其针对既有桥桩，采用注浆加固地层的方式进行控制研究还很少。因此，本文以实例分别对注浆前后地层和桩基变形进行了数值模拟分析，通过实测结果评估注浆加固对控制桩基变形的影响。由此丰富了浅埋暗挖施工技术的内容，对以后的施工具有指导意义。
1.已有建(构)筑物桩基在开挖卸荷
作用下的变形机制在城市建设中，桩基础以其巨大的承载潜力、抵抗复杂荷载的特殊性能及对各种地质条件的良好适应性而成为建(构)筑物的主要基础型式。因此，在隧道施工中，将不可避免地穿越桩基。隧道、土体、桩基以及上部结构处于一个共同作用的完整体系中，四者之问的相互作用如图l所示。
土体是上述体系的关键元素，隧道开挖对桩基的影响通过土体与桩基的相互作用关系直接体现为桩基承载能力的损失，桩基础的极限承载能力主要包含两层含义：一是桩基自身的极限承载能力；二是支承桩基的地基土极限承载能力。在施工过程中，桩基对整个桥体的沉降会产生较大的影响。一方面隧道的开挖破坏了周围土体的密实性，使土中应力减小，减弱了下部土体对上部土体和构筑物桩基的承载能力；另一方面，由于隧道开挖断面距桥桩较近，隧道的开挖将会减弱隧道两侧桥桩和土体间的摩擦力，使桥桩承载力产生较大损失，从而产生桩体的水平位移和竖直沉降。在这里地基土的极限承载能力占主导地位。在近接桩基隧道工程施工中，桩基承载能力损失的本质在于桩侧负摩阻力的产生。桩侧土层受到扰动而产生一定沉降，并且其沉降量将大于桩的沉降，即桩侧土体将产生相对于桩向下的位移，从而产生沿桩侧表面的负摩阻力。对桩产生附加的压应力，引起桩基沉降。但负摩阻力并不是发生于整个土层深度内，它同桩与隧道的位置关系、土层的性质、桩底持力层的刚性以及桩的长度等因素有关。在隧道影响范围(以45 + /2的塌落角，由隧道底部向地表延伸)之外，桩侧土与桩之间不再发生相对位移，这时负摩阻力为0。在这深度以下，桩侧仍为向上作用的正摩阻力，正负摩阻力变换处为中性点。因此，在考虑隧道施工对桩的沉降影响时(图2)，主要研究中性点以上负摩阻力所产生的下拽荷载对桩的影响，如图3所示。此时，桩身荷载的传递模式如图4所示。由于桩周围土体是分层的，所以，可将桩看成若干个等分的桩单元，并用连续分布的弹簧来表示桩与桩侧土之间的相互作用，桩端与桩端下的土体相互作用也通过弹簧来表示。另一方面，在隧道施工中，由于桩基两侧土体应力的不平衡，桩基将产生偏向隧道方向的水平偏移，严重时可能造成桩体的屈曲变形。
2.注浆加固地层机制
土层中注浆是通过浆液在土体中的四种运动形式，即充填、渗透、挤压和劈裂来达到加固土体的目的。这四种运动形式并不是单独存在的，当浆液以综合运动形式挤入土体时，注浆才最有效。对于不同土层，其注浆机制是不同的。
当地层主要以黏性土为主时，注浆形式主要为劈裂注浆。因黏性土的孔隙率较低，固结水平较高，难以渗透，在此情况下进行注浆，必须有较大的注浆压力。当浆液积聚的能量快速增加达到某一值时，浆液才能注入到土层中去，这时土体发生劈裂，劈裂面发生在阻力最小主应力面(见图5)。当注浆材料进入地层后，在钻孔附近形成网状浆脉，通过浆脉挤压土体和浆脉的骨架作用加固土体，即在地层中形成固结体。随着固结体强度的增长，地层性能随之变化，即地层的重度提高、含水率及孔隙率降低、围压增大、孔隙的大小分布及地层的尺寸效应发生变化，从而改变土层力学性质，提高地层的强度和稳定性。因此，在隧道与桩基周围地层进行注浆加固时，一方面，使桩周及桩底土体的密度和整体性都得到较大提高，从而增强了土体强度和刚度，减少开挖对土层的扰动范围和变形量；另一方面，桩周摩阻力和桩底阻力大大提高，起到减小桩基沉降的作用。
3.工程实例
3.1实例概况
该工程区间隧道通过的地层主要有：①粉质黏土为褐黄色，可塑、局部硬塑；②粉土，为褐黄或棕黄色，密实，很湿；③粉细砂，为褐黄色，密实，饱和。地面标高为35.7m，结构埋深为15.893m。
拟建盾构区间隧道为双线，区间南北走向，左右线间距约47.6m，隧道埋深约为17.42m，铁路线路东西走向。在该处紧邻设置了1座双孔简支梁桥和2座单孔框架式地道桥，梁桥在中间，地道桥在两侧。框架式地道桥的结构净空为5.8m×8.5m(H×W)；构件尺寸：顶板100cm，底板90cm，边墙75cm；桥下使用净高3.0m。简支梁桥每跨12.5m，橋台、桥墩均采用桩基，为 8oomm的钻孔灌注桩。
盾构隧道与桥梁的关系见图5
隧道采用土压平衡盾构法施工．盾构管片外径6m，厚度0.3m。
圖5 立面图（单位：mm）
3.2计算模型
本模型采用FLAC岩土数值分析软件来进行模拟，建模完全按照实际勘测资料进行，计算模型的建立按照如下规则建立：①桩体采用线弹性材料，土层为匀质体，土体为弹塑性材料，服从摩尔-库伦屈服准则；②计算模型依据数值分析的建模理论，计算模型沿隧道纵向取为30m，沿隧道横向取为120m．地表以下50m，见图6；③边界条件采用位移边界条件，侧面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取为自由边界；④桩和土之间用命令定义接触面，接触面上允许滑动或者分离接触面，在桩土分析中，把桩土之间的作用通过两侧的连续弹簧来模拟。考虑法向和切向刚度。计算模型见图6
表1为地质勘查资料。按照勘察资料。对土层进行分层，分层后的模型见图7。
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。这种状态下，土体的压缩变形及排桩的
图6 计算模型图
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7 土层分层图
本模型所承受的荷载条件主要有： 土体自重应力；②模型顶面由铁路列车传递下来荷载；③地道桥面上的人行荷载；④铁路桥下的机动车荷载；⑤铁路桥桩基顶部的荷载。计算时考虑来往列车动荷载的作用，换算为地面均布荷载100kPa施加于模型顶部边界；框架地道桥的人群荷载取4kPa；铁路桥下机动车荷载取20kPa。考虑铁路桥上机动车荷载动荷载效应和梁、轨道、道床自重，传到桩基顶部的荷载为400kPa。计算后竖直方向的应力状态云图见图8
图8 初始应力状态云图
3.3三维数值模拟结果分析
本工程中，右线区间盾构隧道开挖边缘离西侧桥台桩基边缘的最近距离为3.324m，盾构隧道的顶部离桥桩底部0.517m。
左线区间盾构隧道的开挖边缘离东侧桥台桩基边缘的最近距离为10.167m。盾构隧道的顶部离桥桩底为0.517m。桥桩与盾构隧道的位置关系详见图9
图9 桩基与隧道的位置图（单位：mm）
在本文分析中，因为右线盾构隧道处的桩基离盾构隧道距离最近，所以主要讨论了右线隧道处桩基的变形。在数值模拟中，按实际施工方法先开挖右线隧道，再开挖左线隧道。每个盾构隧道模拟开挖时，采用循环语句进行模拟，盾构推力、管片背后注浆层都按照实际的情况进行模拟。
3.4竖向位移变化特征
地铁盾构隧道掘进开挖破坏了原有的平衡状态，盾构隧道上方及周围土体必然会发生位移，同时。桥梁桩基受土体位移的影响也会发生位移和变形。在本工程中，主要讨论临近右线盾构区间的西侧桥台的桩基受盾构隧道开挖的影响，桩基础平面布置图见图10。
图10 桩基础平面位置图
数值模拟结果表明，最靠近盾构隧道的l，3，5，7号桩基的竖向位移最大，达到10.9mm，2，4，6，8号桩基为9.8 mm；中间桥墩的桩基竖向位移约为4．8mm；离盾构隧道较远的东侧桥台的桩基桩顶沉降为3.6mm上下。经分析数值模拟结果，桩l桩顶的竖向沉降曲线图见图11。在自重平衡状态下盾构开始掘进开挖，在盾构接近桩基的过程中，周围土体及桩产生的应力场及位移场开始受到突然的改变。从图11可以看出，这一段曲线斜率的变化较后面的剧烈，原因在于开挖掘进力使原本稳定的应力场发生了突然改变；盾构机通过桩基后，桩顶沉降稳步增加，同时地表沉降趋于平稳。
图11 桩1桩顶竖向沉降曲线图
盾构机远离桩基时，桩顶沉降依然增加，但是增幅越来越小，也就是说桩顶的反应越来越小，可见盾构掘进的动态过程比较明显，每一步的递进效应也比较明显，因为整个过程自始至终都存在开挖掘进和桩顶荷载的复合作用。
结束语
通过理论分析、数值模拟以及工程的实际应用可以看出，当隧道近接桥桩施工时，控制既有桥桩在隧道开挖过程中的沉降，采用注浆加固地层在技术上是可行的，效果也足非常明显的。因此，在隧道施工过程中，对地层进行注浆加固以保证工程本身及周围建(构)筑物的安全是非常必要的。
参考文献
1.王杰，岩土注浆理论与工程实例[M],北京科学出版社，2001
2.刘军,北京地铁施工中若干环境岩土工程问题[J],市政技术，2004
3.刘军,地下工程围岩稳定性研究[D],成都理工大学，2001
4.刘晓苹，顾强，上海漕溪路立交桥桩基受地铁盾构推进的影响研究，上海市政工程，1996
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：隧道施工 地层位移 桥梁桩基 影响
Abstract: as we all know, the subway construction inevitable around disturbance formation, so that may cause a certain range by bridge pier happened near absolute settlement or too different subsidence, which affects the normal use of the bridge, and even endanger the safety of bridge. So in the new tunnel construction is the process of how to effectively guarantee both economic structure and construction of the security has become an urgent important topic. This paper discuss the topic of tunnel construction of the bridge pile foundation formation cause displacement of the impact analysis.
Keywords: tunnel construction bridge pile foundation formation displacement effect
中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：
引言
隧道施工中伴随着地层应力状态的改变，相应地引起地层的位移和变形，从而可能影响到既有建、(构)筑物，当变形达到一定程度时，将影响到已有建(构)筑物安全及正常使用。因此，隧道开挖最为关键的问题之一就是对邻近建(构)筑物影响的分析和评估。目前，国内外大部分研究都是集中于地表沉降的预测以及土体沉降对周围建(构)筑物基础不均匀沉降的影响。特别是对于建筑物桩基，运用桩土之间相互作用机理，就桩基在土体变形影响下的响应进行了一些研究。但是对于在施工中如何控制桩．基的变形，尤其针对既有桥桩，采用注浆加固地层的方式进行控制研究还很少。因此，本文以实例分别对注浆前后地层和桩基变形进行了数值模拟分析，通过实测结果评估注浆加固对控制桩基变形的影响。由此丰富了浅埋暗挖施工技术的内容，对以后的施工具有指导意义。
1.已有建(构)筑物桩基在开挖卸荷
作用下的变形机制在城市建设中，桩基础以其巨大的承载潜力、抵抗复杂荷载的特殊性能及对各种地质条件的良好适应性而成为建(构)筑物的主要基础型式。因此，在隧道施工中，将不可避免地穿越桩基。隧道、土体、桩基以及上部结构处于一个共同作用的完整体系中，四者之问的相互作用如图l所示。
土体是上述体系的关键元素，隧道开挖对桩基的影响通过土体与桩基的相互作用关系直接体现为桩基承载能力的损失，桩基础的极限承载能力主要包含两层含义：一是桩基自身的极限承载能力；二是支承桩基的地基土极限承载能力。在施工过程中，桩基对整个桥体的沉降会产生较大的影响。一方面隧道的开挖破坏了周围土体的密实性，使土中应力减小，减弱了下部土体对上部土体和构筑物桩基的承载能力；另一方面，由于隧道开挖断面距桥桩较近，隧道的开挖将会减弱隧道两侧桥桩和土体间的摩擦力，使桥桩承载力产生较大损失，从而产生桩体的水平位移和竖直沉降。在这里地基土的极限承载能力占主导地位。在近接桩基隧道工程施工中，桩基承载能力损失的本质在于桩侧负摩阻力的产生。桩侧土层受到扰动而产生一定沉降，并且其沉降量将大于桩的沉降，即桩侧土体将产生相对于桩向下的位移，从而产生沿桩侧表面的负摩阻力。对桩产生附加的压应力，引起桩基沉降。但负摩阻力并不是发生于整个土层深度内，它同桩与隧道的位置关系、土层的性质、桩底持力层的刚性以及桩的长度等因素有关。在隧道影响范围(以45 + /2的塌落角，由隧道底部向地表延伸)之外，桩侧土与桩之间不再发生相对位移，这时负摩阻力为0。在这深度以下，桩侧仍为向上作用的正摩阻力，正负摩阻力变换处为中性点。因此，在考虑隧道施工对桩的沉降影响时(图2)，主要研究中性点以上负摩阻力所产生的下拽荷载对桩的影响，如图3所示。此时，桩身荷载的传递模式如图4所示。由于桩周围土体是分层的，所以，可将桩看成若干个等分的桩单元，并用连续分布的弹簧来表示桩与桩侧土之间的相互作用，桩端与桩端下的土体相互作用也通过弹簧来表示。另一方面，在隧道施工中，由于桩基两侧土体应力的不平衡，桩基将产生偏向隧道方向的水平偏移，严重时可能造成桩体的屈曲变形。
2.注浆加固地层机制
土层中注浆是通过浆液在土体中的四种运动形式，即充填、渗透、挤压和劈裂来达到加固土体的目的。这四种运动形式并不是单独存在的，当浆液以综合运动形式挤入土体时，注浆才最有效。对于不同土层，其注浆机制是不同的。
当地层主要以黏性土为主时，注浆形式主要为劈裂注浆。因黏性土的孔隙率较低，固结水平较高，难以渗透，在此情况下进行注浆，必须有较大的注浆压力。当浆液积聚的能量快速增加达到某一值时，浆液才能注入到土层中去，这时土体发生劈裂，劈裂面发生在阻力最小主应力面(见图5)。当注浆材料进入地层后，在钻孔附近形成网状浆脉，通过浆脉挤压土体和浆脉的骨架作用加固土体，即在地层中形成固结体。随着固结体强度的增长，地层性能随之变化，即地层的重度提高、含水率及孔隙率降低、围压增大、孔隙的大小分布及地层的尺寸效应发生变化，从而改变土层力学性质，提高地层的强度和稳定性。因此，在隧道与桩基周围地层进行注浆加固时，一方面，使桩周及桩底土体的密度和整体性都得到较大提高，从而增强了土体强度和刚度，减少开挖对土层的扰动范围和变形量；另一方面，桩周摩阻力和桩底阻力大大提高，起到减小桩基沉降的作用。
3.工程实例
3.1实例概况
该工程区间隧道通过的地层主要有：①粉质黏土为褐黄色，可塑、局部硬塑；②粉土，为褐黄或棕黄色，密实，很湿；③粉细砂，为褐黄色，密实，饱和。地面标高为35.7m，结构埋深为15.893m。
拟建盾构区间隧道为双线，区间南北走向，左右线间距约47.6m，隧道埋深约为17.42m，铁路线路东西走向。在该处紧邻设置了1座双孔简支梁桥和2座单孔框架式地道桥，梁桥在中间，地道桥在两侧。框架式地道桥的结构净空为5.8m×8.5m(H×W)；构件尺寸：顶板100cm，底板90cm，边墙75cm；桥下使用净高3.0m。简支梁桥每跨12.5m，橋台、桥墩均采用桩基，为 8oomm的钻孔灌注桩。
盾构隧道与桥梁的关系见图5
隧道采用土压平衡盾构法施工．盾构管片外径6m，厚度0.3m。
圖5 立面图（单位：mm）
3.2计算模型
本模型采用FLAC岩土数值分析软件来进行模拟，建模完全按照实际勘测资料进行，计算模型的建立按照如下规则建立：①桩体采用线弹性材料，土层为匀质体，土体为弹塑性材料，服从摩尔-库伦屈服准则；②计算模型依据数值分析的建模理论，计算模型沿隧道纵向取为30m，沿隧道横向取为120m．地表以下50m，见图6；③边界条件采用位移边界条件，侧面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取为自由边界；④桩和土之间用命令定义接触面，接触面上允许滑动或者分离接触面，在桩土分析中，把桩土之间的作用通过两侧的连续弹簧来模拟。考虑法向和切向刚度。计算模型见图6
表1为地质勘查资料。按照勘察资料。对土层进行分层，分层后的模型见图7。
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。这种状态下，土体的压缩变形及排桩的
图6 计算模型图
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7 土层分层图
本模型所承受的荷载条件主要有： 土体自重应力；②模型顶面由铁路列车传递下来荷载；③地道桥面上的人行荷载；④铁路桥下的机动车荷载；⑤铁路桥桩基顶部的荷载。计算时考虑来往列车动荷载的作用，换算为地面均布荷载100kPa施加于模型顶部边界；框架地道桥的人群荷载取4kPa；铁路桥下机动车荷载取20kPa。考虑铁路桥上机动车荷载动荷载效应和梁、轨道、道床自重，传到桩基顶部的荷载为400kPa。计算后竖直方向的应力状态云图见图8
图8 初始应力状态云图
3.3三维数值模拟结果分析
本工程中，右线区间盾构隧道开挖边缘离西侧桥台桩基边缘的最近距离为3.324m，盾构隧道的顶部离桥桩底部0.517m。
左线区间盾构隧道的开挖边缘离东侧桥台桩基边缘的最近距离为10.167m。盾构隧道的顶部离桥桩底为0.517m。桥桩与盾构隧道的位置关系详见图9
图9 桩基与隧道的位置图（单位：mm）
在本文分析中，因为右线盾构隧道处的桩基离盾构隧道距离最近，所以主要讨论了右线隧道处桩基的变形。在数值模拟中，按实际施工方法先开挖右线隧道，再开挖左线隧道。每个盾构隧道模拟开挖时，采用循环语句进行模拟，盾构推力、管片背后注浆层都按照实际的情况进行模拟。
3.4竖向位移变化特征
地铁盾构隧道掘进开挖破坏了原有的平衡状态，盾构隧道上方及周围土体必然会发生位移，同时。桥梁桩基受土体位移的影响也会发生位移和变形。在本工程中，主要讨论临近右线盾构区间的西侧桥台的桩基受盾构隧道开挖的影响，桩基础平面布置图见图10。
图10 桩基础平面位置图
数值模拟结果表明，最靠近盾构隧道的l，3，5，7号桩基的竖向位移最大，达到10.9mm，2，4，6，8号桩基为9.8 mm；中间桥墩的桩基竖向位移约为4．8mm；离盾构隧道较远的东侧桥台的桩基桩顶沉降为3.6mm上下。经分析数值模拟结果，桩l桩顶的竖向沉降曲线图见图11。在自重平衡状态下盾构开始掘进开挖，在盾构接近桩基的过程中，周围土体及桩产生的应力场及位移场开始受到突然的改变。从图11可以看出，这一段曲线斜率的变化较后面的剧烈，原因在于开挖掘进力使原本稳定的应力场发生了突然改变；盾构机通过桩基后，桩顶沉降稳步增加，同时地表沉降趋于平稳。
图11 桩1桩顶竖向沉降曲线图
盾构机远离桩基时，桩顶沉降依然增加，但是增幅越来越小，也就是说桩顶的反应越来越小，可见盾构掘进的动态过程比较明显，每一步的递进效应也比较明显，因为整个过程自始至终都存在开挖掘进和桩顶荷载的复合作用。
结束语
通过理论分析、数值模拟以及工程的实际应用可以看出，当隧道近接桥桩施工时，控制既有桥桩在隧道开挖过程中的沉降，采用注浆加固地层在技术上是可行的，效果也足非常明显的。因此，在隧道施工过程中，对地层进行注浆加固以保证工程本身及周围建(构)筑物的安全是非常必要的。
参考文献
1.王杰，岩土注浆理论与工程实例[M],北京科学出版社，2001
2.刘军,北京地铁施工中若干环境岩土工程问题[J],市政技术，2004
3.刘军,地下工程围岩稳定性研究[D],成都理工大学，2001
4.刘晓苹，顾强，上海漕溪路立交桥桩基受地铁盾构推进的影响研究，上海市政工程，1996
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。