0 引言

随着大城市地铁建设的快速发展，地铁穿越高层建筑和桥梁的次数越来越多，而且浅层地表经常埋置各种管线，如排污管、军事电缆等等，地铁隧道不可避免地从大型建筑物基础的下部或侧边近距离穿越。特别是在杂填土和砂卵石地层中，盾构施工对地层产生的扰动会造成影响，引起地表和建筑物的沉降，甚至发生建筑物的裂缝和路面倒塌。特别是隧道下穿立交桥时，对盾构的掘进参数的控制和建筑物的加固措施，提出了更高的要求。因此开展这方面的研究非常有意义，既能确保盾构顺利穿越，又能保证桥梁的运行安全。

近年来，国内外许多学者对在盾构下穿临近桩基及其采取加固保护效果进行了分析和研究。兰宇等^[1]研究表明在不加固情况下，采用旋喷桩对地层进行加固后，桥墩沉降能够得到较好的控制；张顶立等^[2]研究了城市隧道开挖对地表建筑群的影响，得出隔离桩能够阻断地层变形引起的应力传递，从而控制地层变形；吴昌将等^[3]认为在隔离桩的保护作用下，隧道开挖产生的地表与建筑物的沉降可以得到有效的减少；孙国庆^[4]提出采取基础注浆加固和跟踪注浆方式能有效控制建筑物沉降的意见。李兆平^[5]等认为对岩体进行预注浆加固，提高了隧道施工安全性；王俊^[6]、朱双厅^[7-8]等提出采用旋喷桩加固和袖阀管注浆对桥梁桩基进行加固和保护，加固效果良好。

在国外，Lee^[9]等提出隧道施工对桥桩的影响范围比以前的研究范围要大得多，为旋喷桩的加固范围提供了参考依据。Kun^[10]提出根据地质条件来对桩基采取旋喷柱加固或者普通的注浆加固措施。

本文以长沙市地铁1号线下穿新中路立交桥为研究背景，选取了L4桥墩所在的YDK24+330典型断面，以测斜管和地表沉降观测资料为依据，分析旋喷桩的隔断加固效果。

1 工程概况

长沙地铁1号线涂家冲站-铁道学院站区间Y(Z)DK23+900.000～24+650.000段下穿新中路立交桥，长约750 m。区间左右线均采用盾构法施工，隧道结构内径为5.4 m，外径6.0 m，采用300 mm 厚C50钢筋混凝土管片衬砌。新中路立交桥L匝道L04混凝土桥墩，直径为1.2 m，其基础为直径1.2 m 的摩擦端承桩。隧道与桥桩水平净距离约为6.32 m。此处隧道覆土厚度约为18.5 m。

盾构穿越L04混凝土桥墩附近的地层上半部大多粉质黏土，下半部分通过粗砂、卵石层，自稳能力差，透水性强，地下水位较高，掌子面容易产生涌水、涌砂，造成细颗粒物质大量流失，引起开挖面失稳、地面沉降甚至塌陷，同时围岩均分布有高强度、大粒径的卵石，容易造成超挖和排碴困难，对盾构设备磨损严重，施工风险极高。

为了保证盾构施工时，L4桥桩的安全，施工前预先打设3排φ800@500三重管旋喷桩,起到隔离保护的作用。旋喷桩顶部到达盾构顶板以上不小于6 m，底部距离盾构底板以下不小于3 m，起到加固土体和隔离保护的作用,见图 1。

2 数值计算 2.1 模型参数选取

根据所选取YDK24+330(L4柱)典型断面，模型采用三维8节点单元C3D8R，土体本构模型采用Mohr-Coulomb模型。因为混凝土在强度破坏之前，线性关系良好，所以本文混凝土衬砌结构采用线弹性模型，运用ABAQUS软件进行计算分析^[11]。为保证模型边界不受隧道开挖的影响，沿X方向共取100 m；沿Y方向取60 m；沿隧道轴线Z方向40 m。模型左右两侧约束X水平方向位移，模型前后两侧约束Z方向位移，底部约束3个方向位移。土体和管片均采用实体单元模拟，见图 2。本文为了对比分析，分别就两种情况进行了计算，分别是：工况1未加旋喷桩双隧道依次开挖，工况2旋喷桩隔离加固后双隧道依次开挖。模型计算参数选取来自长沙地铁1号线的地勘报告，如表 1所示。

2.2 隧道开挖过程的有限元数值计算

(1) 确定模型的影响范围，根据地质勘探报告结果确定地层性质；并依照设计参数确定管片及旋喷桩参数。

(2) 确定边界条件，加桥桩荷载和桩土接触，墩荷载的L4桥墩为一柱四桩。

(3) 施加地层重力，再进行地应力平衡。

(4) 对地层进行旋喷桩的加固，见图 3，旋喷桩的大小为15 m×1.8 m×11.3 m。

(5) 开始盾构开挖时，应力释放采用弹性模量的衰减方法^[12]，在衬砌施工前，将开挖区单元的模量降低，依次来模拟应力释放效应，地应力释放40%；盾构开挖后到安装管片时，应力释放25%。管片长为1.5 m，土体开挖和管片安装采用Model Change，Remove和Add生死单元。

(6) 安装管片，应力全部释放，管片承受土层压力。

2.3 计算结果分析

(1) 地表沉降分析

从图 4和图 5中可以看出，当盾构开挖土体后，拱顶上的地层开始产生沉降变形，拱底土体开始产生隆起，由于拼装的管片衬砌与地层密贴，随着盾构的推进，管片变形越来越明显，随着与隧道中心线的距离不断增加，地表的沉降量也依次递减，地表沉降曲线基本符合正态分布规律，同时也验证了隧道开挖横向沉降槽理论。

L4桥墩附近的地层未进行旋喷桩隔离加固之前，隧道拱顶的最大沉降达到28 mm隧道底部最大隆起4.5 mm,此时该断面的最大地表沉降有23.5 mm；对L4桥墩附近的地层进行旋喷桩隔离加固后，隧道衬砌的变形降低，隧道拱顶的最大沉降达到22.1 mm，隧道底部最大隆起3.6 mm，在此工况下最大地表沉降量为18.4 mm，而实测数据的最大地表沉降值有17.8 mm。实测数据和数值模拟结果都能基本符合Peck公式地表沉降槽横向沉降曲线的规律，见图 6。

(2) 水平位移分析

C₁号测斜管埋在旋喷桩和桥墩之间，埋深为16 m，与桥墩桩基的水平距离为1 m，与旋喷桩左侧面的水平距离为1 m，见图 7～图 9。

两种工况下的水平位移如图 10和图 11所示。C₁号测斜管在不同的工况条件下以及实测值中，其最大水平位移都发生在地表，实测侧向位移值与数值模拟值的总体变化趋势一致，测斜管实测的最大水平位移5.8 mm；在工况2条件下，加了旋喷桩后，C₁号测斜管所在位置不同深度土体，其最大水平位移4.8 mm；而在工况1条件下，没有进行旋喷桩隔离加固的情况下，C₁号测斜管不同深度土体的最大水平位移6.4 mm，采取旋喷桩隔离加固后，最大水平位移减少了25%，见图 12。这说明采取旋喷桩隔断加固的措施能明显减少土体的水平位移。

C₂号测斜管埋在旋喷桩和右线隧道之间，埋深为23.5 m，比盾构隧道底部的工程低3 m，和旋喷桩的加固深度一样，与旋喷桩右侧面水平距离为1 m，与右线隧道的水平距离为1.52 m(见图 7～图 9)。

C₂号测斜管在不同的工况条件下以及实测值中，其最大水平位移都发生在地表，实测水平位移值与数值模拟值的总体变化趋势一致，测斜管实测最大水平位移4.58 mm；在工况2的条件下，加了旋喷桩后，C₂号测斜管所在位置不同深度土体，其最大水平位移为6.4 mm；而在工况1的条件下，没有进行旋喷桩加固措施时，C₂号测斜管不同深度土体的最大水平位移为7.2 mm。可以看出，采取旋喷桩隔断加固措施后，最大水平位移减少了36.4%，见图 13。在距离地表埋深15 m到25 m的土体，由于盾构隧道开挖扰动的影响，附近土体的水平位移变化较大，同时也说明了采取旋喷桩隔断加固措施的重要性。

(3)桥桩的沉降分析

在工况1未加旋喷桩的情况下，桥桩最大沉降值为1.8 mm，见图 14，而在工况2旋喷桩隔断加固的情况下，桥桩的最大沉降为1.2 mm，见图 15。这说明由于旋喷桩隔断加固的效果，使桥桩沉降减少了2/3，也说明旋喷桩的隔断加固对桥桩减少沉降起到明显的效果。

3 结论

(1) 在盾构隧道开挖时，旋喷桩的隔断加固措施对减少地表沉降的效果非常明显，与未采取旋喷桩加固之前比，在此工程中减少地表沉降值可达20%以上。在旋喷桩的隔断加固作用下，减少了盾构隧道开挖产生的地表沉降和桥桩沉降。

(2) 旋喷桩对隧道附近土体水平位移的隔断效果非常明显，与未采取旋喷桩隔断加固措施之前相比，在此工程中减少的地中水平位移可达25%以上。在旋喷桩的隔断加固措施下，减少了盾构开挖对邻近桥墩的影响，为以后类似工程的建设提供借鉴。

(3) 数值模拟结果能与实测地表沉降值较好地符合，实测地表沉降曲线与Peck公式的地表沉降槽基本一致，因此采用数值模拟的方法预测盾构施工对桥桩的影响在实际工程的应用具有一定指导作用。