吳曉騰，李海生，賈寶新

（1.中鐵十八局集團(tuán) 南京地鐵項目部，南京 210000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，阜新 123000）

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市建設(shè)日新月異，但由于城市土地資源有限，城市規(guī)模擴(kuò)展受到限制，因此地下空間被不斷地開發(fā)利用，隧道盾構(gòu)法以其施工速度快、安全高效、地表變形小、對地面環(huán)境干擾小等優(yōu)點成為城市地下空間開發(fā)的主要方法。

盾構(gòu)施工對土體的擾動表現(xiàn)為盾構(gòu)對土的擠壓和松動、加載與卸載、孔隙水壓上升與下降所引起土性的變異、地表隆起與下沉等。盾構(gòu)施工引起的地層損失和盾構(gòu)隧道周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土再固結(jié)，是地面沉降的基本原因。與其他形式的隧道盾構(gòu)施工相比，小凈距盾構(gòu)施工對已建高架橋基礎(chǔ)的影響預(yù)測及控制問題更為復(fù)雜、施工難度更大?；诖?，地鐵盾構(gòu)引起的現(xiàn)存樁基承載力、下沉量問題必須做出深入研究[1－4]。

文獻(xiàn)[5]分析地鐵施工對鄰近橋樁影響研究現(xiàn)狀，介紹典型實例和處理方法，提出目前研究中亟待解決的關(guān)鍵問題，并對未來的研究途徑做出展望。建成后的垂直小凈距穿越高架橋樁基安全分析等很有研究價值，可以為南京地鐵三號線盾構(gòu)小凈距穿越高架橋復(fù)雜工況地表沉陷做出預(yù)測，為高質(zhì)量建設(shè)地鐵提供可靠的技術(shù)支撐，為地鐵沿線建筑與工程的安全可靠性做出預(yù)測，可謂意義重大。

本文采用FLAC3D數(shù)值分析軟件分析南京地鐵3號線盾構(gòu)推進(jìn)過程中，從已有高速高架橋樁基下穿過，盾構(gòu)施工對樁基應(yīng)力和位移的影響，從而對工程的可行性和風(fēng)險進(jìn)行判斷。

1 工程概況

南京地鐵3號線吉印大道站 秣周路站部分區(qū)間段需要從已有高速高架橋下繞越，繞越高速為預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋，采用1000樁基礎(chǔ)，樁長46m，盾構(gòu)隧道與樁基礎(chǔ)最小凈距約1.9m，樁頂距地面5m，盾構(gòu)區(qū)間與繞越高速樁基之間采取地表壓密注漿加固方式，該路段擬采用盾構(gòu)法施工，隧道直徑6.2m，隧道底板標(biāo)高－13.392～－4.382m。隧道頂部距離地面xx m，隧道將樁基一側(cè)穿過，其中隧道外側(cè)距樁基的水平距離僅為2m左右，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間鄰近橋基時加固示意圖

該段區(qū)間段土體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。隧道穿越土層及基礎(chǔ)底板下巖土層主要為③-1b1-2粉質(zhì)粘土、③-2b2-3粉質(zhì)粘土（局部為②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③-2c-d2-3粉砂夾粉土），其中②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為軟弱土層、③-2c-d2-3粉砂夾粉土為易擾動土層，其他為可～硬塑土層。線路區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，地層產(chǎn)狀一般比較和緩，走向北西，傾角小于30°。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料反映，區(qū)內(nèi)僅發(fā)育低序次NE和NW二組斷裂，對基巖面的起伏變化有一定的影響。

2 計算模型

2.1 模型建立

本計算采用Ansys軟件建立三維模型，然后導(dǎo)入到FLAC3D軟件進(jìn)行計算，得出合理的模擬結(jié)果，為現(xiàn)場施工做出指導(dǎo)。模型尺寸長×寬×高為50m×30m×40m，隧道位于模型中上部，隧道中線兩側(cè)各25m，沿隧道盾構(gòu)方向為30m，隧道為圓形斷面，半徑為3.1m，三層管片支護(hù)，共厚3500mm。管片單元采用六面體單元，土體及橋基采用四面體單元，圖2中三維模型共409323個單元，91207個節(jié)點，為盡可能準(zhǔn)確地考察隧道、橋基變形和受力情況，模型中隧道、橋基附近單元格較密，遠(yuǎn)離隧道、橋基處單元劃分較疏。

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)

圖2 模型網(wǎng)格劃分

2.2 材料計算參數(shù)

土體材料參數(shù)詳見表1，管片、樁基、混凝土結(jié)構(gòu)視為彈性體，具體參數(shù)見表2，運用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷土體的破壞。

表2 土體和材料參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果分析

計算時，首先開挖盾構(gòu)并迅速拼裝盾構(gòu)管片成環(huán)，采用錯縫拼裝方法，再進(jìn)行注漿加固。模擬中的隧道變形是在準(zhǔn)靜態(tài)下完成的，總長30m，每次開挖3m，分10步開挖，每次開挖后隧道頂?shù)装遄冃嗡俾瘦^大，有明顯的拐點，而后變形速率減小，變形基本停止，進(jìn)入穩(wěn)定階段，與實際情況相符合。

2.3.1 小凈距穿越高架橋?qū)Φ乇硗馏w變形的影響 按照Peck理論分析，盾構(gòu)開挖引起的地表沉降曲線近似呈高斯分布，會形成一個沉降槽[6]，根據(jù)模擬結(jié)果繪制了南京地鐵3號線小凈距穿越高架橋情況下地表土體沉降曲線，如圖3所示。

圖3 隧道施工引起的地表沉降

由圖3中可以看出，高架橋橋基無注漿加固時，靠近高架橋一側(cè)的土體變形大于另一側(cè)，隨著盾構(gòu)的繼續(xù)進(jìn)行，地表沉降繼續(xù)發(fā)展，但趨勢明顯趨于穩(wěn)定，最大沉降量發(fā)生在隧道與橋基之間上方，約11mm左右；橋基有注漿加固時，地表沉降量明顯降低，最大沉降量向隧道一側(cè)移動，最大沉降量約8mm。

2.3.2 小凈距穿越高架橋受力影響分析 通過模擬隧道穿越已有高架橋樁基，其最大主應(yīng)力分布如圖4和圖5所示，由圖4和圖5中可以看出，最大主應(yīng)力位于橋梁樁基底部，隧道頂板、側(cè)底45°位置主應(yīng)力較大，注漿加固起到了一定的效果。圖3中隧道右?guī)椭胁烤嚯x橋基2m，該處最大主應(yīng)力較小，樁基的影響最大主應(yīng)力得到了一定程度的釋放。

圖4 樁基中截面處樁基與隧道最大主應(yīng)力分布云圖

圖5 隧道管片三維最大主應(yīng)力云圖

圖6 樁體中截面處樁體與隧道剪切應(yīng)力云圖

由圖6可以看出，盾構(gòu)穿越樁基附近其剪切應(yīng)力影響較小，隧道右?guī)拖聜?cè)剪切應(yīng)力較大，主要原因為盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)過程中，土體與管片單元摩擦加大，導(dǎo)致剪切應(yīng)力加大，現(xiàn)場施工時應(yīng)適當(dāng)調(diào)整施工參數(shù)、減小盾構(gòu)推力，勻速推進(jìn)。

2.3.3 凈距對隧道穿越高架橋位移影響分析 當(dāng)隧道埋深在12m情況下，取隧道與高架橋間凈距為1.0m、2.0m、3.0m、4.0m、5.0m和6.0m下重新進(jìn)行有限元模擬，在地表和樁基頂部設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測其位移變化，得到圖7和圖8所示結(jié)果。

圖7 不同凈距下地表最大變形量

圖8 不同凈距下樁基頂部位移變化

隧道開挖對地表變形、樁基頂部位移變化的影響是設(shè)計者最關(guān)心的問題之一。在圖7模擬的不同凈距下，盾構(gòu)小凈距穿越高架橋樁基引起的地表水平位移和豎直位移在10 mm以下，且豎向位移大于水平位移。圖8模擬的不同凈距下，樁基頂部豎直位移和水平位移隨著凈距的增加而減小，凈距越小位移變化率越快，當(dāng)凈距小于2.5m時，樁頂水平位移大于豎直位移。

3 計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

在南京地鐵三號線盾構(gòu)小凈距穿越高架橋樁基礎(chǔ)施工中對樁軸力進(jìn)行了實測，本文重點就盾構(gòu)過程中橋墩軸力和豎向位移進(jìn)行分析。在樁基頂部向下約2m處向樁身鉆孔，鉆入深度約為樁徑的1／3，安裝應(yīng)力盒，并用速凝混凝土澆注振搗密實堵孔，保持應(yīng)力盒受力狀態(tài)良好并能靈敏反應(yīng)樁內(nèi)軸力的變化情況。同時，樁基豎向位移監(jiān)測采用精密水準(zhǔn)測量方法，控制網(wǎng)采用一等水準(zhǔn)測量精度要求施測，觀測點采用二等水準(zhǔn)測量精度要求施測，監(jiān)測精度為0.3mm。監(jiān)測第一天盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到高架橋附近，第二天開始下穿施工，現(xiàn)場監(jiān)測過程中，每天記錄一次數(shù)據(jù)。

樁基軸力、豎向位移計算值與實測值對比情況如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知，隧道施工對樁基軸力和豎向位移影響的實測值與數(shù)值模擬結(jié)果在總體規(guī)律上較為吻合，所不同的是樁基軸力實測值大于計算值，樁基豎向位移實測值小于計算值，主要原因在于：FLAC3D數(shù)值模擬考慮的是樁基底段軸力變化情況，而現(xiàn)場實測值是樁頂附近軸力變化情況；同時這兩部分側(cè)摩擦阻力不同，現(xiàn)場實測含有側(cè)向摩擦阻力，而計算中未考慮，故樁基豎向位移實測值小于計算值，其在數(shù)值上有一定的差異，總體趨勢相同，因此可以說明本文中數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

圖9 樁基軸力實測值與計算值對比曲線

圖10 樁基豎向位移實測值與計算值對比曲線

盾構(gòu)未到達(dá)樁基階段，樁基豎向位移曲線變化較小，現(xiàn)場實測豎向位移在0.3mm附近；盾構(gòu)到達(dá)樁基階段，土體擾動加劇，帶動樁基快速產(chǎn)生向上位移，樁基豎向位移迅速由負(fù)向轉(zhuǎn)正向，盾構(gòu)過程中，不斷的開挖支護(hù)導(dǎo)致樁基軸向應(yīng)力、豎向位移波動，現(xiàn)場實測樁基豎向位移控制在1.5mm以下；盾構(gòu)離開樁基階段，土體擾動減小，隧道管片支護(hù)作用明顯，樁基位移進(jìn)入穩(wěn)定階段，現(xiàn)場實測豎向位移在1mm附近。

4 結(jié) 論

通過模擬地鐵盾構(gòu)小凈距穿越高架橋樁基的整個施工過程，分析了隧道小凈距從已有高架橋樁基穿過過程受力和變形，得出以下主要結(jié)論和建議：

1）盾構(gòu)推進(jìn)過程中，地表和樁基的受力和變形受到整個施工過程的影響，地表最大變形量大于樁基頂部變形量，隧道右?guī)拖聜?cè)管片應(yīng)力較大，注漿加固時對減小地表和樁基的受力和變形影響效果顯著。

2）從仿真模擬計算結(jié)果知，凈距對隧道穿越高架橋橋基和地面的位移影響較大，施工時應(yīng)適當(dāng)調(diào)整施工參數(shù)、減小盾構(gòu)推力，勻速推進(jìn)。

3）通過與現(xiàn)場監(jiān)測對比分析，樁基軸力和豎向位移實測值與數(shù)值模擬結(jié)果在總體規(guī)律上吻合，數(shù)值模擬結(jié)果可以為現(xiàn)場提供參考。

4）為了保證現(xiàn)場施工過程中樁基的安全穩(wěn)定，建議控制好施工參數(shù)，加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測，必要時進(jìn)行跟蹤注漿加固。

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