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摘要：盾构隧道长距离下穿匝道悬臂桩挡土墙施工风险高。本文采用数值模拟手段对盾构隧道下穿悬臂桩挡墙进行分析，以反映施工对悬臂桩挡墙的影响。同时对盾构下穿悬臂桩挡墙提出相应的工程措施。
关键词：盾构； 悬臂桩挡墙； 数值模拟；处理措施
中图分类号：U45文献标识码：文章编号：
0引言
城市地铁隧道修建规模不断扩大，穿越城市建（构）筑物越来越多，在保证建（构）筑物正常使用的情况下，地铁隧道设计和施工难度增大。城市隧道穿越桥梁桩基的案例和研究很多[1]，而匝道作为立交桥的构成部分，部分采用悬臂桩挡土墙，盾构隧道近距离下穿亦会对其产生影响，此方面相关文献记录较少。
长沙市轨道交通一号线盾构隧道下穿木莲冲立交桥东南匝道悬臂桩挡土墙段约80m，净距最近为1.0m，保证盾构施工过程中主干道挡土墙的安全是工程重点。桩板式挡土墙以锚固桩为主要受力构件，当坡体下滑力不大时，荷载可直接传至桩底嵌固部分[2]，而盾构施工时必然引起上部土层变形，导致挡墙原平衡状态改变，可能影响匝道挡墙安全。
本文结合盾构隧道下穿木莲冲匝道挡墙的实际案例，采用数值模拟手段对挡墙不同净距区段进行模拟，分析盾构下穿对地层变形及悬臂桩挡墙内力变形的影响，提出工程控制措施，可为类似工程提供参考。
1 工程概况
长沙市轨道交通一号线下穿木莲冲立交桥东南侧匝道悬臂桩挡土墙桩基K0-K39和K0＇-K38＇，线间距为12.40～17.50m。隧道覆土厚度（现状）约在11.8～23.2m之间，区间采用盾构法施工，外径6000mm，内径5400mm，衬砌厚度300mm。隧道线路与悬臂桩挡墙平面关系图如图1所示。
图1隧道线路与悬臂桩挡墙平面关系图
场地内土、岩层从新到老主要有全新统人工填土层、粉质粘土层、粗砂层、砾砂层、圆砾层、卵石层、残积粉质粘土层、第三系紫红色泥质粉砂岩、砾岩各风化带岩石。主要含水层为冲洪积粗砂、砾砂、圆砾、卵石层，地层分布连续，厚度较大，富水性较好，属中等~强透水性地层，水量较大。隧道穿越地层主要有卵石层和残积粉质粘土层。[3]地质纵断面如图2所示，
a 左线纵断面地址图b 右线纵断面地址图
图2隧道纵断面关系图
悬臂桩挡土墙桩基采用C25钢筋混凝土人工挖孔桩，桩基K23-K39（K23＇-K39＇）桩基为1.5m，其余桩径为1.2m，桩中心距为2.2m。挡墙系梁和挡土板采用C25混凝土。
2 盾构隧道下穿挡墙影响分析
木莲冲立交桥匝道为长沙南北主干道芙蓉南路的一部分，交通作用十分重要。盾构隧道近距离下穿匝道悬臂桩挡墙，挡墙位于盾构隧道开挖的相互影响范围内，隧道开挖可能导致匝道挡墙水平位移过大，局部破裂甚至失稳破坏等灾害发生。匝道挡墙一旦发生失稳破坏，必将导致极坏的社会影响，造成无法挽回的经济损失，隧道施工风险高。
为避免灾害发生有必要对盾构隧道施工对挡墙的影响进行研究。本文采用数值模拟手段对地层位移及挡墙位移内力的变化情况进行研究。
2.1 分析方案
盾构长距离穿越挡墙，隧道与挡墙桩基的位置逐渐变化，为反应盾构隧道下穿挡墙的相互影响，此处选择两个断面，反应总体变化。两个断面隧道与挡墙的位置关系如图3所示：
a 1-1断面图 b 2-2断面图
图3隧道与挡墙位置关系断面图
2.2数值模拟分析
2.2.1 模型建立
利用Midas GTS软件建立有限元平面模型，网格划分如图4所示。覆土取实际厚度，隧道左右侧及下侧取至四倍洞径外。模型顶面为自由面，底面为竖向约束，左右边界为水平约束。计算中隧道围岩按各段面实际地层情况考虑，采用平面应变单元模拟，本构模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型。管片和悬臂桩采用梁单元模拟，悬臂桩挡墙采用等抗弯刚度梁近似模拟。模拟初始应力场时，仅考虑了自重的作用。路面荷载按20kN/m2考虑。
圖4 模型及网格划分
计算参数主要依据勘察报告，并结合同类地质条件盾构隧道的监测结果（地表沉降约为3cm）反算。两断面地质情况参考断面附近钻孔选取，各地层参数如表1所示。
表1 模型计算参数
2.2.2模拟结果分析
根据以上两个断面模拟结果，此处从土体位移和悬臂桩挡墙桩位移、桩内力、土体塑性区等方面进行分析。
(1) 土体及挡墙桩位移
为分析隧道开挖引起周围土体及桩体的变形，在匝道开挖后将位移归零。1-1断面土体位移如图5所示，从图中可以看出匝道下隧道开挖后匝道均处入隧道沉降槽内，拱顶到路面沉降量逐渐减小，拱顶范围内土体变形差异较大，土体性质改变，挡土墙被动土压力必然发生改变，可能引起挡土墙倾覆。左侧隧道开挖后，土体变形趋向左侧隧道，左侧挡墙沉降进一步扩大。右侧挡土墙影响较小。2-2断面一侧隧道开挖后临近的挡墙位于拱顶沉降槽内，双洞开挖后匝道及挡墙均位于隧道开挖引起的沉降槽内，最大变形值约为3cm，挡墙变形向量如图6所示。
a 右侧隧道开挖后b 双线隧道开挖完后 a 右侧隧道开挖后b 双线隧道开挖完后
图51-1断面挡墙位移图62-2断面挡墙位移
桩体位移随着地层位移而变化，1-1断面桩顶水平位移约为2.5cm，2-2断面左侧桩顶水平位移随着开挖过程变化较大，最终约为0.9cm，右侧桩顶位移约为1.5cm。盾构长距离穿越匝道，施工纵向亦引起隧道上部地层及挡墙的不均匀变形。
（2）桩内力分析
悬臂桩挡墙通过桩承受土体主动和被动土压力，维持边坡稳定。隧道开挖必然引起挡墙附近地层位移改变。1-1断面中挡墙开挖后最大弯矩发生路面下2-3m位置，当左侧隧道开挖后桩内力分布规律基本未变，左侧挡墙最大弯矩增大约40%，右侧挡墙增大约26%。右侧隧道开挖后左侧挡墙基本保持不变，右侧挡墙最大弯矩减小约10%。
2-2断面中挡墙开挖后最大弯矩发生路面下2-3m位置，当右侧隧道开挖后桩内力分布规律基本未变，右侧挡墙最大弯矩增大约20%，左侧挡墙减小约10%。右侧隧道开挖后左侧挡墙略有减小，右侧挡墙最大弯矩增大约30%。
（3）土体塑性
塑性区主要发生于隧道开挖轮廓周围，塑性区未发生联通，未延伸至地表。
处理措施建议
从分析可以看出，隧道开挖引起了地层较大变形，挡墙内力变化较大，挡墙局部位于隧道左右洞开挖相互影响范围内，隧道开挖可能导致挡墙局部不均匀沉降出现裂缝或倾斜、局部失稳破坏等。因此，施工过程中有必要采取措施以保证施工安全。为保证挡墙安全，可从盾构自身施工工艺方面和对悬臂桩挡墙采取辅助保护措施两方面考虑。
（1）盾构在砂卵石地层的实践发现，盾构通过卵石地层后，地层的后期沉降较大，盾构掘进时姿态控制困难，刀具磨损严重，对土体进行扰动，极易造成地表下沉。施工过程中可优化刀具、刀盘设计；重视渣土改良；加强同步注浆，水泥浆里面可适当添加外加剂，减小其凝固时间。为严格控制后期沉降，应加强二次注浆。
（2）隧道施工间接对挡墙桩基产生影响，如施工引起地表沉降过大，可考虑通过隔离法在隧道和桩基之间打设旋喷桩等隔离墙；或对隧道周围地层及悬臂桩周围地层进行加固，通过增大盾构隧道周围土体的强度减少周围土体产生变形，改善桩周土压参数。
4 结论
（1）通过数值模拟可以看出盾构隧道下穿挡墙桩基引起悬臂桩挡墙内力和变形较大变化。
（2）隧道穿越砂卵石层可能引起地面较大的变形，挡墙发生损害风险较大，因此施工过程中可从盾构自身施工工艺减小对地层扰动，减少对挡墙的影响。如隧道开挖变形控制较难可考虑辅助措施如加固土体、隔离法或托换法对挡墙进行保护。
[] 贾瑞华. 隧道施工对不同基础类型桥梁的影响评价及工程应用[博士学位论文]. 长沙：中南大学，2009
[2]秦立科，王晓谋，李云璋. 基于水平土拱效应的桩间挡土板土压力计算研究[J]. 工程地质学报，2009，17（2）：274~279
[3] 广东有色工程勘察设计院. 铁道学院站至友谊路站区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告. 长沙，2009
关键词：盾构； 悬臂桩挡墙； 数值模拟；处理措施
中图分类号：U45文献标识码：文章编号：
0引言
城市地铁隧道修建规模不断扩大，穿越城市建（构）筑物越来越多，在保证建（构）筑物正常使用的情况下，地铁隧道设计和施工难度增大。城市隧道穿越桥梁桩基的案例和研究很多[1]，而匝道作为立交桥的构成部分，部分采用悬臂桩挡土墙，盾构隧道近距离下穿亦会对其产生影响，此方面相关文献记录较少。
长沙市轨道交通一号线盾构隧道下穿木莲冲立交桥东南匝道悬臂桩挡土墙段约80m，净距最近为1.0m，保证盾构施工过程中主干道挡土墙的安全是工程重点。桩板式挡土墙以锚固桩为主要受力构件，当坡体下滑力不大时，荷载可直接传至桩底嵌固部分[2]，而盾构施工时必然引起上部土层变形，导致挡墙原平衡状态改变，可能影响匝道挡墙安全。
本文结合盾构隧道下穿木莲冲匝道挡墙的实际案例，采用数值模拟手段对挡墙不同净距区段进行模拟，分析盾构下穿对地层变形及悬臂桩挡墙内力变形的影响，提出工程控制措施，可为类似工程提供参考。
1 工程概况
长沙市轨道交通一号线下穿木莲冲立交桥东南侧匝道悬臂桩挡土墙桩基K0-K39和K0＇-K38＇，线间距为12.40～17.50m。隧道覆土厚度（现状）约在11.8～23.2m之间，区间采用盾构法施工，外径6000mm，内径5400mm，衬砌厚度300mm。隧道线路与悬臂桩挡墙平面关系图如图1所示。
图1隧道线路与悬臂桩挡墙平面关系图
场地内土、岩层从新到老主要有全新统人工填土层、粉质粘土层、粗砂层、砾砂层、圆砾层、卵石层、残积粉质粘土层、第三系紫红色泥质粉砂岩、砾岩各风化带岩石。主要含水层为冲洪积粗砂、砾砂、圆砾、卵石层，地层分布连续，厚度较大，富水性较好，属中等~强透水性地层，水量较大。隧道穿越地层主要有卵石层和残积粉质粘土层。[3]地质纵断面如图2所示，
a 左线纵断面地址图b 右线纵断面地址图
图2隧道纵断面关系图
悬臂桩挡土墙桩基采用C25钢筋混凝土人工挖孔桩，桩基K23-K39（K23＇-K39＇）桩基为1.5m，其余桩径为1.2m，桩中心距为2.2m。挡墙系梁和挡土板采用C25混凝土。
2 盾构隧道下穿挡墙影响分析
木莲冲立交桥匝道为长沙南北主干道芙蓉南路的一部分，交通作用十分重要。盾构隧道近距离下穿匝道悬臂桩挡墙，挡墙位于盾构隧道开挖的相互影响范围内，隧道开挖可能导致匝道挡墙水平位移过大，局部破裂甚至失稳破坏等灾害发生。匝道挡墙一旦发生失稳破坏，必将导致极坏的社会影响，造成无法挽回的经济损失，隧道施工风险高。
为避免灾害发生有必要对盾构隧道施工对挡墙的影响进行研究。本文采用数值模拟手段对地层位移及挡墙位移内力的变化情况进行研究。
2.1 分析方案
盾构长距离穿越挡墙，隧道与挡墙桩基的位置逐渐变化，为反应盾构隧道下穿挡墙的相互影响，此处选择两个断面，反应总体变化。两个断面隧道与挡墙的位置关系如图3所示：
a 1-1断面图 b 2-2断面图
图3隧道与挡墙位置关系断面图
2.2数值模拟分析
2.2.1 模型建立
利用Midas GTS软件建立有限元平面模型，网格划分如图4所示。覆土取实际厚度，隧道左右侧及下侧取至四倍洞径外。模型顶面为自由面，底面为竖向约束，左右边界为水平约束。计算中隧道围岩按各段面实际地层情况考虑，采用平面应变单元模拟，本构模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型。管片和悬臂桩采用梁单元模拟，悬臂桩挡墙采用等抗弯刚度梁近似模拟。模拟初始应力场时，仅考虑了自重的作用。路面荷载按20kN/m2考虑。
圖4 模型及网格划分
计算参数主要依据勘察报告，并结合同类地质条件盾构隧道的监测结果（地表沉降约为3cm）反算。两断面地质情况参考断面附近钻孔选取，各地层参数如表1所示。
表1 模型计算参数
2.2.2模拟结果分析
根据以上两个断面模拟结果，此处从土体位移和悬臂桩挡墙桩位移、桩内力、土体塑性区等方面进行分析。
(1) 土体及挡墙桩位移
为分析隧道开挖引起周围土体及桩体的变形，在匝道开挖后将位移归零。1-1断面土体位移如图5所示，从图中可以看出匝道下隧道开挖后匝道均处入隧道沉降槽内，拱顶到路面沉降量逐渐减小，拱顶范围内土体变形差异较大，土体性质改变，挡土墙被动土压力必然发生改变，可能引起挡土墙倾覆。左侧隧道开挖后，土体变形趋向左侧隧道，左侧挡墙沉降进一步扩大。右侧挡土墙影响较小。2-2断面一侧隧道开挖后临近的挡墙位于拱顶沉降槽内，双洞开挖后匝道及挡墙均位于隧道开挖引起的沉降槽内，最大变形值约为3cm，挡墙变形向量如图6所示。
a 右侧隧道开挖后b 双线隧道开挖完后 a 右侧隧道开挖后b 双线隧道开挖完后
图51-1断面挡墙位移图62-2断面挡墙位移
桩体位移随着地层位移而变化，1-1断面桩顶水平位移约为2.5cm，2-2断面左侧桩顶水平位移随着开挖过程变化较大，最终约为0.9cm，右侧桩顶位移约为1.5cm。盾构长距离穿越匝道，施工纵向亦引起隧道上部地层及挡墙的不均匀变形。
（2）桩内力分析
悬臂桩挡墙通过桩承受土体主动和被动土压力，维持边坡稳定。隧道开挖必然引起挡墙附近地层位移改变。1-1断面中挡墙开挖后最大弯矩发生路面下2-3m位置，当左侧隧道开挖后桩内力分布规律基本未变，左侧挡墙最大弯矩增大约40%，右侧挡墙增大约26%。右侧隧道开挖后左侧挡墙基本保持不变，右侧挡墙最大弯矩减小约10%。
2-2断面中挡墙开挖后最大弯矩发生路面下2-3m位置，当右侧隧道开挖后桩内力分布规律基本未变，右侧挡墙最大弯矩增大约20%，左侧挡墙减小约10%。右侧隧道开挖后左侧挡墙略有减小，右侧挡墙最大弯矩增大约30%。
（3）土体塑性
塑性区主要发生于隧道开挖轮廓周围，塑性区未发生联通，未延伸至地表。
处理措施建议
从分析可以看出，隧道开挖引起了地层较大变形，挡墙内力变化较大，挡墙局部位于隧道左右洞开挖相互影响范围内，隧道开挖可能导致挡墙局部不均匀沉降出现裂缝或倾斜、局部失稳破坏等。因此，施工过程中有必要采取措施以保证施工安全。为保证挡墙安全，可从盾构自身施工工艺方面和对悬臂桩挡墙采取辅助保护措施两方面考虑。
（1）盾构在砂卵石地层的实践发现，盾构通过卵石地层后，地层的后期沉降较大，盾构掘进时姿态控制困难，刀具磨损严重，对土体进行扰动，极易造成地表下沉。施工过程中可优化刀具、刀盘设计；重视渣土改良；加强同步注浆，水泥浆里面可适当添加外加剂，减小其凝固时间。为严格控制后期沉降，应加强二次注浆。
（2）隧道施工间接对挡墙桩基产生影响，如施工引起地表沉降过大，可考虑通过隔离法在隧道和桩基之间打设旋喷桩等隔离墙；或对隧道周围地层及悬臂桩周围地层进行加固，通过增大盾构隧道周围土体的强度减少周围土体产生变形，改善桩周土压参数。
4 结论
（1）通过数值模拟可以看出盾构隧道下穿挡墙桩基引起悬臂桩挡墙内力和变形较大变化。
（2）隧道穿越砂卵石层可能引起地面较大的变形，挡墙发生损害风险较大，因此施工过程中可从盾构自身施工工艺减小对地层扰动，减少对挡墙的影响。如隧道开挖变形控制较难可考虑辅助措施如加固土体、隔离法或托换法对挡墙进行保护。
[] 贾瑞华. 隧道施工对不同基础类型桥梁的影响评价及工程应用[博士学位论文]. 长沙：中南大学，2009
[2]秦立科，王晓谋，李云璋. 基于水平土拱效应的桩间挡土板土压力计算研究[J]. 工程地质学报，2009，17（2）：274~279
[3] 广东有色工程勘察设计院. 铁道学院站至友谊路站区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告. 长沙，2009