近年来，城市地铁、高架桥梁交通基础设施发展迅猛，两者邻近建设的工况愈发常见，有必要针对桩-隧相互影响的有关问题作进一步的探讨. 根据两者施工的先后顺序，可以将问题分为2类：1）新建地铁隧道施工对邻近既有桥桩的影响问题；2）桥桩施工对既有地铁隧道的影响问题^[1].

目前，随着各大城市地铁建设热潮的持续发酵，第一类问题出现较早，已有研究主要集中在理论研究法：Huang等^[2-4]利用二阶段法对隧道开挖引起的桥桩力学反应展开系统研究；模型试验法：Hergarden等^[5-7]利用离心模型试验，研究隧道施工对桩基础的影响效应；数值仿真法：李松等^[8-11]通过有限元模拟，分析隧道邻近桥桩基础的施工影响；实测分析法：Coutts等^[12-14]通过施工监测数据分析隧道近接桥桩施工过程中桩基的附加变形，为现场工程施以实时指导. 由于问题的复杂性和现有研究成果的工程局限性，Mair^[15]将隧道开挖对邻近桩基的影响列为隧道工程界最迫切需要解决的问题之一.

随着城市地铁线路的日益网络化、规模化，桥桩施工及工后荷载对邻近地铁隧道的影响受到越来越多的关注. 20世纪40年代，英国伦敦Royal Festival Hall建造时考虑了该问题^[16]. 吕宝伟等^[17-18]利用数值软件分析桥桩施工对隧道结构内力及位移的影响，路平等^[19]采用三维有限元模拟桥桩施工及运营期荷载对既有地铁隧道结构的影响，均指出了桥桩和地铁隧道长期变形的问题. 徐云福等^[20-22]通过邻近地铁隧道的道床位移、结构竖向、水平位移及收敛变形等监测数据，讨论桥桩近接施工的影响问题. 现阶段缺少理论分析与大比尺模型试验研究，加之三维数值仿真建模复杂，现场监测布点较易被破坏，数据收集不甚准确等因素，研究成果尚不多见，无法满足实际工程应用的需要.

为了更好地了解上述问题的研究现状及进展，笔者针对桥桩与地铁隧道相互邻近施工影响及控制保护技术所涉及的关键问题展开总结分析. 对目前该领域存在的问题和不足进行探讨，并对未来的研究方向提出若干看法.

1 隧道-土体-桥桩相互作用机理

在隧道与桥桩近接施工的过程中，隧道、土体、桥桩三者组成一个相互作用的特殊体系，如图1所示. 土层作为施工扰动的传递介质，三者相互影响，最终形成一个新的稳定平衡状态.

地铁隧道施工对桥桩的影响，主要是由于施工开挖扰动使得周围地层的力学状态发生改变，原始的应力平衡状态打破，土中应力增长、松弛与变化会引起地层移动和变形，土体继而将变形传递至邻近桥桩产生影响，如图2所示. 一方面，地层竖向变形造成桩-土接触面上发生相对位移，桩周土层产生应力重分布，桩侧和桩端阻力发生改变，桩基为了维持力学平衡而产生相应的沉降或上浮，最终导致桩基承载力发生改变. 另一方面，地层水平变形导致桩基产生侧向变形，且通常朝向隧道轴线. 同时，桩基的存在限制了桩身处土体变形的发展，引起两侧地层压力差，桩身随之产生附加内力. 此外，已建桥桩具有阻断地层传递的作用，在一定程度上避免了地层变形对其他地下建（构）筑物的影响^[23].

桥桩施工过程中的钻孔、灌浆工艺会对地层产生扰动作用，引起桩周土产生位移，引发桩侧摩阻力效应；通过地层传递至邻近既有地铁隧道产生力学效应，产生附加应力和变形. 鉴于成桩后土体的固结和荷载传递，桥桩工后影响更需引起重视. 翁效林等^[24]指出隧道结构会在承载桩周所产生的附加应力场中产生加筋阻拦效应，明显缓释桩周摩阻力的传递，且桩顶荷载越大，缓释程度越明显；桩基承载过程会引发邻近地铁隧道结构的竖向和水平位移，在隧道结构体产生应力集中效应，隧道拱腰部位是所引发土体附加荷载的主要承受区.

土体作为传递的媒介，是实现相互作用的关键，也是分析桥桩和隧道结构受力与变形的关键，地铁隧道与桥桩的相互影响问题主要归因于土体位移场的影响. 在实际施工中，不论是地铁隧道还是桥桩施工，都应将准确把握控制施工引起的土体变形作为保证既有桥梁及隧道结构安全的重要措施.

2 新建地铁隧道施工对邻近既有桥桩的影响

地铁隧道开挖不可避免地会引起周围岩土体的移动，从而引起邻近桥桩发生变形，产生附加应力，危害桩体乃至上部桥梁结构的安全. 实际工程中的桥梁桩大多以群桩形式出现，且桩顶设有承台，地铁隧道施工对邻近桥桩的影响分析更复杂. 目前，主要的研究方法有理论研究、模型试验、数值仿真和实测分析.

2.1 理论研究

目前，关于地铁隧道施工对邻近桥桩影响的理论分析多采用二阶段法^[25-26]. 该方法是将地铁隧道施工对邻近桥桩的影响分为两部分进行分析，即首先通过解析公式求得隧道开挖引起的邻近土体位移场或应力场分布，然后应用各种方法（如有限元法、边界元法、有限差分法、弹性理论法）将已求得的桩侧土体位移或应力作用于桥桩上，建立位移（荷载）传递方程，得到桩身附加变形及内力^[27].

为了便于给工程施工及应用提供参考，王鑫等^[4]采用简化的Winkler地基模型二阶段法讨论隧道近接桥桩施工造成的影响，考虑群桩遮拦效应，提出地层损失比为1.0%的条件下2R（其中R为隧道半径）的桩隧间距临界值. 该方法可以通过改变地层损失参数，确定不同地质条件下的桩隧间距临界值，为精准反映隧道开挖对邻近桥桩的影响提供了重要依据.

袁海平等^[28]运用桥桩结构耦合力学计算原理与有限差分方法，提出基于桩位移离散点监控数据拟合挠曲线方程（1），计算盾构推进各工况下邻近桥桩的弯矩和剪力.

$EI{y^{''}} = - M(x),\,EI{y^{'''}} = - Q(x).$

(1)

式中： $EI$ 为桩的抗弯刚度， ${y^{''}}$ 和 ${y^{'''}}$ 分别为挠曲线方程 $y = f(x)$ 的二阶和三阶导数， $M(x)$ 、 $Q(x)$ 分别为桩的弯矩和剪力.

王明年等^[29]基于某暗挖地铁隧道近接高架桥桩工程（见图3），采用有限差分法和最小二乘法原理，以沉降允许位移（20 mm）线、警戒值（14 mm）线及预警值（6 mm）线方程为标准，将邻近桥桩基础沉降划分为4个区域，如图4所示. 根据分区确定各类桩基在掌子面推进前后一定范围内的沉降集中区，提出相应区域的加固方案.

该工程建立的地铁隧道邻近桥桩施工的监控量测管理等级，如表1所示.

2.2 模型试验

基于离心试验，国外学者纷纷利用室内模型对工程进行简化研究（见表2），从而快速地了解地铁隧道施工对单桩，特别是桥梁群桩基础的影响和变化趋势.

上述研究表明，地铁隧道邻近桥桩基础施工引起的桩身附加变形和内力受桩-隧相对位置（桩-隧水平净距、隧道埋深）、桩身尺寸、隧道直径、地层损失率、土层性质等因素的影响. 然而，由于实际工程现场的复杂性和模型试验研究环境的理想化，以及桩-土接触界面及土体的边界问题，离心试验结果与实际工程不可避免的存在出入. 因此，将室内离心模型试验作为一种辅助研究手段，可以与理论和现场监测结果相互验证.

2.3 数值仿真

有限元数值仿真通常采用整体分析法，对地铁隧道邻近桥桩的开挖影响进行分析. 该方法不仅能够考虑桩-土相互作用及被动群桩中的桩-桩相互影响，而且能够将土体各向异性和复杂的边界条件作为影响因素. 如Lee等^[31]采用三维整体有限元方法，将桩和桩周土体作为一个整体，分析隧道施工对附近单桩和群桩的影响.

随着国内“地铁热”的持续发酵，不同工况下地铁隧道邻近桥桩施工的案例更加常见，如表3所示. 表中，L为桩-隧间最短距离，取竖直或水平方向的最小值. 从表3可知，不同工程的桩-隧尺寸和相对位置情况大不相同，所采用的施工和加固措施略有差异，研究软件也有诸多选择. 对于复杂的地铁隧道穿越桥桩风险工程，数值模拟是一种为具体工程提供预测的手段. 如何将具体数值模拟结果转化为同类工程实际应用，是当前研究者们亟待解决的难题.

刘庭金等^[34]采用地层结构法，对隧道动态施工过程和运营期行车荷载的动力响应进行三维数值模拟. 韩进宝等^[35]采用基于地层损失比的位移控制模拟隧道开挖的有限元法—DCM法，发现隧道开挖的工后长期效应会造成邻近桩基内力和变形的显著增大. 可见，工后及运营期荷载长期影响问题在桥桩-隧道相互作用中是不容忽视的.

2.4 现场实测

随着监测控技术的不断发展，越来越多的工程开始采用实时监测数据以指导施工，现场的工程数据越来越受到广大研究者们的青睐，逐渐成为一种研究手段.

Coutts等^[12]根据新加坡某双线隧道近接侧穿高架桥桩施工监测数据，计算得到桥桩的内力，可以为工程进行安全性评估. 宋晓宇等^[13]结合盾构隧道下穿高架桥的施工监测数据，将桥墩竖向位移经历分为未到达时稳定、到达前下沉、盾构到达时快速增大、下穿时小幅波动、下穿后缓慢下沉、后续稳定6个变形阶段. 李旺旺等^[14]以盾构隧道侧穿桥梁工程为例，将桥桩变化分为盾构推进前单侧沉降明显、盾构到达整体沉降，盾构离开后趋于稳定3个阶段. 宋晓宇等^[13-14]均指出盾构到达前引起的土体扰动影响范围较大，应提早关注邻近桥桩的稳定和安全性监测数据，辅以预加固桩基、控制土仓压力、增加同步注浆等措施.

除上述施工过程中的实时监测指导，监测数据更多是用于验证数值模型及试验研究的合理性，可以更准确地对不同工况进行研究分析. 鉴于工后荷载长期影响的问题，针对高风险的重大工程，现场监测应自施工前期、中期、后期开始至结构相对稳定后停止.

总的来说，由于地铁隧道邻近桥桩施工问题本身的复杂性和试验模拟的局限性，限制了理论和模型试验研究的发展. 数值模拟从平面二维拓展到更真实的三维模拟，对问题的简化越来越少，所考虑的因素越来越全面，加之现场监测数据的有效验证，目前在研究中得到了较广泛的应用.

3 邻近既有桥桩的地铁隧道施工影响控制技术研究

随着大量地铁隧道穿越桥桩工程的不断出现，为了保护隧道与桥梁桩基的安全性，工程中逐渐形成了一系列的控制防护技术，一般可以分为主动控制（优化施工方法）和被动控制（防护加固）.

当隧道与桥桩相交时，可以采用桩基托换或直接切削技术保护既有桥梁和隧道的安全；当隧道与桥桩邻近时，一般采用注浆加固并适当调控盾构施工参数；当穿越比较重要或敏感的桥梁时，可以采用隔断桩法保证工程的安全顺利进行；当隧道位于桥桩正下方时，可以根据承载力的大小和桥隧道位置关系，采取顶升结合监测数据跟踪注浆的方式保证安全.

3.1 主动控制

在地铁隧道与桥桩基础相交且不得改线的情况下，工程上多采取具有较高难度和风险的桩基托换或切削技术，并辅以监测和注浆措施保障安全，可以称为主动优化施工法. 宋南涛^[36]以某地铁下穿桥桩工程为例，采用如图6所示的“拱形门式”结构托换梁（板）技术，初期支护为型钢钢架＋喷混凝土，施以小导管注浆，可以有效地将桥梁沉降和变形控制在允许范围内. 徐前卫等^[37]提出的扩大板式基础托换及部分切削的方案和周济民^[38]提出的新桩扩大承台托换及局部切桩方案均为相应工程解决了难题，对施工安全性的影响不大.

许多工程存在由于特殊地质及结构物周边无法采用托换法转移承载力，不得不直接切削大量桥桩基础的实例. 考虑到盾构机切削大直径桥桩的磨损及相关技术尚未成熟，王飞等^[39-40]提出采用零后角负前角、双面刃的超前贝壳刀的立体布局配置方案（以剪切切削与侧向挤碎的方式破除混凝土，以剪切切削的方式切筋）以及分次切筋的切削理念，建议推速设定值不超过2 mm/min，刀盘转速宜用中档. 试验及实际应用都取得一定成果，但成套技术体系有待进一步的完善.

3.2 被动控制

一般城市的地铁隧道线路为了避免“直穿”市政桥桩的高难度施工，都会选择从桩身侧边“侧穿”或从桩端下侧“下穿”. 这种避桩的设计思路往往采取隔离桩、旋喷桩、注浆等加固地层和结构以及外部条件控制方式减少施工影响，称为被动控制.

何海健等^[41]提出地铁下穿立交桥群桩基础施工过程中，一方面通过注浆提高桩底持力层的弹性模量，以减小端承桩差异沉降和绝对沉降；另一方面应保证拱部和边墙处的注浆加固效果，以减小隧道开挖引起的边墙收敛，进而减小桩基的绝对沉降. 李新星等^[42]提出采用全方位高压喷射工法（MJS）加固桩基的安全保护措施. 黄新民^[43]提出“桥梁上部结构顶托+桩周注浆加固”法，结合实时监测，可以保障施工安全性.

除了传统浆液加固，郭玉海等^[44]提出采用“钢筋束+注浆材料”复合锚杆桩方案（见图7）对桥梁进行保护，严格控制了桥面结构与桥桩的变形. 陈辉^[45]发现设置隔离桩保护桥桩，通过控制盾构掘进参数（土仓压力、顶推力、掘进速度、出土量、盾构姿态等）、加强监测的综合运用，对桥桩的沉降及受力有一定的改善作用，能够较大限度地减少盾构隧道施工对桥桩的影响.

3.3 地铁隧道邻近桥桩工程风险分级

地铁隧道施工会引起周围土体应力场的变化，极易对周围邻近的桥梁桩基造成不良影响；因此，探讨地铁施工邻近桥梁安全风险分级及应对措施具有重大的实践意义. 李兆平等^[46-47]分别针对各自区域的地铁工程安全，研究地铁施工周围桥梁邻近等级划分和安全风险评价标准以及相应的加固保护对策. 两者的施工风险等级划分如表4所示. 针对上述对比可知，地铁邻近桥桩工程的风险分级以及相应的工程施工对策建议，涉及到众多的复杂因素，虽然考虑了各自地区众多地铁邻近桥桩工程特点，但仍待工程实践中的进一步补充完善，以保证其合理和可实施性；不同区域由于地层性质差异明显，施工方法选取各异，地铁隧道邻近桥桩工程的施工风险分级尚需深入的研究.

4 新建桥桩施工对邻近既有地铁隧道的影响及控制技术研究

在桥桩施工过程中，由于施工扰动和固结沉降会引起地层变形，导致邻近既有地铁隧道的结构应力和应变发生变化，影响地铁运行的安全. 整个桩基础作用的累计附加荷载应严格控制，综合考虑地面超载、地下水变化等引起的荷载，确保附加荷载总量满足设计要求. 由于桥桩基础变形发展是一个长期的发展过程，应综合考虑成桩施工、上部结构施工、使用荷载、地基固结等因素的影响，对工程建设的全过程影响进行评估和控制.

4.1 施工影响

桥梁桩基础的施工和上部荷载易造成周围土体产生附加应力和位移，特别是软弱土地区对附加应力的响应更显著，进而邻近地铁隧道会存在较大的安全隐患. 目前，国内外相关的研究成果尚不多见，且主要集中在数值模拟和现场监测方面，考虑大直径桥梁群桩相比于建筑桩基的影响分析更缺乏，亟待进一步的探究.

近年来，类似桥桩近接地铁隧道施工具有一定风险的工程行为大多利用数值模拟进行预测和研究. 如Yoo^[48]通过三维有限元数值研究（见图8），针对不同的桥梁施工情况，提出E/D=0（集中荷载作用）下深度比C/D=1.0的相对位置临界值，和E/D=0.75（偏心荷载作用）下C/D=0.5的相对位置临界值. 指出C/D=–0.3的情况施工影响较大，应加以重视.

吕宝伟^[17]通过数值软件Midas/GTS发现，超临界桥梁桩基施工对既有地铁隧道的影响主要集中在上部结构浇筑及加载阶段，钢护筒及地基注浆加固能够有效地控制变形，这与冯龙飞等^[18]得出的结论相一致. 路平等^[19]基于立交桥桥墩桩基础的成孔施工、灌注及运营期荷载分析邻近隧道的影响，建立三维有限元模型，发现桩基础加载阶段的影响远大于施工阶段. 双桥墩桩基础中心处的隧道拱顶沉降随桥墩间距的增大而降低，周围存在多个桥桩施工时应考虑叠加效应的影响. 可见，考虑桩基础全寿命期对邻近既有隧道的影响分析是很有必要的^[49].

尽管数值模拟能够有效地为工程提供评估，但现场监测是研究的重要手段之一. 张戈等^[21-22]对杭州某桥梁试桩施工过程中邻近地铁隧道结构竖向、水平位移以及收敛变形进行监测，如图9所示. 结果表明，桥桩施工会造成邻近隧道产生变形，但远小于桩基工后沉降所引起的，且桥桩离地铁越近，对地铁隧道的影响越大，产生的沉降漏斗半径越大. 徐云福等^[20]指出全套管钢套管护壁旋挖取土工艺，结合盾构隧道和周围土体的动态信息化监测，能够较好地预警、控制施工风险.

4.2 控制保护技术

桥桩基础对地铁隧道的影响主要与桩基础选型（桩径、桩间距、桩长）、施工工法及顺序、桩-隧相对空间位置关系、土质条件等因素有关. 研究控制邻近隧道沉降和水平变形的工程措施、保证地铁结构的安全使用，已成为工程建设中急需解决的难题. 整合已有文献的桥桩邻近地铁隧道施工的控制保护技术实例，如表5所示.

综上可知，桥桩邻近既有地铁隧道施工应该注意以下几点. 1）正式施工前应进行试成桩，且数量不少于3根；2）成桩顺序应遵循先近后远的原则；3）桥桩施工时，可以采取钢套管护壁、增加泥浆比重、地基预加固、间隔跳开施工等措施，减少成桩施工的影响；4）成桩前，应建立地铁隧道实时监测系统，实行成桩全过程信息化施工.

过去多年，国内外针对桩基础近接既有地铁隧道施工的限定范围进行初步的探讨，如：在伦敦，要求非挤土桩和挤土桩距离隧道的最小净距分别为3和15 m；在新加坡，隧道两侧40 m范围内构筑物建设应分区域对待；在上海，按距隧道的最小净距分为3和30 m 两个区域分别对待^[1]. 总的来说，国内外尚未提出适用不同土质条件地区下明确完善的分区分级规定，导致在实际工程中的应用缺乏灵活性.

5 存在问题及研究展望

总结了国内外学者在桥桩与地铁隧道相互影响问题上取得的研究成果，鉴于此，笔者提出目前研究中尚需探讨的一些问题和进一步的研究方向，主要内容如下.

1）研究方法. 目前，已有的理论研究、模型试验、数值仿真和实测分析等对桥桩与地铁隧道的相互作用影响进行讨论. 现有研究大多可重用性、可操作性强，能够反映出一定影响规律的数值仿真，尚缺少不同研究方法间的比较分析与综合运用. 方法的多样化、有效性、适用性研究，是深入探究的一大方向. 由于问题的复杂性，大比尺模型试验及施工全过程现场实测不可或缺，国内在这两方面的研究较少见，这与愈发常见且突出的桩隧邻近施工问题极不相称. 如何合理地布设考虑全寿命周期影响的监测点位，利用数据反分析探究以及提升室内模型试验环境模拟的真实性将是研究成果不断取得突破的一大方向，也是更加具有工程应用性、实践性的必然要求.

2）研究对象. 现阶段是国内城市地铁建设的火热时期，新建地铁邻近既有桩基的施工问题更突出，已有许多学者对该问题进行深入的研究. 随着地铁的逐渐建成，运营地铁隧道的保护将引起大家重视. 随着市政桥梁（高架）的不断覆盖，考虑桥桩施工过程，成桩工后沉降与长期运营荷载对既有地铁的影响尚存在极大的研究前景. 恶劣的地质条件如杭州湾软土地区的施工问题，是研究者们需要密切关注的方面.

3）控制保护技术. 当前，近接施工的控制保护方法主要有：注浆加固法、隔断法、改进补强法、调整设计和施工、桩基托换及切削法等. 这些控制方法和机理需要进一步的研究，且不同工程中的应用效果需要更全面的评价. 应用多种方法结合改进措施，会成为未来工程的革新应用. 此外，软弱地层中的微扰动施工能够较大程度地减少对周围地层的扰动，基于现场监测信息化的动态施工反馈技术可以为工程提供新的预测手段. 目前，大多工程未意识到微扰动施工的重要性，下一步需要大量的应用实践研究，以期形成完整的工序体系.

4）风险分级（邻近分区）. 风险分级是一种衡量近接施工影响区域划分的评判标准，也是区分采用何种保护和补救措施的标准. 邻近分区的确定需要基于大量工程实践和理论分析计算结果的总结，才能有效地指导工程实际. 目前，国内尚未形成详细的桥桩与地铁隧道近接施工划分的详细标准，主要根据既有结构与新建结构的位置关系，粗略划分为：无影响区、一般影响区和严重影响区，并对应不同的保护措施区域. 本文列举的地铁邻近桥桩施工的风险分级研究成果工程应用良好，但不同地质区域桥桩与地铁隧道相互作用影响问题的相关标准分级依旧空白，因此有必要出台该类可行性高的控制风险分区标准，才能在工程中达到有章可循.

6 结　语

桥桩与地铁隧道的相互影响问题是一个十分复杂的研究课题，受隧道-土体-桥桩相互作用各因素的影响，具有不断发展的变化规律. 随着施工技术的不断发展、隧道工程、桩基工程以及土力学等各学科理论的发展以及试验测试水平的提高，现场实测结合理论试验的方法将得到广泛的应用. 现有的研究成果如何体现其工程实践性、可行性、应用性，为工程提供有效指导，这是研究者们不断探究的核心要义. 本文总结了近年来国内外关于该问题的一系列研究成果，指出今后桥桩与地铁隧道相互作用问题的现有不足和研究展望，希望为以后的相关研究提供有益的参考.