总结起来主要分为解析法和有限元法。解析法以Loganathan[1]为代表，先计算出隧道开挖引起的地层位移场，再把相应的位移场施加到桩上，其中李早、黄茂松[2]通过Winker地基模型，利用Mindlin解析推导出隧道开挖后桩的变形与受力理论公式。有限元法则是利用地层结构模型，将桩和隧道建立在同一个模型中，再用有限元软件进行分析求解。Gordon和Charles[3]通过模拟计算了隧道开挖对既有桥桩的影响;杨超[4]、赵宏华[5]、方勇[6]分析了隧道开挖对单桩的影响;吴鹏[7]、聂如松[8]、纠永志[9]、熊巨华[10]等专门针对单桩承载力进行了研究;王丽[11]、彭坤[12]、张恒[13]、赵宏华[14]、倪安斌[15]等分析了隧道施工对群桩的影响;郑熹光[16]等分别研究了隧道下穿单桩与群桩的影响规律;符勇[17]、刘喆[18]考虑隧道施工扰动引起的地层力学参数变化，进一步分析了隧道开挖对桩基沉降和承载力的影响。此外，雷江松[19]、陈代秉[20]等提出了地铁穿桥桩时桩基托换技术，林东[21]研究软土地区盾构隧道切削群桩基础时提出预加固处理后再进行群桩基础切削，可以有效控制桩的变形与受力。
现有研究大部分集中于分析隧道开挖对桩身的弯矩、轴力、剪力和位移的影响，而直接从应力的角度分析隧道开挖对桥桩影响的研究较少。本文在南京地铁11号线大桥站—南浦路站区间下穿南京长江大桥北引桥研究中，利用有限元法研究地铁隧道施工过程中桥桩的变形和受力变化规律，以期为地铁隧道穿越桥桩过程中的风险控制提供理论依据。
1 工程概况
南京地铁11号线大桥站—南浦路站区间隧道下穿南京长江大桥北引桥，其位置关系如图1所示。南京长江大桥北引桥共4孔，全长137 m，引桥结构形式为双曲拱桥，位于主线桥端部，内侧与T梁相接，外侧与引道相接，引桥下部结构采用群桩基础，桩长23 m，隧道与2#、3#承台最小竖向净距15.9～17.2 m，隧道与桩最小水平净距为2.61～3.49 m。
该区间地层表层为第四纪人工堆填、河塘淤积形成的杂填土和素填土，表层下为第四纪冲积淤积形成的淤泥质粉质黏土层、粉细砂层和圆砾层，下伏基岩为白垩系浦口组砂岩泥岩。勘察钻孔显示地下水位埋深1.0～3.0 m，地下水主要类型为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水，孔隙潜水层主要由粉质黏土、粉土及粉砂层组成，基岩裂隙水层主要由白垩系浦口组的碎屑岩类组成。地层力学参数见表1。
2 有限元模型建立
2.1 有限元模型
采用三维地层结构模型，取100 m（长）×80 m（宽）×60 m（深）的岩土体利用Midas-gts三维有限元分析软件进行数值模拟。模型中南京长江大桥北引桥2#、3#号承台尺寸21.3 m×5 m×1.0 m，承台顶承受上部桥梁荷载225 kPa，承台下的群桩桩长23 m，桩径0.6 m。11号线区间隧道直径6.6 m，管片厚0.4 m，隧道埋深18.2 m。有限元模型图如图2所示。
2.2 隧道与桥桩结构模拟
在有限元模型中，地层采用三维实体单元进行模拟，本构采用修正摩尔库伦本构;2#承台、3#承台采用三维实体单元进行模拟，本构采用弹性本构;承台下桩采用梁单元进行模拟，本构采用线弹性本构;盾构隧道盾壳采用板单元进行模拟，本构采用弹性本构，管片采用三维实体单元进行模拟，本构采用弹性本构。
桥下部结构桩为摩擦桩，桩正常受力状态下桩侧剪应力小于极限侧摩阻力，假设桩土间剪力与位移呈线性关系，桩土之间采用弹性接触。本文主要研究盾构隧道施工对邻近桩的影响，因此模拟中采用修正惯用法将盾构管片简化为均值体系并考虑螺栓对管片刚度的折减作用，将管片刚度乘以折减系数0.8 [22-23]，地下水按地表以下3 m考虑。
模型中隧道与桥桩结构力学参数见表2。
3 桥桩变形受力计算分析
3.1 计算工况模拟
为模拟研究盾構隧道施工中邻近桩基沿着桩身的位移变化规律、桩的沉降变化规律和沿桩身正截面内力变化规律，将盾构隧道开挖工况模拟如下：①生成初始地应力场;②生成桥梁既有结构;③位移清零;④以5 m为一个工况同时推进左右线隧道，直至隧道全线贯通。
盾构隧道掘进过程中掌子面顶推力0.12 MPa，千斤顶对管片压力0.15 MPa，注浆压力0.10 MPa，并通过单元的钝化来实现土体的开挖，通过支护单元的施加来实现管片的支护。
3.2 桥桩变形分析
隧道开挖完后，桥桩和隧道整体沉降变形见图3，桥桩侧移见图4。隧道拱顶沉降为4.59 mm，桥桩沉降为1.15 mm，桥桩最大侧向位移出现在西侧承台短边桥桩底部为2.06 mm。由于2#承台西侧短边的桩和3#承台东侧短边的桩与隧道净距最小，故其受开挖扰动影响最大，其侧向位移也最大。
3.2.1 桩侧向位移
以2#承台最靠近隧道的桩为研究对象，在隧道动态施工中桩身侧向位移见图5和图6。
由图5可知，隧道开挖会使得桩产生向隧道方向的倾斜，越靠近隧道桩身侧移就越大。在桩深0～12 m范围内桩侧向位移与桩深呈线性增大，此部分区域隧道施工对桩扰动较小，桩顶部向内侧挤压，桩底部向桩外侧挤压。在桩深12～23 m范围内，与隧道轴线平齐的桩深20 m处桩受隧道开挖扰动影响最大，其侧向位移最大达到2.06 mm。
由图6可知，隧道动态施工过程中桩的侧向位移变化趋势差异较大，在隧道开挖扰动区整个桩侧向位移均受到影响。在桩距隧道掌子面水平距离-20～20 m范围内，桩身侧移受隧道开挖影响较大，并随着隧道的推进而逐渐增长，尤其是在-10～10 m范围内，桩身侧移随着隧道的推进而迅速增长;在桩距隧道掌子面水平距离大于20 m且隧道还未穿桩时，桩身侧移受隧道开挖影响较小，整体侧移较小;在桩距隧道掌子面水平距离大于20 m且隧道穿过桩时，桩身侧移受隧道开挖影响较小，整体侧移已经基本保持稳定。
3.2.2 桩沉降
以2#承台最靠近隧道的桩为研究對象，在隧道动态施工中桩沉降见图7和图8。由图7和图8可知，由于桩的刚度较大，桩的沉降为刚体位移。在桩距隧道掌子面水平距离-20～20 m范围内，桩沉降受隧道开挖影响较大，桩沉降随着隧道的推进而逐渐增长，尤其是在-10～10 m范围内，桩沉降随着隧道的推进而迅速增长;在桩距隧道掌子面水平距离大于20 m且隧道还未穿桩时，桩沉降受隧道开挖影响较小，整体沉降较小;在桩距隧道掌子面水平距离大于20 m且隧道穿过桩时，桩沉降受隧道开挖影响较小，整体沉降已经基本稳定在1.15 mm。
3.3 桥桩受力分析
隧道开挖完后，桥桩竖向正应力见图9。由图9可见，桥桩最大竖向正应力为0.64 MPa，出现在西侧承台短边桥桩底部。由于2#承台西侧短边的桩和3#承台东侧短边的桩与隧道净距最小，故其受开挖扰动影响最大，其竖向正应力也最大。
以2#承台最靠近隧道的桩为研究对象，在隧道动态施工中桩身竖向正应力见图10和图11。
由图10可知，隧道开挖改变了桩的应力状态，使得桩的竖向正应力整体增长，越靠近隧道桩的竖向正应力越大。在桩深0～12 m范围内桩竖向正应力随着桩深的增加而逐渐增长，在桩深12 m处最大竖向正应力达到0.64 MPa，相比开挖前增长了276%。在桩深12～23 m范围内，桩竖向正应力随着桩深的增加而逐渐减小，在桩底处竖向正应力达到0.09 MPa，相比开挖前增长了118%。
由图11可知，隧道动态施工过程中，桩竖向正应力随着开挖推进而逐渐增长。在桩距隧道掌子面水平距离-20～20 m范围内，桩竖向正应力受隧道开挖影响较大，桩竖向正应力随着隧道的推进而逐渐增长，尤其是在-10～10 m范围内，桩竖向正应力随着隧道推进而迅速增长;在桩距隧道掌子面水平距离大于20 m且隧道还未穿桩时，桩竖向正应力受隧道开挖影响较小，整体竖向正应力较小;在桩距隧道掌子面水平距离大于20 m且隧道穿过桩时，桩竖向正应力受隧道开挖影响较小，此时桩竖向正应力已经基本保持稳定。
4 结论及建议
（1）由于地铁隧道施工主要影响隧道两侧及上方土体，当桩底标高和隧道底标高平齐时，会使得桩产生竖向刚体位移1.15 mm。在实际工程中，应针对隧道开挖影响范围内的桩采取一定的加固措施来减小开挖对桩沉降的影响。
（2）隧道侧穿桩时，隧道开挖会使得桩产生向隧道方向的倾斜，越靠近隧道桩身侧移就越大。当桩底标高和隧道底标高平齐时，桩上部侧向位移与桩深呈线性增大，桩下部侧向位移在与隧道轴线平齐处桩受隧道开挖扰动影响最大，其侧向位移最大达到了2.06 mm。
（3）隧道侧穿桩时，越靠近隧道桩身竖向正应力就越大。当桩底标高和隧道底标高平齐时，桩中部竖向应力达到最大值0.64 MPa，相比开挖前增长了276%，因此应根据隧道开挖对桩影响方案制定合理的加固措施。
（4）在隧道动态施工中，隧道开挖扰动影响桩变形和受力的范围为桩距隧道掌子面水平距离前后20 m。在扰动影响范围内，桩的竖向正应力、沉降和侧向位移均逐渐增长，尤其是桩距隧道掌子面水平距离前后10 m范围内，桩的变形和受力随着隧道推进迅速增长。
参考文献
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收稿日期 2019-06-13
责任编辑 朱开明
Study on impact of metro construction on deformation and stress of adjacent bridge piles
Shen Yawei
Abstract： Taking the north approach bridge of Nanjing Yangtze River Bridge under Nanjing metro line 11 as the engineering works case study， this paper studies the deformation and stress variation of adjacent bridge piles during subway construction by using numerical simulation software. The results show that when the elevation of the bridge pile bottom and tunnel bottom is even， the vertical rigid displacement of bridge pile is within 1.15 mm， and the lateral displacement of bridge pile is within Max. 2.06 mm at the level of tunnel axis， the vertical normal stress in the middle of bridge pile is within the maximum 0.64 MPa， which is 276% higher than that before excavation. The range of influence on the deformation and stress of bridge piles is within 20 m before and after the horizontal distance between bridge piles and tunnel face. In order to ensure the stability of bridge piles， corresponding reinforcement measures should be taken to reduce the impact of tunnel excavation disturbance.
Keywords： subway tunnel， bridge pile， deformation， stress， numerical simulation
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