王 琦,杜一鳴

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)),天津300072)

多條盾構(gòu)隧道穿越既有橋基的三維有限元分析

王 琦*,杜一鳴

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)),天津300072)

城市建設(shè)和地下軌道交通的飛速發(fā)展給地鐵施工帶來(lái)了全新的挑戰(zhàn),施工環(huán)境的日益復(fù)雜多變使得城市地鐵施工難度不斷加大.結(jié)合天津某地鐵線路工程實(shí)例,利用三維有限元軟件PLAXIS 3D 2012分析了四線同時(shí)穿越既有橋基時(shí),盾構(gòu)穿越對(duì)橋基變形受力性狀的影響及對(duì)周邊環(huán)境土體變形的影響.計(jì)算結(jié)果顯示:隧道掘進(jìn)可引起樁基礎(chǔ)產(chǎn)生上部沉降、下部隆起的變形,以及較小的水平位移;四線盾構(gòu)掘進(jìn)后,土體產(chǎn)生的累積沉降形狀為“U”型;四線穿越后的橋基群樁的樁側(cè)總摩阻力基本不變;計(jì)算得到的相應(yīng)控制指標(biāo)均處在變形控制標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi),工程安全可行.

盾構(gòu)法掘進(jìn)隧道;既有橋基;有限元分析;變形控制標(biāo)準(zhǔn)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展和地鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的完善,城市地鐵建設(shè)的施工環(huán)境日益復(fù)雜多變.由于大多數(shù)城市的早期規(guī)劃中未考慮到地鐵線路的規(guī)劃,導(dǎo)致地鐵隧道在既有建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)下穿越施工的案例時(shí)有發(fā)生.穿越施工不僅給隧道施工帶來(lái)困難,同時(shí)也對(duì)既有建(構(gòu))筑物造成一定的影響[1-3].

楊永平等[4]通過(guò)平面數(shù)值分析研究了盾構(gòu)隧道近距離下穿某建筑群樁基礎(chǔ),結(jié)果表明隧道穿越使群樁基礎(chǔ)及地表產(chǎn)生了沉降,但沉降數(shù)值在現(xiàn)行規(guī)范容許范圍內(nèi).馬偉斌等[5]對(duì)暗挖法隧道下穿鐵路橋進(jìn)行了三維數(shù)值分析并與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明隧道下穿使鐵路橋橋基和軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了超過(guò)容許的沉降變形,實(shí)際施工時(shí)采用了經(jīng)過(guò)改進(jìn)的施工方法,保證了鐵路橋的安全.黃新民[6]通過(guò)平面數(shù)值分析研究了盾構(gòu)隧道下穿人行天橋的樁基礎(chǔ),結(jié)果表明須對(duì)該樁基礎(chǔ)周圍進(jìn)行注漿加固,以保證人行天橋的安全.綜合國(guó)內(nèi)外研究及案例可知,盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中穿越既有樁基礎(chǔ)橋梁時(shí)難度較大.采用數(shù)值模擬手段對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)行模擬,計(jì)算掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)既有樁基產(chǎn)生的影響,評(píng)估樁基安全,并有針對(duì)性地提出控制標(biāo)準(zhǔn)及保護(hù)措施,在實(shí)際工程中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用.本文結(jié)合天津市兩條地鐵線路同時(shí)穿越某橋梁的工程案例,采用考慮土體硬化特性的硬化土模型(hardening-soil model)的PLAXIS 3D 2012三維有限元軟件對(duì)工程進(jìn)行了施工模擬,重點(diǎn)分析了橋梁樁基在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中自身的受力和變形形態(tài),進(jìn)而對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行了前期安全評(píng)估.

1 工程概況

天津地鐵A線路某盾構(gòu)區(qū)間,單線隧道總長(zhǎng)(右線)1 151.47 m.出站后左右線為上下疊線(右線在上,左線在下),隨后右線逐漸降低并形成雙線平行形式,最終再次以上下疊線(左線在上,右線在下)形式進(jìn)站.其中重疊段區(qū)間隧道長(zhǎng)度約415 m;B線路某盾構(gòu)區(qū)間,單線隧道總長(zhǎng)(右線)1 909 m.B線路本區(qū)間,左右線平面完全重疊,其中左線在下,右線在上.兩條線路在本區(qū)間內(nèi)掘進(jìn)施工存在的自身風(fēng)險(xiǎn)主要為并行和交疊隧道.兩線路在以上兩區(qū)間內(nèi)的某市政橋梁位置交匯并共同穿越該橋橋基,形成四線同時(shí)穿越該橋樁基的不利工況.此時(shí),盾構(gòu)隧道距離橋基邊緣最近處僅2 m,盾構(gòu)穿越橋基平面圖及位置關(guān)系詳見(jiàn)圖1～2.盾構(gòu)掘進(jìn)將對(duì)橋基產(chǎn)生很大的影響,尤其是樁基的變位和受力變化將對(duì)橋梁的安全造成很大影響,施工難度較大.因此,合理的分析預(yù)測(cè)橋梁的變形及受力性狀成為工程安全評(píng)估的重點(diǎn).

圖1 平面圖及樁編號(hào)示意圖Fig.1 Plan of piles and TBM line and the number of piles

圖2 橋基與盾構(gòu)掘進(jìn)線路位置關(guān)系(單位:m) Fig.2 Positional relationship withTBM line of a Bridge′s pile foundation(unit:m)

2 三維有限元分析模型的建立

2.1 有限元模型介紹

本文采用PLAXIS 3D 2012有限元軟件進(jìn)行分析計(jì)算.為消除模型計(jì)算中的邊界效應(yīng),模型計(jì)算域尺寸X×Y×Z為180 m×90 m×100 m,其中Y為隧道掘進(jìn)方向,X為水平面內(nèi)與Y垂直方向,而Z則為土層厚度方向.隧道襯砌外徑為6.2 m,厚度350 mm;樁基直徑1.5 m,計(jì)算樁長(zhǎng)為65 m,樁間距Y方向10 m, X方向間距見(jiàn)圖2,共20根樁.隧道上方最淺覆土約為5.3 m,樁至地鐵隧道之間的最小凈距(樁外皮到隧道外皮距離)為2 m.有限元模型示意圖如圖3所示,模型共包含45 824個(gè)單元,71 531個(gè)節(jié)點(diǎn).

因盾構(gòu)穿越過(guò)程歷時(shí)較短,在天津軟土地區(qū)短時(shí)間內(nèi)可忽略土體自身固結(jié)的影響,故整體計(jì)算中采用不排水(A)[7]算法進(jìn)行計(jì)算.模型采用水土分算、有效應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算.地下水位與土體頂面平齊.

圖3 三維有限元模型圖Fig.3 Picture of the 3-D finite element model

模型邊界條件中除地面為自由面外,其余5個(gè)面均施加法向的約束,且均為不透水邊界.樁上的豎向荷載設(shè)計(jì)值依次為2 000,2 290,4 800,2 290和2 000 k N,作用于樁頂表面.

2.2 模型計(jì)算假定

為簡(jiǎn)化計(jì)算,有限元模型采用如下基本假定:

1)各土層均為水平成層、等厚、均質(zhì)且各向同性材料,襯砌和基礎(chǔ)的變形、受力均在彈性范圍內(nèi);

2)忽略地下水的滲透作用,不考慮土體的固結(jié)和蠕變作用;

3)假定隧道結(jié)構(gòu)在計(jì)算域內(nèi)沿直線水平延伸,且隧道軸線方向與樁承臺(tái)軸線方向平行;

4)將河流等效成靜水壓力施加在河床處.

2.3 模型參數(shù)介紹

本工程場(chǎng)地屬于華北平原東部濱海平原地貌,屬海相與陸相交互沉積地層.下覆土層主要以粉質(zhì)黏土和粉土為主,兼有部分淤泥質(zhì)土層和細(xì)粉砂.

為更好地考慮土體變形的非線性特征,充分考慮土體硬化階段的特性,模型計(jì)算采用硬化土模型進(jìn)行計(jì)算.土體模型參數(shù)如表1所示.

表1中γ為土體的天然重度,c′為土體的有效黏聚力,φ′為土體的有效內(nèi)摩擦角為三軸實(shí)驗(yàn)參考圍壓下50%強(qiáng)度的割線模量,為固結(jié)儀實(shí)驗(yàn)在參考圍壓下的切線模量,為卸載/重加載參考模量.以上土體的物理力學(xué)參數(shù)部分來(lái)自于地質(zhì)勘察報(bào)告,部分參數(shù)則結(jié)合天津地區(qū)軟土室內(nèi)三軸實(shí)驗(yàn)和天津地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)取得.

計(jì)算模型中,橋面板、橋身梁和隧道襯砌均采用線彈性材料模擬.其中,橋面板采用板單元模擬,彈性模量取值30 GPa,泊松比0.2.隧道襯砌采用板單元模擬,但考慮到隧道實(shí)際工程中管片的拼接效應(yīng),依前人研究成果[8-9],考慮裝配式襯砌的螺栓連接剛度對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響,對(duì)襯砌剛度進(jìn)行折減.計(jì)算中將盾構(gòu)隧道剛度有效率取為75%,其彈性模量由34.5 GPa折減為26.0 GPa.樁基礎(chǔ)采用Plaxis中樁單元模擬,彈性模量取值為30 GPa.橋身梁采用梁?jiǎn)卧M,彈性模量取值為30 GPa,截面屬性由工程設(shè)計(jì)圖紙取得.模型中結(jié)構(gòu)物與土體的接觸采用界面單元進(jìn)行模擬,折減系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值為0.7.

表1 模型中土體的物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soils

0.7

2.4 施工模擬及計(jì)算步的設(shè)置

文獻(xiàn)[10]指出,對(duì)于上下重疊隧道采用先下后上的施工順序,后建隧道對(duì)地表沉降和已建隧道的二次擾動(dòng)更小.借鑒相似工程經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合本工程施工特點(diǎn)、周圍環(huán)境及施工進(jìn)度等要求,最終決定先施工B線路左線(下方隧道),再同時(shí)施工A線路雙線,最后施工B線路右線(上方隧道).

模型計(jì)算步驟為:1)進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡;2)生成樁基礎(chǔ)、橋身結(jié)構(gòu)單元及樁上加載;3)開(kāi)挖隧道,開(kāi)挖順序依次為B線路左線(下)、A線路雙線、B線路右線(上)隧道.即依圖2為左下→右側(cè)同時(shí)→左上的順序進(jìn)行掘進(jìn).

計(jì)算過(guò)程中模擬盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)和管片拼裝,以充分考慮盾構(gòu)掘進(jìn)的施工過(guò)程.其施工模擬過(guò)程為:生成盾構(gòu)機(jī)殼單元→開(kāi)挖土體并施加掌子面壓力→向前推進(jìn)盾構(gòu)機(jī)并生成管片單元→繼續(xù)開(kāi)挖土體并生成掌子面壓力→繼續(xù)推進(jìn)盾構(gòu)機(jī)并形成新的管片,后重復(fù).在生成管片的過(guò)程中考慮盾構(gòu)機(jī)殼脫出后的管片與土體之間的間隙,根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn),直徑收縮率取值為0.45%[7].因模型尺寸較大,考慮到模型計(jì)算量,不能做到按照管片尺寸真實(shí)模擬,故掘進(jìn)長(zhǎng)度定為6 m一環(huán).但考慮到掘進(jìn)到樁基附近時(shí)其對(duì)樁基影響顯著,此掘進(jìn)長(zhǎng)度取3 m一環(huán),則每條隧道各20環(huán)管片,分20個(gè)施工步掘進(jìn)完畢.模型共計(jì)設(shè)置計(jì)算步62個(gè).

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表位移分析

樁與隧道相對(duì)位置及樁體編號(hào)情況見(jiàn)圖1.為分析存在樁基條件下,盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表土體位移產(chǎn)生的影響,取盾構(gòu)掘進(jìn)方向第三排樁所在位置地表土體為監(jiān)測(cè)線(監(jiān)測(cè)線位置見(jiàn)圖1),繪制每階段施工完成后地表累計(jì)沉降曲線如圖4所示.

由圖4可知,B線路左線先開(kāi)挖后,隧道上方地表土體產(chǎn)生沉降,最大沉降約為12.7 mm,隨著距離隧道水平距離增加沉降逐漸減小,沉降槽整體上呈“U”形.但值得注意的是,由于樁基的剛度遠(yuǎn)大于土體,因此盾構(gòu)掘進(jìn)雖然引起的各樁樁頂產(chǎn)生一定的沉降,但最大沉降值僅為1.4 mm,出現(xiàn)在3-2和3-3樁頂,導(dǎo)致在土體與樁基交界位置處沉降產(chǎn)生突變.根據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果,隧道近接穿越樁基礎(chǔ),當(dāng)樁底標(biāo)高在隧道之下(摩擦樁)時(shí),隧道的開(kāi)挖相當(dāng)于隧道下方的土體被卸荷,故隧道下方土體和樁基礎(chǔ)均有上浮趨勢(shì),但在樁頂位置因盾構(gòu)掘進(jìn)形成的沉降槽效應(yīng)仍產(chǎn)生沉降,只是較Green field條件沉降有所減小,這與本文計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)的規(guī)律基本吻合.

圖4 不同施工階段地表沉降槽Fig.4 Surface settlement trough of different stages

A線路雙線同時(shí)開(kāi)挖,最大累計(jì)沉降產(chǎn)生在A線路右線上方地表,最大沉降值增加至33.3 mm,同時(shí)沉降槽寬度明顯增大,B線路右線上方地表沉降也有所增加,而3-1和3-2樁之間的土體由于距A線路盾構(gòu)較遠(yuǎn),且受樁基阻隔作用影響較小,沉降變化不大.隨后開(kāi)挖的B線路右線覆土較淺,開(kāi)挖僅造成其上方土體地表產(chǎn)生一定的沉降,對(duì)相鄰位置的土體地表及各樁的影響均較小.最終地表最大沉降出現(xiàn)在A線路右線上方地表靠近3-3樁位置處,最大沉降為33.7 mm.

3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中樁基位移變化

3.2.1 樁基水平位移

四線隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,引起樁基產(chǎn)生的水平位移以X向水平位移為主.因此本文取隧道掘進(jìn)方向第三排樁進(jìn)行分析,各階段隧道穿越過(guò)程中樁身水平位移的累計(jì)變形情況見(jiàn)圖5.

盾構(gòu)機(jī)殼脫出后,在開(kāi)挖面與管片之間會(huì)產(chǎn)生間隙,若注漿不及時(shí)會(huì)引起土體產(chǎn)生向盾構(gòu)隧道臨空面方向的位移,而管片從盾構(gòu)機(jī)推出后在自身重力及周圍水土壓力作用下會(huì)產(chǎn)生豎向直徑壓縮水平直徑伸長(zhǎng)的自身相對(duì)變形,因此會(huì)對(duì)隧道中心深度附近土體的位移產(chǎn)生一定的制約作用,進(jìn)而導(dǎo)致隧道上方和下方的土體位移反而大于隧道中心深度處的土體.土體位移會(huì)影響樁基的變形,從圖中可以看出,當(dāng)B線路左線掘進(jìn)完成后,相鄰的3-2和3-3樁均產(chǎn)生向盾構(gòu)隧道方向的變形,尤其是在樁基中部變形較大,并且樁身在隧道上方和下方深度處的變形大于隧道中心深度處,樁身變形呈“3”形,與上述土體的變形分析規(guī)律相同.由于樁基的阻隔作用,B線路左線穿越對(duì)其余3根樁的影響相對(duì)較小.

隨后A線路雙線掘進(jìn),3-3樁受另一側(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)的影響產(chǎn)生反方向的位移,導(dǎo)致自身最大位移略有減小;3-4樁兩側(cè)盾構(gòu)同時(shí)掘進(jìn),因此左右水平位移有抵消的效果,水平位移總量不高,但由于在B線路左線掘進(jìn)中樁身已經(jīng)產(chǎn)生了一定的變形,因此A線路雙線掘進(jìn)完成后,樁身更多產(chǎn)生向右線方向的變形;3-5樁只受相鄰A線路左線掘進(jìn)的影響,產(chǎn)生指向隧道臨空面方向的變形,并且樁身在隧道下方深度處的變形更大.B線路右線由于埋深較淺,樁身上部受到樁頂橋梁結(jié)構(gòu)的約束較強(qiáng),因此B線路右線施工過(guò)程對(duì)相鄰兩樁在隧道下方深度的樁體變形影響較大,其余三根樁在掘進(jìn)過(guò)程中樁身變形相對(duì)較小,且變形趨勢(shì)基本保持不變.3-3樁和3-4樁屬于兩側(cè)均有隧道側(cè)穿;3-2樁和3-5樁屬于單側(cè)有隧道側(cè)穿;3-1樁兩側(cè)均無(wú)隧道側(cè)穿.圖6為各階段隧道施工中樁身X向最大水平位移比較的柱狀圖,通過(guò)比較可以看出,3-1樁兩側(cè)無(wú)隧道穿越,因此其水平位移相對(duì)較小;3-2右側(cè)緊鄰B線路2條隧道開(kāi)挖,可以看出在B線路左右線2次掘進(jìn)過(guò)程中樁身的水平位移變化最大;3-3樁左側(cè)有2條隧道開(kāi)挖,右側(cè)有1條隧道開(kāi)挖,樁身變形主要還是受左側(cè)B線路掘進(jìn)影響較大,最大變形同樣出現(xiàn)在B線路2次掘進(jìn)過(guò)程中;3-4樁兩側(cè)為A線路左右線,并且左右線同時(shí)掘進(jìn),因此樁身水平位移有抵消的效果,水平位移總量相對(duì)較小;而4條隧道均在3-5樁左側(cè)開(kāi)挖,水平位移總量為樁整體向左移動(dòng),水平位移在A線路掘進(jìn)過(guò)程中變化較大.通過(guò)數(shù)值比較,盾構(gòu)穿越過(guò)程中對(duì)各樁均有影響,其中對(duì)3-2、3-3和3-5樁X向水平位移影響相對(duì)較大,各線穿越完成后最大X向水平位移超過(guò)3 mm.

圖5 各階段隧道施工引起的工程樁X向水平位移Fig.5 Additional X-direction horizontal movement in piles induced by tunneling

圖6 各階段隧道施工中樁身X向最大水平位移比較Fig.6 The comparison of the maximum X-direction horizontal movement in piles induced by tunneling

3.2.2 樁基豎向位移

四線隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中同樣也會(huì)引起工程樁產(chǎn)生豎向位移,本文同樣取隧道掘進(jìn)方向第三排樁進(jìn)行分析,并將各階段隧道穿越過(guò)程中樁身豎向位移的累計(jì)變形繪制于圖7.

隧道掘進(jìn)過(guò)程中,由于土體的卸荷作用,會(huì)引起隧道上方土體沉降,而隧道下方土體隆起,因此相鄰工程樁在土體變形影響下也會(huì)產(chǎn)生上部樁身沉降下部樁身隆起的豎向壓縮變形.從圖中可以看出,當(dāng)B線路左線掘進(jìn)完成后,對(duì)于相鄰的3-2和3-3樁基本表現(xiàn)為隧道深度以上樁身沉降、隧道深度以下樁身隆起的變形,而由于工程樁的阻隔作用,B線路左線穿越對(duì)其余3根樁的影響相對(duì)較小.

圖8 各階段隧道施工中樁身豎向最大位移比較Fig.8 The comparison of the maximum additional vertical movement in piles induced by tunneling

A線路雙線掘進(jìn)同樣引起3-3、3-4和3-5樁產(chǎn)生相應(yīng)的壓縮變形;值得注意的是,對(duì)于3-3樁受右側(cè)A線路右線掘進(jìn)的卸荷作用影響,樁身下部的隆起值有所增加上部沉降值有所減小,并且隆起的范圍也向上擴(kuò)展;而對(duì)于3-5樁,由于左側(cè)A線路左線埋深較大,導(dǎo)致樁身上部沉降范圍及沉降值均大于其他樁,且樁身下部隆起相對(duì)較小.

B線路右線掘進(jìn)對(duì)于相鄰的3-2和3-3樁影響較大,樁身上部沉降范圍及沉降值均有所減小,3-3樁樁頂甚至已經(jīng)不再沉降,而B(niǎo)線路右線掘進(jìn)對(duì)于其余3根樁在掘進(jìn)過(guò)程中樁身變形相對(duì)較小.

圖7 各階段隧道施工引起的工程樁豎向位移Fig.7 Additional vertical movement in piles induced by tunneling

圖8 為各階段隧道施工中樁身豎向最大位移比較的柱狀圖,通過(guò)比較可以看出,3-1樁兩側(cè)無(wú)隧道穿越,因此其豎向位移變化相對(duì)較小;3-2右側(cè)緊鄰B線路2條隧道開(kāi)挖,B線路左線掘進(jìn)后樁身豎向以沉降為主,而淺埋的B線路右線掘進(jìn)后樁身則過(guò)渡為隆起為主;同樣3-3樁在B線路左線掘進(jìn)后樁身豎向以沉降為主,而受A線路雙線及B線路右線影響過(guò)渡為隆起變形,并且隆起量超過(guò)3-2樁;3-4樁與3-2樁變形過(guò)程相似;對(duì)于3-5樁,由于樁左側(cè)的A線路左線埋深較大,導(dǎo)致樁身最大豎向位移一直表現(xiàn)為沉降,樁身以沉降變形為主.通過(guò)數(shù)值比較,盾構(gòu)穿越過(guò)程中對(duì)3-2、3-3、3-4和3-5樁豎向位移均有影響,各線穿越完成后3-2、3-3和3-4樁以隆起變形為主,其中3-3樁最大隆起量為2.3 mm,而3-5樁則以沉降為主,最大沉降為2.4 mm.

3.3 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中樁基內(nèi)力變化

3.3.1 樁基彎矩分析

隧道施工影響導(dǎo)致的樁基內(nèi)部彎矩的分布應(yīng)與水平位移的分布相吻合[11-12],將盾構(gòu)隧道全部施工完成后在樁基中產(chǎn)生的附加彎矩繪制于圖9.

對(duì)比圖5中全部隧道施工完成后樁基的水平位移曲線與圖9中樁基的附加彎矩曲線,在樁基水平位移極值的深度,樁基礎(chǔ)內(nèi)部也產(chǎn)生較大的附加彎矩.尤其是對(duì)于3-3和3-4樁,由于樁兩側(cè)均有盾構(gòu)隧道掘進(jìn),引起的樁身沿深度方向的水平位移變化更加劇烈,雖然3-4樁的水平位移總量相對(duì)較小,但是受樁身變形的影響,產(chǎn)生的附加彎矩卻是在5根樁中最大,最大附加彎矩出現(xiàn)在樁身約35 m深度處.在實(shí)際施工中需要引起注意,做好相應(yīng)的保護(hù)措施,并加強(qiáng)對(duì)該樁的監(jiān)測(cè).

圖10為各階段隧道施工中樁身最大附加彎矩絕對(duì)值比較的柱狀圖,通過(guò)比較可以看出,3-1樁在隧道穿越過(guò)程中附加彎矩變化均相對(duì)較小;而3-2樁受右側(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)的影響,其附加彎矩變化比3-1略大,但相比于其余3根樁很小;3-3、3-4和3-5樁受盾構(gòu)掘進(jìn),尤其是A線路雙線掘進(jìn)的影響較大,可以看出在雙線掘進(jìn)后樁身附加彎矩均有明顯的增加,尤其是3-4樁,附加彎矩超過(guò)2 000 k N·m.可知,盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)引起各樁樁身附加彎矩的增加,尤其是在A線路雙線掘進(jìn)過(guò)程中,對(duì)于3-3、3-4和3-5樁的影響非常明顯.

圖10 各階段隧道施工中樁身最大附加彎矩絕對(duì)值比較Fig.10 Absolute values of additional bending moment in piles induced by tunneling

3.3.2 四線穿越后樁基側(cè)摩阻分析

由于盾構(gòu)穿越的影響,樁周土體變形引起了樁側(cè)摩阻力的變化.第三排工程樁的樁側(cè)總摩阻力變化見(jiàn)表2.表2顯示,樁側(cè)總摩阻力的總體變化不大,均處在6%范圍以內(nèi),其中對(duì)于3-2、3-3和3-4樁影響相對(duì)較大,最大增量為5.24%.四線盾構(gòu)推進(jìn)后,群樁中部分樁基的總側(cè)摩阻力增大,樁基的承載力儲(chǔ)備得到了一定程度的發(fā)揮,但變化不大.

綜上所述,盾構(gòu)掘進(jìn)會(huì)對(duì)周圍土體及樁基產(chǎn)生影響,引起樁基產(chǎn)生變形及附加內(nèi)力.在X向水平位移方面,盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)3-2、3-3和3-5樁X向水平位移影響相對(duì)較大,最大位移出現(xiàn)在3-3樁,最大值為3.8 mm;而豎向位移方面,各線穿越完成后3-2、3-3和3-4樁以隆起變形為主,最大隆起出現(xiàn)在3-3樁,最大隆起量為2.3 mm,而3-5樁則以沉降為主,最大沉降值2.4 mm;對(duì)于樁基附加彎矩,3-3、3-4和3-5樁變化較大,尤其是在A線路雙線掘進(jìn)過(guò)程中增加非常明顯,各線全部施工完后最大附加彎矩出現(xiàn)在3-4樁,最大值為2 152 k N·m;而樁側(cè)總摩阻力對(duì)于3-2、3-3和3-4樁影響相對(duì)較大,其中3-2樁最大增加5.24%.

圖9 隧道施工引起的樁基礎(chǔ)附加彎矩Fig.9 Additional bending moment in piles induced by tunneling

針對(duì)上述分析,在盾構(gòu)掘進(jìn)中應(yīng)對(duì)樁基進(jìn)行變形及內(nèi)力的監(jiān)測(cè),并且根據(jù)樁基變形及內(nèi)力變化特點(diǎn)有針對(duì)性的進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注,提出相應(yīng)的控制指標(biāo)和保護(hù)措施,保證盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的樁基安全.

表2 樁側(cè)總摩阻力變化統(tǒng)計(jì)Tab.2 Incremental total pile shaft resistance of every pile

4 計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)

依工程需要,需對(duì)施工后橋梁及周邊環(huán)境作出安全性評(píng)價(jià),依現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估.評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3.表格中相應(yīng)的控制指標(biāo)均處在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi),需指出的是,雖然在前文分析中所提及的土體地表沉降在盾構(gòu)掘進(jìn)后最大達(dá)到33.7 mm,但該位置位于河底,而河道以外地表最大沉降值為23 mm.因此可以認(rèn)為計(jì)算得到的變形滿足相關(guān)規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)要求,方案是安全可行的.

5 結(jié)論與展望

本文結(jié)合天津地鐵盾構(gòu)工程實(shí)例,利用有限元分析軟件PLAXIS 3D 2012對(duì)工程施工進(jìn)行了模擬分析,通過(guò)對(duì)比計(jì)算結(jié)果與變形控制標(biāo)準(zhǔn),對(duì)工程進(jìn)行了安全評(píng)估.主要得出如下結(jié)論:

1)根據(jù)隧道掘進(jìn)階段對(duì)臨近既有橋梁樁基礎(chǔ)影響的分析可知,隧道掘進(jìn)引起樁基礎(chǔ)產(chǎn)生上部沉降下部隆起的變形,而由于受到土體卸荷及盾構(gòu)隧道的制約共同作用,導(dǎo)致樁基水平方向產(chǎn)生“3”形變形.

2)樁基水平方向變形會(huì)引起附加彎矩,但值得注意的是盾構(gòu)施工完成后最大附加彎矩出現(xiàn)在3-4樁,而該樁的水平位移卻并非最大,最大附加彎矩與最大位移并不同時(shí)出現(xiàn)在同一根樁上.

3)四線穿越后群樁的樁側(cè)總摩阻力基本不變.群樁中部分樁側(cè)總摩阻力增大,樁基的承載力儲(chǔ)備得到一定程度的發(fā)揮,但變化不大,變化值在6%以內(nèi).

4)根據(jù)四線盾構(gòu)工況和單線盾構(gòu)工況對(duì)樁基礎(chǔ)累積影響的對(duì)比分析得出,其對(duì)土體產(chǎn)生的累積沉降形狀為“U”型.

5)將計(jì)算結(jié)果與由相應(yīng)規(guī)范得到的變形控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析后可知,計(jì)算值均滿足工程控制標(biāo)準(zhǔn)要求,結(jié)果表明工程安全可行.但在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中仍應(yīng)對(duì)樁基進(jìn)行變形及內(nèi)力的監(jiān)測(cè),并根據(jù)樁基變形及內(nèi)力變化特點(diǎn)有針對(duì)性地進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注,提出相應(yīng)的控制指標(biāo)和保護(hù)措施,保證盾構(gòu)過(guò)程中的樁基安全.

由于本工程尚處在設(shè)計(jì)論證階段,無(wú)工程實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,但根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析和工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)比,可以認(rèn)為本文的計(jì)算結(jié)果處在合理的范圍之內(nèi),可對(duì)工程安全評(píng)估起到一定的指導(dǎo)作用.但因有限元分析的假設(shè)和數(shù)值分析計(jì)算的局限性,對(duì)工程做出定量精確預(yù)測(cè)難以實(shí)現(xiàn),故應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn),在相應(yīng)變形敏感部位增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置,在施工過(guò)程中做好監(jiān)測(cè),對(duì)超標(biāo)變形等及時(shí)報(bào)警,以保證工程施工方案的順利實(shí)施.

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表3 計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)Tab.3 Evaluation of the results mm

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3-D Finite Element Analyses of Shield Tunneling Passing Pile Foundation of Existing Bridges

WANG Qi*,DU Yi-ming
(School of Civil Engineering,Tianjin University,Key Laboratory of Coast Civil Structures and Safety (Tianjin University),Ministry of Education,Tianjin 300072,China)

:With new challenges brought by the rapid development of urban construction and subway construction,metro construction has become increasingly difficult due to the complex construction environment.Based on a case history of Tianjin Metro Line,the influence of a 4-line shield tunneling through the pile foundation of an existing bridge on the stress and the deformation of piles and the surrounding soil were studied using three-dimensional finite element models via PLAXIS 3D 2012.It has been shown that the shield tunneling can cause a settlement of pile head,an uplift of the pile bottom,and a small horizontal displacement of piles.A U-shape trough of soil surrounding the pile foundation has occurred after the 4-line shield tunneling.The total shaft resistance of each pile almost remains unchanged after the 4-line shield tunneling.The project is regarded to be safe since each calculated parameter meets the requirement of control standards.

shield tunneling;existing pile foundation;finite element analysis;deformation-controlled standard

TU 473

A

0438-0479(2015)03-0428-08

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.03.024

2014-09-09 錄用日期:2014-12-08

天津市建設(shè)系統(tǒng)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012GFW-0542)

*通信作者:wangqigeo@163.com

王琦,杜一鳴.多條盾構(gòu)隧道穿越既有橋基的三維有限元分析[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,54(3):428-435.

:Wang Qi,Du Yiming.3-D finite element analyses of shield tunneling passing pile foundation of existing bridges[J]. Journal of Xiamen University:Natural Science,2015,54(3):428-435.(in Chinese)