1、浅析树根桩在盾构隧道下穿桥桩过程中的控制作用【摘要】本文结合北京地铁 14 号线大直径盾构隧道下穿机场线桥桩结构的工程实例，运用 ANSYS 有限元分析软件，计算大直径盾构隧道掘进施工引起地表的沉降，以及树根桩在不同的敷设方式下既有机场线高架桥结构的变形，通过研究分析树根桩减小盾构施工的影响和大盾构隧道施工过程对机场线桥桩结构造成影响的行为机理，为今后大盾构隧道临近既有结构的施工工程提供借鉴和参考。 【关键词】盾构隧道；树根桩；高架桥；有限元分析 【中图分类号】U211.2【文献标识码】A【文章编号】 1 引言 随着我国经济的快速发展和城市进程的不断加快，地铁建设赢来了一个崭新的时代，它具有发
2、车间隔短、方便快捷、运距长、运量大和污染少等优点，逐渐获得人们的青睐，解决城市大量的交通拥堵问题。盾构法在地铁隧道的施工过程中以其绿色环保、施工安全、对周围影响小以及控制沉降较易的特点已广泛受到各方面的关注1，使其成为隧道施工过程中首选的施工方式，盾构施工技术在近十年继续会得到广泛的应用并会有很大的发展。 本文结合具体工程实例，运用 ANSYS 有限元分析软件建立三维有限元仿真模型，首先用 Peck 计算公式计算地表沉降值来验算 ANSYS 有限元分析软件分析的正确性2，再通过树根桩的两种施作方式分析树根桩在减小大直径盾构隧道下穿机场线桥桩结构过程中的作用，从而提出为使机场线正常运营的保护措施
3、。 2 工程概况 新建北京地铁 14 号线大直径盾构采用土压平衡盾构机，盾构外径10m，内径 9m，厚度 0.5m，盾构环片宽度 1.8m，在高家园站京顺路站区间内下穿北京机场线桥桩结构，穿越点里程约为 YDK41+264.282，此处盾构顶板距离地表约 9.5m，盾构与两侧桥桩净距分别为 3.4m 和 18.8m，设计轨面标高为 19.10m。新建北京地铁 14 号线大盾构隧道与机场线高架桥剖面图如下图 1 所示。 图 1 盾构隧道与机场线高架横剖面图 机场线被穿越段是三元桥站T3 站区间高架段，临近桥墩编号依次为76 和 77，两桥墩跨径为 37m，桥墩高度为 8.25m，承台厚度为 2m
4、，桥桩深度为 35m 和 36m，桥梁宽度约为 8m。既有机场线高架结构与新建 14 号线盾构隧道的技术参数如下表 1 所示。 表 1 机场线高架结构与盾构的技术参数 3 数值计算模型 本次计算运用 ANSYS 有限元分析软件，它是一个多用途的有限元法计算机设计程序，具有高灵敏度分析和优化分析能力3。整体计算模型长度为 122m，宽度为 90m，土层高度为 50m。土层和盾构衬砌结构采用实体单元 Solid45，桥梁结构采用梁单元 Beam3，扣件和弹簧采用Combine14 和 Combine39。整体计算模型如下图 2 所示。 图 2 整体有限元计算模型图 盾构穿越的土层类型分别为粉质粘土
5、、粘土、粉土和细中砂。不同的土层采用不同的材料属性，包括弹性模量、泊松比和密度。 4 有限元计算结果及分析 4.1Peck 公式计算地表沉降 Peck 公式被无数实际工程所证明的预测地铁盾构隧道开挖过程引起地表位移的经验公式，于 1969 年被 Peck 被提出的最简单、运用最广泛的高斯方程24。盾构施工引起地表的沉降槽曲线如下图 3 所示。 图 3 Peck 公式假定的沉降槽曲线 计算公式如下： 式中，为距离隧道中心 x 处地表沉降值，是隧道中心线处地表最大沉降量， 为施工引起的单位长度地层损失，地表沉降槽的宽度系数25。 对于本工程，R=5m，H=14.5m，地表最大沉降量计算如下： 根据
6、我国的管理标准，地层损失系数为 5% 。然而，我国工程技术及研究人员根据北京地区实测数据，得出适合于北京地区地层情况的地层体积损失率取值范围，根据工程地质情况，取=2%。 4.2 机场线高架桥变形结果 新建北京地铁 14 号线大直径隧道距离桥桩结构很近，因此在盾构两侧或单侧施作树根桩，减小盾构施工对机场线高架结构造成的影响6。树根桩的直径为 0.15m，桩间距为 0.5m，每一排施作 2021 根树根桩，且相邻每排树根桩之间的距离为 0.5m，树根桩呈梅花型布置。分为三种工况： 1、盾构两侧未施作树根桩； 2、盾构距桥桩较近一侧施作两排树根桩，如下图 4 所示； 图 4 工况二树根桩布置图 3
7、、盾构距桥桩较近一侧三排树根桩，另一侧施作一排树根桩，如下图 5 所示。 图 5 工况三树根桩布置图 下面分析三种工况下地表和高架桥结构的变形结果。 地表沉降曲线如下图 6 所示。 图 6 三种工况下地表沉降曲线 从上面三种工况下地表沉降槽曲线可以看出，树根桩的施作能减小盾构隧道掘进施工对地表土体的沉降变形，且树根桩两侧的土体沉降变形的差异较大，树根桩相当于在盾构施工过程中起到了阻隔作用，阻止了树根桩外侧土体的变形和沉降。 盾构隧道在推进的过程中，若对既有机场线高架桥结构没有采取任何保护措施的情况下，ANSYS 有限元分析软件计算地表的最大沉降值为49.275mm。 通过 Peck 公式计算得
8、出，在正常施工情况下，大盾构穿越机场线桥桩工程引起地表的最大沉降量值为 52.412mm，而 ANSYS 有限元数值模拟计算地表的最大沉降值为 49.275mm，两者相差不大，故有限元计算模拟的正确性得以保证。 盾构隧道掘进施工过程也会引起既有机场线高架桥结构的变形影响，既有机场线高架桥结构各部位的位移变形结果如下表 2、相邻墩台之间的差异沉降如下表 3、应力变化如下表 4 所示。 表 2 三种工况下桥梁各部位位移变形（单位：mm） 表 3 墩台之间最大差异沉降（单位：mm） 表 4 梁体下部结构应力比较（单位：KPa） 由表 4 可知，由于盾构隧道的施工，梁体下部结构在竖向方向的应力变化最为
9、明显，发生在靠近盾构最近的墩台，即 77 号墩台，且由于树根桩的敷设，77 号桥墩的应力变化明显减小。 机场线高架桥梁体结构上典型截面的位移曲线如下图 79 所示。 图 7 施工完成后三种工况竖向位移曲线 图 8 施工完成后三种工况横向位移曲线 图 9 施工完成后三种工况纵向位移曲线 经比较可以看出，树根桩的施作能明显减小盾构施工过程中既有结构的竖向变形、横向变形、纵向变形以及相邻墩台之间的最大差异沉降。因此，树根桩的施作在盾构下穿桥桩过程中能起到阻止施工对既有结构产生的影响。 5 结论 通过分析树根桩的施作在减小盾构施工对既有结构的影响作用中可以得出以下结论： （1）树根桩的施作能明显减小盾
10、构隧道施工对周围土体应力的变化、地表土体的沉降变形以及墩台应力的变化，减小了施工对既有结构的影响，起到了阻隔盾构隧道与高架桥结构的作用。 （2）因为树根桩能起到阻隔盾构隧道与既有高架桥结构之间的联系，所以树根桩能阻止施工向外扩散，减小沉降槽的影响范围，使得沉降槽的开口变小。 （3）树根桩主要用于承受由盾构隧道施工引起的侧向土压力和由地基差异沉降产生的负摩阻力，它能阻断由于隧道开挖引起的围岩应力的传播，使应力通过桩体传递到下面的持力层中，即隔断了岩层中变形的传递，从而达到降低盾构隧道掘进对既有高架桥结构基础累积沉降及差异沉降量的影响。还需注意，树根桩本身的施工也是近邻施工，故树根桩的施工中要注意
11、控制对周围土体的影响。 综上所述，当盾构从桩基侧面通过时，在盾构隧道和桩基之间设置隔离桩或墙等，阻断盾构机掘进造成的地基变位，以减少对桩基的影响，避免桩基破坏的工程保护法称为隔断法。树根桩的施作法正是运用隔断法减小了盾构施工对既有桥桩结构的影响。 【参考文献】 1刘招伟，王梦恕，董新平地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析J岩石力学与工程学报，2003，22（8）：1297-1301 2韩煊，李宁， J. R. StandingPeck 公式在我国隧道施工地面变形预测中的适用性分析J岩土力学，2007，28（1）：23-28，35 3杨毅秋，张继清大直径盾构下穿既有地铁车站的施工模拟J隧道/地下工程，2011，2：90-92 4李际港盾构隧道下穿桥桩有限元模拟计算分析J研究与探讨，2011，27（3）：23-27 5李宏安北京地铁 10 号线盾构下穿桥桩工程沉降计算公式的应用R轨道交通技术，2003，561-565 6侯剑锋盾构隧道施工对高架桥墩及桩基影响分析J城市道桥与防洪，2010， （03）：83-87
