随着城市交通的不断发展，交通线路越建越多，导致各种交通建筑相互交错。因此，新建线路对既有邻近建筑造成影响的问题不可避免。如何采取有效控制措施，保障新建与已建工程的施工及运营安全，成为工程界的一大难题。一些学者对相关问题进行了系列研究。
在数值计算方面，方勇等采用三维有限元软件对盾构隧道施工时，近接桩基的沉降和位移变化规律进行了数值模拟。研究发现，盾构隧道施工时，邻近的桩基础会发生倾斜，且随着盾构机顶进力的增大，倾斜率随之增大。高尔新等依托北京地铁10号线工程，研究了盾构隧道施工对既有桥梁桩基的影响。提出桩基的竖向位移主要发生在盾构机通过桩基的时间段，此为盾构施工的重点控制段。刘枫等结合具体工程算例，模拟了超长隧道开挖对近接单桩和群桩的影响规律。
研究表明，隧道开挖对桩基的影响主要与桩长、桩径及隧道与桩的水平距离有关。王凯等研究了叠落隧道对既有桥梁的影响，并提出注浆加固和设隔离桩两种控制措施。
结果表明，两种措施均能满足相应的技术指标，为类似工程提供了参考。在模型试验方面，Hergarden等采用离心模型试验，通过设置不同的桩-隧水平净距，研究隧道开挖对桩基的承载力影响规律。Loganathan等通过模型试验，研究了不同埋深时，盾构隧道施工对群桩的影响效应。Lee等研究了隧道开挖时，围岩不同应力释放率对邻近群桩的承载力影响规律。众多学者的研究成果对桥-隧、桥-桩的交互作用影响规律奠定了坚实的基础，为此领域的进一步研究指明了方向。但既有研究对跨江桥-隧结构体的相互影响规律还鲜有报道。由于跨江隧道和跨江大桥所处地质条件、影响因素更为复杂，控制指标更为严格，所以对跨江桥-隧结构相互作用规律进行研究具有重大意义。因此，本文依托新建宁淮铁路跨江隧道工程，采用PLAXIS3D有限元软件，研究盾构隧道施工对跨江大桥的影响规律，并提出对应控制技术措施，为类似工程提供参考。
工程概况及施工难点
宁淮铁路跨江隧道工程从新南京北站出发，沿浦泗路东行后与京沪高铁南京长江大桥段并行进入南京站。南京长江大桥位于南京市鼓楼区下关和浦口区桥北之间，是长江上第一座由中国自行设计和建造的双层式铁路、公路两用桥梁，在中国桥梁史乃至世界桥梁史上具有重要意义，是20世纪60年代中国经济建设的重要成就、中国桥梁建设的重要里程碑，具有极大的经济意义、政治意义和战略意义。因此，跨江盾构隧道施工的同时，保障邻近既有南京长江大桥的安全运营显得尤为重要。
隧道方案概况
跨江隧道隧址区位于扬子准地台下扬子凹陷褶皱带的次级构造—宁芜断陷盆地西北缘的江浦坳陷内，其北西界为龙洞山南缘断裂，北东界为南京—湖熟断裂，断裂走向以北西向和北东向为主，对本线有影响的褶皱主要有幕府山复式背斜、断裂主要为汤泉盘城隐伏断裂、江浦六合隐伏断裂、幕府山-焦山隐伏断裂及其分支断裂F1、F2、F3断层。隧道沿线上覆土层岩性主要为软土、膨胀土、砂土及卵石土，厚度一般为10-90m，穿越的基岩为泥岩夹砂岩、灰质砾岩。
隧道线路大部分与既有京沪铁路南京长江大桥段北侧并行，与南京长江大桥及两岸铁路引桥并行段长达7km，本文将全线划分为四个控制段，分别对其进行建模计算，并分析各控制段的施工对南京长江大桥的位移及承载力的影响规律，评估线路方案的安全性。其中，P1段为江北侧穿铁路引桥段，本段隧道最大埋深为102m，隧道结构外边线与长江大桥桥墩最小净距为21m；P2段为江北下穿公路引桥段，本段隧道最大埋深为99.45m，最小净距为16m；P3段为江中并行段，考虑到要避开长江大桥的保护范围，本段的隧道结构外边线与长江大桥桥墩的最小净距为145m，隧道埋深为94.3m；P4段为江南侧穿铁路引桥段，考虑到隧道施工对长江大桥及周边环境的影响，江南隧道线位按隧道结构外边缘到江南铁路引桥桥墩、承台的最小距离将线路分为30m、40m、50m线位分别进行考虑。全线盾构隧道内径12.4m，外径13.6m，壁厚0.6m。具体线路方案示意图如图所示。
线路平面图
施工难点
由于隧道设计范围除江中段外，均位于南京长江大桥安全保护区范围内，南京长江大桥为公铁两用桥，且开行有高速动车组列车，所以对轨面平顺性控制要求高。同时大桥及引桥结构老旧、建设标准低，加上隧道结构与大桥桥墩净距小，导致结构很容易受到扰动，工程施工对高架桥桩基沉降、墩顶位移等影响较大，因此对隧道施工提出了更高的控制要求。依据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/TH20-2011）对位移的评定方法，综合得出本次评估公路引桥桥梁墩台沉降位移控制值为15mm，纵向相邻桥墩间差异沉降控制值为4mm。因为P1-P4段隧道结构外边线与长江大桥桥墩最小净距分别为21m、16m、145m、30m，因此本文将对施工难度最高的P2段-江北下穿公路引桥段进行研究。
有限元模型的建立
参数选取
本文参数选取主要参考南京长江大桥地勘、地铁三号线上元门-柳州东路区间地质资料、地铁7号线城河村站-黄方村站区间地质资料及地铁11号线大桥路站-南浦路站区间地质资料。过江方案主要经过的地层自上而下主要为砂粘土、T/3粉砂层、M/3细砂层、r/3砾砂层、砂岩、中风化岩。结合南京长江大桥的地质资料以及已收集的周边建筑地勘资料，确定数值计算所用的设计参数如表所示。
岩土物理力学参数
结构材料物理力学参数
模型建立
由于PLAXIS3D有限元软件能够模拟复杂的工程地质条件以及隧道与桥墩的相互作用，尤其适用于变形和稳定性分析，因此本文采用PLAXIS3D 建立三维模型，依托实际工程项目，研究盾构隧道施工对既有南京长江大桥的影响，并采取相应的安全控制措施。模型以高架桥桥墩顶面为分界面，分为上、下两个部分；上部结构包括箱梁、支座和轨道结构及车辆荷载；下部结构包括桥墩、承台、桩基和周围土体。模型主要进行下部的模拟，上部结构以荷载的形式表现。建立下部结构模型时，首先计算得出初始应力状态，再钝化隧道土激活隧道衬砌，模拟盾构下穿施工，进而分析盾构施工对南京长江大桥桥墩的影响。
建模时，将桥梁下部结构及盾构管片视为弹性体，将桥梁上部结构以集中荷载的形式作用在桥墩上。本构模型采用HSS弹塑性模型。HSS模型在数值计算中效果较好，并且该准则能较好的描述岩土材料的破坏行为，在岩土领域内得到了广泛的应用。土体、长江大桥承台、长江大桥桥墩采用三维实体单元，长江大桥桩基采用Embedded桩单元模拟，管片衬砌采用板单元模拟。模型如图所示。图中铁-7号—铁-18号为长江大桥铁路引桥段的桩基模型，公-07号—公-16号为长江大桥公路引桥段的桩基模型，蓝色部分为下穿盾构隧道模型。
模型示意图
隧道施工对既有桥梁影响的计算分析
隧道施工对南京长江大桥的影响
本段模型的前后左右边界分别施加水平位移约束，底部施加竖向位移约束，顶面不施加约束。取X方向为顺桥向方向（由铁路引桥18#墩到铁路引桥07号墩为正向）、Y方向为横桥向方向，Z方向为竖向。为减小边界对计算的影响，本次模型边界选取为：模型水平方向两侧距离盾构结构不小5D，底部距离盾构结构不小于3D（D为盾构隧道直径）。总平面示意图如图所示。隧道从公路引桥12#桩基底部99.45m处下穿通过，因此12#墩为重点控制节点。
总平面示意图
桥梁桩基绝对沉降计算结果及分析 由于盾构隧道将从江北公路引桥段12#墩底部下穿通过，故此节点为全段最不利位置。建模时将在12#墩处设置监控点，以实现对此节点的实时动态监测，研究隧道施工对其桩基沉降的影响规律。得到桩基沉降时程变化曲线如图4所示。
桩基沉降时程变化曲线
盾构隧道开挖过程中，导致周围土体受到扰动，当掌子面距离12号墩16m时，桩基在盾构推力的作用下发生轻微隆起，最大隆起高度为0.34mm；随着隧道的不断开挖，桩基与土体发生相对滑移，开始发生沉降，当掌子面位于桩基正下方时，沉降值迅速增大，这是由于衬砌管片还未及时拼接，围岩发生一定的应力释放，导致土体缩紧，从而引起沉降的迅速发生；当掌子面位于12#墩断面28m时，沉降值开始缓慢增加，说明此时围岩变形已经趋于稳定，衬砌开始发挥支护作用。桩基最终的沉降值稳定在7.07mm，小于15mm，属于安全控制指标之内。
此外，通过对最终计算结果的统计和分析，得到江北公路引桥段7号墩到16号墩的竖向绝对沉降值及墩顶位移值如图5所示。桥墩与隧道的水平距离越小，桩基的沉降值越大，最大的沉降值为7.07mm，发生在12号墩；但12号墩的墩顶位移值却是最小值，其位移云图如图所示。这是因为隧道从12号墩的正下方穿过，对桥墩两侧土体的扰动相差不大，从而使桥墩产生的横向位移最小。10个桥墩中，水平位移最大的为10号墩，但其位移小于3mm，满足控制要求。
桥墩最终位移和最终沉降
12号桥墩桩顶位移云图
桥梁墩柱竖向差异沉降 桥墩的差异沉降将会对桥梁的安全运营及结构稳定造成严重影响，因此，盾构隧道施工期间控制桥梁的差异沉降具有重要意义。本节以距离隧道最近的四跨桥梁为研究对象，通过对差异沉降计算结果的统计和分析，得到施工阶段四跨桥梁的差异沉降时程变化曲线如图所示。为方便描述，将10#墩柱与11#墩柱之间的跨度定义为X-10-11，同理，其他四跨分别表示为：X-11-12、X-12-13、X- 13-14。
桩基差异沉降时程曲线
从图中可以看出，距离隧道最近的两跨桥墩差异沉降变化速率最快，当隧道开挖至175m时，X-12-13的差异沉降最先达到峰值，随着隧道的继续开挖，差异沉降值缓慢减小，最终稳定为2.8mm，另外三跨桥梁的差异沉降变化趋势与此类似。出现这种变化趋势的原因是：施工期间盾构前方挤压力及工后沉降均会引起桥桩周边土体松动，降低桥桩侧向摩阻及桩端承载力，继而引发桥桩倾斜沉降及桥墩不均匀沉降，而距离隧道最近的桥墩首先受到影响，开始发生沉降，此时相邻两桥墩的沉降差值逐渐增大，当土体扰动对较远桥墩产生影响时，差异沉降达到峰值，随后，由于较远桥墩也开始发生沉降，故差异沉降值缓慢减小，最终随着土体应力重分布的完成，差异沉降值也趋于稳定。所以桥梁差异沉降的最大值往往出现在隧道开挖过程中，控制施工期间的最大差异沉降也是保障桥梁安全运营的关键内容之一。模型计算中，11#墩和12#墩之间的差异沉降最大，峰值达到了4.8mm，大于4mm，超过了控制指标，导致施工过程中存在安全隐患，因此需要采取对应措施，保障施工的正常进行。
安全控制措施及改良效果分析
隧道施工对江北公路引桥段7号墩-16号墩造成的绝对沉降值均在安全控制指标之内，但施工过程中造成的桥墩差异沉降最大值为4.8mm，已经超过4mm的控制值，此时需要采取对应的安全控制措施，排除隐患。由于隧道从桩基底部下穿通过，设置地下连续墙或围护桩既不容易施工，也不容易达到理想效果。因此本次计算拟采用注浆的方式对隧道周围土体进行加固。在数值模型中，通过在隧道周围设置注浆圈，结合室内试验确定注浆体力学参数，实现对注浆过程的模拟。
注浆加固室内试验 注浆试验的土样取自江北下穿公路引桥段，埋深为90m的土体，土样类型为粉细砂。根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）钻芯法技术要求采取芯样。通过对土样进行烘干、粉碎及三轴抗压强度试验等方法测定其物理力学参数。浆液采用混合材料配成，甲液为水：水泥：粉煤灰：膨润土；乙液为35°水玻璃。水泥采用PO42.5级水泥，浆液收缩率小于5%。根据工程现场和一般注浆经验设计试验装置如图8所示，注浆装置主要由地层模拟平台和注浆系统两部分组成。其中注浆系统采用山东万泽锦达公司的YZB80/11液压式双液注浆泵，地层模拟平台采用钢结构与钢化玻璃制成的填土箱，其可承受的最大注浆压力为10MPa。注浆装置原理示意图如图所示。
注浆试验示意图
注浆装置原理示意图
本次注浆试验将土样分为9组，进行正交试验，以浆液扩散半径和加固体的强度作为评价指标，研究浆液配合比、注浆压力和土体孔隙率三个因素对注浆加固效果的影响大小，从而确定最佳的注浆参数，为实际工程提供参考。对应的因素水平如表所示。
注浆参数及其对应水平
试验时，对注浆时间进行双控，即首先控制注浆压力，并同时控制注浆流量。将注浆流量控制在0.4L/min-0.8L/min，且当注浆流量小于0.1L/min时，保持注浆压力10min，完成注浆。
注浆结束后，对填土开挖，观察浆体扩散情况，当注浆体初凝后，取出加固后的土体如图所示，小心去除粘连在加固体表面的多余砂粒，取注浆加固体中心距边界处的最小距离作为浆液扩散半径，随后将其放入标准养护箱中养护7天。由于加固土体的物理性质已经发生较大变化，因此需要通过土工试验测定土体加固后的力学指标，为数值计算提供数据支撑。
加固后的土体
其中，加固土体的强度试验采用多功能电液伺服控制刚性试验机的单轴压缩试验模块开展单轴压缩试验，试验加载速率为0.1mm/min， 试验装置如图所示。
单抽压缩试验
正交试验结果计算及分析 通过对9组试样进行测试，最终得到每组试样的扩散半径和加固体强度如表所示。
正交试验方案及结果
分别对扩散半径和抗压强度两个指标进行极差分析，确定三个因素的最优水平，并进行验证试验。极差分析结果如表5所示。
扩散半径极差分析结果
单轴抗压强度极差分析结果
计算结果表明，孔隙率是加固效果最主要的影响因素，通过综合分析两个指标的极差，将注浆参数定为A1B1C2；即浆液水灰比为0.8，注浆压力为0.4MPa，将加固土体的孔隙率定为34%。并最终进行验证试验，得到注浆土体的力学参数如表所示。
注浆土体的力学参数
控制措施的数值计算 通过室内试验，确定了注浆加固后土体的力学参数，并将其应用于数值计算中，以在隧道周围设置注浆圈的方式，模拟注浆过程，并对注浆前后桥梁的差异沉降进行计算分析，以此评估安全控制效果。注浆方案考虑两种，一种是仅对隧道上半部土体进行注浆，如图（a）所示，另一种是对隧道全周土体进行注浆，如图（b）所示。
注浆加固示意图
通过对计算结果的统计分析，得到注浆前后的差值沉降时程变化曲线如图所示。采取注浆的措施之后，差异沉降的增长速率有所减缓，X-11-12的差异沉降峰值明显降低，且小于4mm，满足相应的控制指标。两种注浆方案的改良效果相差不大，考虑到施工的经济成本和时间成本，选取对隧道上半部进行注浆的方案。
注浆前后差异沉降对比
在项目实施工过程中，对距离盾构隧道最近的五个桥墩进行变形监测，以保证长江大桥在隧道开挖过程中的安全运营。通过实际监测，可得到墩顶水平位移及桩基沉降值如表所示。
施工控制指标计算和实测值
实测结果表明，采用半周注浆的控制措施可以进一步减小墩顶水平位移值和桩基绝对沉降值，且其变形均在安全指标之内。此外，桥梁跨间的差异沉降监测结果显示，隧道开挖过程中，最大的差异沉降出现在11号桥墩与12#桥墩之间，这一现象与数值计算结果一致，且 X-11-12的最终差异沉降稳定在1.09mm，这一数值略小于注浆的模拟结果，这是因为在盾构隧道顶进过程中，严格控制推进速度及注浆质量，从而使桥梁差异沉降处于较低水平。注浆控制措施保障了长江大桥在隧道施工期间的安全运营。
结论
为研究盾构隧道施工对既有南京长江大桥的影响，通过对江北下穿公路引桥段的隧道施工过程进行建模计算和分析，得出以下结论：
（1）下穿盾构隧道的施工会造成南京长江大桥桥墩的沉降和位移，桩基的绝对沉降最大值为7.07mm，出现在12#墩，而水平位移最大值为2.1mm，出现在10#墩，均满足控制要求。
（2）各跨桥墩的差异沉降随隧道开挖的变化趋势相同，即先迅速增加产生峰值，再缓慢减少，最终趋于稳定。在此过程中，11号墩与12号墩之间的峰值差异沉降最大，达到了4.8mm，超出了控制指标，因此需要采取控制措施。
（3）注浆室内试验表明，采用水泥和水玻璃双液注浆的方式，能够显著提高隧道周围土体的弹性模量及力学性能，弹性模量由初始的0.07GPa提高为0.8GPa，黏聚力由初始的0.016MPa提高到0.14MPa；当注浆压力为0.4MPa时，浆液扩散半径为8.8cm。
（4）通过采取注浆的方法对隧道周围土体进行加固，提高围岩弹性模量，减少隧道施工对土体产生的扰动，使X-11-12的峰值差异沉降明显减小，并将其控制在4mm之内，满足了相关要求。计算值与实测值吻合度较高，证明了数值计算的可靠性。