張 強(qiáng) 鄭茜茜
近年來(lái),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展與地下空間資源的開發(fā)利用,盾構(gòu)法隧道工程技術(shù)得到了快速的發(fā)展。尤其是隨著國(guó)內(nèi)各大城市軌道交通項(xiàng)目的廣泛開展,盾構(gòu)法施工已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn),在通常情況下已經(jīng)能夠較好地預(yù)測(cè)并控制盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周圍環(huán)境的影響。但是,當(dāng)隧道近距離穿越地下既有構(gòu)筑物時(shí),如何確保構(gòu)筑物與隧道自身的安全,減少盾構(gòu)隧道近距離穿越施工時(shí)的相互影響問題,給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn),已經(jīng)引起了地下工程界和巖土工程界甚至包括地鐵承包商在內(nèi)的高度重視。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)近距離穿越構(gòu)筑物施工開展了廣泛研究,王占生等人[1]提出了盾構(gòu)通過(guò)建筑物時(shí)的施工控制參數(shù)和常見的工程處理措施,李永靖等人[2]得到了地鐵及基礎(chǔ)圍巖的應(yīng)力與位移變化規(guī)律,衡朝陽(yáng)等[3]提出了地鐵隧道周邊建筑物地基基礎(chǔ)的變形控制標(biāo)準(zhǔn),李國(guó)成等[4]分析了武漢長(zhǎng)江隧道施工對(duì)周圍建筑的影響。但是,大部分學(xué)者的研究都是從盾構(gòu)施工參數(shù)與施工工藝的角度出發(fā),提出相應(yīng)的施工控制措施,而對(duì)既有構(gòu)筑物在被穿越過(guò)程中的力學(xué)行為的研究則相對(duì)不足。
基于此,本文以廣州地區(qū)某地鐵隧道近距離穿越橋梁樁基為工程背景,借助于MIDAS有限元軟件,研究橋梁樁基在被穿越過(guò)程中,隧道與樁基的相互作用,為工程的順利開展奠定理論基礎(chǔ),并為類似工程的設(shè)計(jì)與施工積累經(jīng)驗(yàn)。
工程所在范圍自上而下地層依次為:素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土與全風(fēng)化花崗巖,根據(jù)該標(biāo)段勘測(cè)圍巖自上而下地質(zhì)情況,可以將其綜合歸并為4層材料性質(zhì)巖土體,具體如表1所示。
表1 地層相關(guān)參數(shù)
另外,隧道管片與樁基的物理力學(xué)參數(shù)也示于表1中。盾構(gòu)外徑6 340 mm,內(nèi)徑6 200 mm,管片厚度35 cm,采用C50鋼筋混凝土,橋梁樁基直徑1 500 mm,采用C25鋼筋混凝土。
分別選用板單元與梁?jiǎn)卧M混凝土管片與橋梁樁基,土體采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。同時(shí),為簡(jiǎn)化計(jì)算,模擬中假定管片緊跟開挖面,以每米為一個(gè)開挖步,有限元模型如圖1所示,模型尺寸為60 m×60 m×38 m,橋梁樁基位于模型中部,模型采用位移邊界條件。
1)實(shí)際工程中,地層受到刀盤的切削與振動(dòng),盾殼通過(guò)時(shí)的剪切以及向盾尾建筑空隙位移趨勢(shì)等因素的影響,在管片與地層有效接觸前,地層應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)一定的釋放,因此,在開挖后管片添加前,釋放5%的地層荷載。
2)實(shí)際施工中,為了有效抑制盾構(gòu)通過(guò)時(shí)對(duì)樁基的不利影響,對(duì)樁基四周地層進(jìn)行了注漿加固,加固范圍為距離樁基中心2倍樁徑范圍,因此,本文將樁基四周加固地層的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整,進(jìn)一步分析地基改良情況對(duì)樁基位移趨勢(shì)的具體影響。
3)考慮到管片接縫對(duì)襯砌整體剛度的影響,分別采用管片剛度折減系數(shù)η=0.7與η=0.8模擬通縫拼裝與錯(cuò)縫拼裝,進(jìn)一步分析管片拼裝方式對(duì)橋梁樁基的具體影響。
為了充分了解樁基與隧道之間的相互作用,分別對(duì)穿越過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移,以及樁基的位移等進(jìn)行分析。
1)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。
表2 隧道最大橫向彎矩及其相應(yīng)軸力情況
對(duì)隧道安全有重大影響的是結(jié)構(gòu)的橫向內(nèi)力及其變化,不同管片剛度折減系數(shù)下,隧道結(jié)構(gòu)的最大橫向彎矩值及其相應(yīng)軸力見表2。
由表2可見,由于樁基的存在,垂直方向的最大橫向內(nèi)力出現(xiàn)在隧道拱底處,彎矩與軸力分別達(dá)到-71 kN·m與358 kN,而水平方向的最大橫向內(nèi)力則出現(xiàn)在與樁基相鄰一側(cè)的管片邊墻處,分別達(dá)到71 kN·m與352 kN。同時(shí),提高剛度折減系數(shù),結(jié)構(gòu)內(nèi)力出現(xiàn)相應(yīng)的增大,主要體現(xiàn)在彎矩的變化上。
2)隧道位移分析。
以管片剛度折減系數(shù)為0.7為例,隧道的位移情況如圖2,表3所示。
由圖2可知,在鄰近樁基附近,隧道的水平位移出現(xiàn)了突變。在遠(yuǎn)離樁基一側(cè),隧道的最大水平位移發(fā)生在拱腰處,達(dá)到1.56 cm,表明樁基的存在,導(dǎo)致隧道相應(yīng)位置處的水平位移增大。
表3 隧道最大位移情況 cm
由表3可知,由于樁基的存在,使得隧道沿水平方向的變形出現(xiàn)左右不對(duì)稱現(xiàn)象,其中靠近樁基一側(cè)隧道邊墻的水平變形要大于遠(yuǎn)離樁基一側(cè)的位移。
另外,從隧道具體的位移數(shù)值上看,整體變形不大,最大相對(duì)變形發(fā)生在垂直方向,為2.9 cm。
3)樁基變形分析。
盾構(gòu)近距離穿越施工,必將加劇樁基的水平位移趨勢(shì),不同的管片剛度折減系數(shù)與不同的地基條件下,樁基的水平變形情況如表4所示(表4中樁基1距離隧道相對(duì)較近,而樁基2則距離隧道相對(duì)較遠(yuǎn))。
表4 樁基的最大水平位移情況 cm
由表4可知,地基加固后,樁基1的水平位移減少了1.01 cm (占總位移量的40.2%),同時(shí)樁基2的水平位移也相應(yīng)減小了0.73 cm(占總位移量的48.3%),樁基的水平位移趨勢(shì)得到了明顯的改善。同時(shí),當(dāng)管片剛度折減系數(shù)從0.7增大到0.8,發(fā)現(xiàn)樁基的水平位移幾乎沒有任何變化,因此從隧道對(duì)鄰接樁基的影響看,可以認(rèn)為改變管片拼裝方式,對(duì)鄰接“建筑物”幾乎沒有影響。
通過(guò)樁基被盾構(gòu)隧道近距離穿越過(guò)程中,樁基與隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移的變化情況,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:
1)鄰近樁基施工,將會(huì)導(dǎo)致隧道自身結(jié)構(gòu),特別是靠近樁基一側(cè)邊墻內(nèi)力(彎矩)增大,將會(huì)加劇相應(yīng)位置的變形,對(duì)隧道的整體穩(wěn)定不利。同時(shí),管片剛度折減系數(shù)的增大,將會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)力的相應(yīng)增大,表明錯(cuò)縫拼裝時(shí),隧道結(jié)構(gòu)的安全性將會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的降低。
2)樁基的存在,將會(huì)加劇相應(yīng)位置處隧道的位移趨勢(shì),越靠近樁基,位移趨勢(shì)越大,尤其體現(xiàn)在隧道拱腰處的水平位移上。
3)從樁基的變形角度看,盾構(gòu)隧道近距離穿越施工將會(huì)引起既有橋梁樁基產(chǎn)生偏向隧道方向的“拉伸”變形,距離隧道越近,“拉伸”變形越大。
4)不同的管片剛度折減系數(shù)對(duì)樁基的水平位移幾乎沒有影響,表明改變管片的拼裝方式,對(duì)隧道附近地下構(gòu)筑物影響不大。
5)樁基附近地基的加固處理,將會(huì)顯著減小樁基向隧道方向的水平位移,而且越靠近隧道,對(duì)樁基水平位移的限制作用越明顯。因此,為了確保樁基的安全,建議采取地基改良措施,增大樁基與周邊地層的整體剛度,限制向隧道方向的水平位移趨勢(shì)。
[1] 王占生,王夢(mèng)恕.盾構(gòu)施工隨周圍建筑物的安全影響及處理措施[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2002,12(2):45-49.
[2] 李永靖,張向東.城市地鐵開挖對(duì)地表建筑物影響研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2006,2(8):1326-1329.
[3] 衡朝陽(yáng),藤延京,陳希泉.地鐵盾構(gòu)隧道周邊建筑物地基基礎(chǔ)變形控制研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2006,2(8): 1336-1340.
[4] 李國(guó)成,李煒民.長(zhǎng)江隧道施工對(duì)周圍建筑的影響分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2007(7):52-55.