陳濤，呂勇剛（1.寧波市高等級(jí)公路建設(shè)指揮部，浙江　寧波　15192；2.寧波大學(xué)，浙江　寧波　15211；.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京　100088）

盾構(gòu)法隧道近距離側(cè)穿對(duì)橋梁樁基的影響

陳濤1，2，呂勇剛3
（1.寧波市高等級(jí)公路建設(shè)指揮部，浙江寧波315192；2.寧波大學(xué)，浙江寧波315211；3.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088）

以佛莞城際鐵路長(zhǎng)隆隧道盾構(gòu)法近距離側(cè)穿東新高速橋梁樁基工程為例，采用數(shù)值仿真對(duì)盾構(gòu)法隧道近距離側(cè)穿高速公路橋梁樁基的影響進(jìn)行研究。研究表明：采用旋噴隔離樁保護(hù)既有橋梁樁基，大幅降低了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)橋梁樁基的影響。

盾構(gòu)法；側(cè)穿；橋梁樁基；旋噴隔離樁

0　引言

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工有可能會(huì)引起地層移動(dòng)，對(duì)周?chē)鷺蛄簶度?、房屋、道路、管線產(chǎn)生危害，此類(lèi)事故的情況時(shí)有發(fā)生。分析盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程對(duì)周?chē)扔袠?gòu)筑物如橋梁、高層建筑等的影響，以對(duì)設(shè)計(jì)、施工等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行有效控制，達(dá)到防治的目的。

本文以佛莞城際鐵路長(zhǎng)隆隧道的盾構(gòu)法施工為例，通過(guò)數(shù)值仿真，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)隧道近距離側(cè)穿高速公路橋梁樁基，對(duì)橋梁樁基的影響，以及采用加固措施后對(duì)橋梁樁基的保護(hù)作用，可供類(lèi)似工程設(shè)計(jì)、施工借鑒。

1　工程概況

佛莞城際鐵路長(zhǎng)隆隧道屬于城市地下隧道，位于廣州市番禺區(qū)，長(zhǎng)為10 950 m（按雙洞計(jì)），長(zhǎng)隆隧道在DK0+225—+250段及YDK0+220—+260段以雙洞盾構(gòu)的形式側(cè)穿東新高速橋梁工程樁基群，盾構(gòu)隧道管片直徑為8.50 m，厚為0.4 m，寬為1.6 m。隧道穿越橋梁工程段，隧道外墻距橋梁樁基水平凈距比較小，其中隧道右線右側(cè)墻距橋梁樁基最小水平凈距為5.01 m，左線右側(cè)墻最小水平凈距為3.06 m，隧道右線左側(cè)墻距橋梁樁基最小水平凈距為4.4 m。隧道穿越東新高速橋梁工程段地層巖性主要為泥質(zhì)砂巖，為Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖。

長(zhǎng)隆隧道與東新高速橋梁樁基關(guān)系的平面和剖面如圖1、圖2所示[1]。

圖1　長(zhǎng)隆隧道與東新高速橋梁樁基關(guān)系平面示意圖（單位：m）Fig.1　Plan relationship between Changlong Tunnel and Dongxin Highway Bridge pile foundation(m)

圖2　長(zhǎng)隆隧道與東新高速橋梁樁基關(guān)系典型剖面圖（單位：m）Fig.2　Typical cross-sectional relationship between Changlong Tunnel and Dongxin Highway Bridge pile foundation(m)

2　盾構(gòu)隧道側(cè)穿樁基段保護(hù)方案

長(zhǎng)隆隧道側(cè)穿東新高速橋梁樁基為端承樁，且隧道洞身高度圍巖主要為全、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，設(shè)計(jì)采用旋噴隔離墻對(duì)既有橋梁樁基進(jìn)行保護(hù)[1]。

1）旋噴采用φ800@600旋噴樁，3排嚙合，如圖3所示，加固體平面上距隧道凈距0.5 m，下部至強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層不小于0.5 m。

2）旋噴加固采用42.5級(jí)以上普通硅酸鹽水泥，根據(jù)需要加入適量外加劑及摻合料，用量通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，加固體水泥用量不少于600 kg/m3，水泥漿液的水灰比為1∶1～1∶1.5。旋噴樁加固后，土體28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa。

圖3　旋噴樁加固布置圖Fig.3　Layout plan of jet grouting piles

3　數(shù)值模擬分析

建立三維數(shù)值模型，對(duì)該盾構(gòu)側(cè)穿既有橋梁樁基的影響以及采用旋噴隔離墻的保護(hù)效果進(jìn)行分析。

3.1基本假定

計(jì)算分析基本假定[2]：

1）地層材料采用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則計(jì)算。

2）假定土層成層均質(zhì)水平分布。

3）隧道開(kāi)挖中管片結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬。

4）地層和材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化。

5）不考慮隧道開(kāi)挖對(duì)土體力學(xué)指標(biāo)的影響以及地下水滲流影響。

6）模擬盾構(gòu)法開(kāi)挖時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定刀盤(pán)對(duì)開(kāi)挖面施加均布荷載，荷載大小根據(jù)盾構(gòu)隧道埋深及地質(zhì)情況確定。

3.2計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

模型計(jì)算范圍為80 m×57.6 m×50 m（長(zhǎng)×高×寬），簡(jiǎn)化左右線盾構(gòu)隧道走向平行，樁基與盾構(gòu)隧道位置按實(shí)際距離模擬，模型包括193 716個(gè)單元和201 825個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。模型采用位移邊界作為邊界條件，除上表面為自由邊界外，各外表面均約束法線方向的位移。

整個(gè)模擬過(guò)程共分4步。

1）在未開(kāi)挖隧道之前，模型在初始地應(yīng)力下平衡。

2）清除塑性區(qū)以及位移歸零，施作橋梁樁基計(jì)算。

3）清除塑性區(qū)以及位移清零，左線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)。

4）右線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算中假定：注漿層1 d彈性模量為30 MPa，7 d彈性模量為80 MPa。

地層參數(shù)按地勘及相關(guān)資料取值[3-7]，見(jiàn)表1。

圖4　模型網(wǎng)格圖Fig.4　Model grid graph

表1　物理力學(xué)參數(shù)Table 1　Physical and mechanical parameters

3.3盾構(gòu)施工過(guò)程模擬

3.3.1盾構(gòu)機(jī)超挖量的模擬

在盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了減小推進(jìn)的摩阻力以及轉(zhuǎn)彎的靈活性，通常將刀盤(pán)設(shè)置一定的超挖量，計(jì)算中取該超挖量或錐形量為3 cm。計(jì)算中采用應(yīng)力釋放的方法來(lái)模擬該損失，即模擬時(shí)在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前提取開(kāi)挖輪廓線上的節(jié)點(diǎn)力F，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)時(shí)，殺死盾構(gòu)機(jī)所在空間的單元，同時(shí)在盾構(gòu)機(jī)輪廓線處施加反向節(jié)點(diǎn)力荷載（1-a）F，其中a為應(yīng)力釋放率，參閱相關(guān)資料，計(jì)算中取應(yīng)力釋放率為8%[8]。

3.3.2盾尾空隙及注漿層硬化的模擬

盾尾空隙采用殺死注漿層單元來(lái)模擬。在殺死注漿層單元的同時(shí)，沿徑向施加注漿壓力，并且在下一個(gè)計(jì)算步中將注漿層和管片襯砌單元激活?？紤]到注漿層的硬化有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，計(jì)算中給不同位置的注漿層賦予了不同材料參數(shù)。

3.3.3步步掘進(jìn)模擬的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)時(shí)，需殺死盾構(gòu)機(jī)所在單元，同時(shí)在掘削面施加頂進(jìn)壓力，在盾尾處施加注漿壓力和頂進(jìn)反力。

3.4計(jì)算工況

為研究長(zhǎng)隆隧道盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)東新高速橋梁工程的影響，分以下兩種工況進(jìn)行計(jì)算分析。

工況一：東新高速橋梁樁基未進(jìn)行加固處理下長(zhǎng)隆隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程模擬。

工況二：東新高速樁基采取旋噴隔離墻保護(hù)下長(zhǎng)隆隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程模擬。

4　計(jì)算結(jié)果

4.1樁基變形分析

從計(jì)算結(jié)果可以看出，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起樁頂變形，其中樁頂水平變形最大（垂直于隧道走向），其次為樁頂豎向變形。

從樁基水平變形云圖可以看出，左洞貫通后6號(hào)樁基頂部產(chǎn)生傾向于左洞的最大水平變形，兩洞貫通后1號(hào)樁基頂部產(chǎn)生傾向于隧道的最大水平變形，工況一：左洞貫通后為6.01 mm，兩洞貫通后為5.52 mm（圖5）；工況二：左洞貫通后為2.50 mm，兩洞貫通后為2.16 mm。

圖5　工況一兩洞貫通后樁基水平變形云圖Fig.5　Horizontal deformation of Piles after two tunnels are cut through in Working Condition 1

從樁基豎向變形云圖可以看出，隧道開(kāi)挖后在6號(hào)樁基頂部產(chǎn)生了最大沉降變形，工況一：左洞貫通后為2.13 mm，兩洞貫通后為2.16 mm；工況二：左洞貫通后為1.41 mm，兩洞貫通后為1.38 mm。

對(duì)比分析：工況二下6號(hào)樁基最大沉降變形較工況一減小了0.75 mm，減小34.7%，最大水平變形較工況一減小3.51 mm，即58.4%，可以看出通過(guò)在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)樁基進(jìn)行有效的旋噴隔離墻保護(hù)可以較好地控制樁基變形，提高樁基在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的穩(wěn)定性。

圖6、圖7為兩種工況下6號(hào)樁基樁頂水平（豎向）變形與開(kāi)挖步關(guān)系曲線圖。當(dāng)掘進(jìn)至第6步時(shí)，左洞開(kāi)挖面通過(guò)6號(hào)樁基所在橫斷面，當(dāng)掘進(jìn)至第24步時(shí)，右洞開(kāi)挖面通過(guò)6號(hào)樁基所在橫斷面。

圖6　6號(hào)樁基樁頂水平變形與開(kāi)挖步關(guān)系曲線Fig.6　Relationship of No.6 pile top horizontal deformation and excavation

圖7　6號(hào)樁基樁頂沉降與開(kāi)挖步關(guān)系曲線Fig.7　Relationship of No.6 pile top settlement and excavation

從樁頂水平變形與開(kāi)挖步關(guān)系曲線可以看出，在左洞掘進(jìn)過(guò)程中，伴隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，6號(hào)樁基樁頂水平變形逐步增大，工況一最大水平變形6.01 mm，工況二最大水平變形2.50 mm。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至第5步時(shí)樁頂水平變形達(dá)到3.1 mm，掘進(jìn)至第6步時(shí)樁頂水平變形有一定程度減小達(dá)到1.5 mm，掘進(jìn)至第10步水平變形達(dá)到最大值后趨于穩(wěn)定，在右洞掘進(jìn)時(shí)，樁基水平變形逐漸減小，掘進(jìn)至第28步（即右洞掘進(jìn)至第10步）時(shí)樁基水平變形趨于穩(wěn)定，工況一水平變形5.52 mm，工況二水平變形2.16 mm。

通過(guò)上述分析認(rèn)為，左洞開(kāi)挖面到達(dá)6號(hào)樁基所在斷面之前，由于左洞地層損失導(dǎo)致一定程度的樁基變形，當(dāng)開(kāi)挖面接近樁基所在斷面，盾構(gòu)機(jī)頂推力作用下，樁基變形產(chǎn)生一定程度恢復(fù)，開(kāi)挖面通過(guò)后，由于盾構(gòu)機(jī)超挖等過(guò)程，左洞地層損失進(jìn)一步增大，故樁基樁頂變形隨之增大。右側(cè)隧道盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，樁基右側(cè)隧道地層損失，故樁基產(chǎn)生傾向于右側(cè)隧道變形，水平變形在一定程度上減小。

從樁基樁頂沉降與開(kāi)挖步關(guān)系曲線可以看出，伴隨著左線盾構(gòu)掘進(jìn)樁頂豎向沉降逐漸增大，到第10步時(shí)趨于穩(wěn)定，工況一樁頂沉降2.13 mm，工況二樁頂沉降1.41 mm，右線盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，樁頂沉降有較小程度增長(zhǎng)，后趨于穩(wěn)定，工況一樁頂沉降2.16 mm，工況二樁頂沉降1.38 mm。

4.2樁基應(yīng)力變化分析

根據(jù)初始應(yīng)力狀態(tài)與工況一、工況二下樁基最大主應(yīng)力云圖，可以看出，初始應(yīng)力狀態(tài)樁基最大主應(yīng)力為-327.6 kPa，左洞貫通后工況一樁基最大主應(yīng)力-326.6 kPa，工況二樁基最大主應(yīng)力-326.8 kPa，兩洞貫通后工況一樁基最大主應(yīng)力-316.8 kPa，工況二樁基最大主應(yīng)力-317.07 kPa（圖8）。

圖8　工況二兩洞貫通后樁基大主應(yīng)力Fig.8　Major principal stress of piles after two tunnels are cur through in Working Condition 2

對(duì)比分析：相對(duì)于初始應(yīng)力狀態(tài)下樁基最大主應(yīng)力，左洞貫通后，工況一樁基最大主應(yīng)力變化1 kPa，即0.31%，工況二樁基最大主應(yīng)力變化0.8 kPa，即0.24%；兩洞貫通后，工況一樁基最大主應(yīng)力變化10.8 kPa，即3.3%，工況二樁基最大主應(yīng)力變化10.43 kPa，即3.18%?？梢钥闯?，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)樁基應(yīng)力狀態(tài)影響程度相對(duì)較小，左右洞貫通后最大主應(yīng)力變化為3.3%，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)樁基進(jìn)行旋噴隔離墻保護(hù)，則可將樁基最大主應(yīng)力變化幅度降至3.18%。

5　結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合佛莞城際長(zhǎng)隆隧道側(cè)穿東新高速橋梁樁基工程，采用數(shù)值計(jì)算方法分析了盾構(gòu)推進(jìn)及相應(yīng)加固措施對(duì)橋梁樁基的影響，得出主要結(jié)論如下：

1）盾構(gòu)機(jī)到達(dá)樁基所在斷面之前，由于隧道開(kāi)挖引起地層損失導(dǎo)致一定程度的樁基變形，當(dāng)掘進(jìn)面接近樁基所在斷面，盾構(gòu)機(jī)頂推力作用下，樁基變形產(chǎn)生一定程度恢復(fù)，掘進(jìn)面通過(guò)后，樁基樁頂變形逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定。

2）盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)橋梁樁基采取旋噴隔離墻保護(hù)可以有效減小盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對(duì)橋梁工程的影響。

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Influence of construction of side-crossing shield tunnel on adjacent bridge pile foundation

CHEN Tao1,2,Lü Yong-gang3
（1.Ningbo High Grade Highway Construction Management,Ningbo,Zhejiang 315192,China;2.Ningbo University,Ningbo, Zhejiang 315211,China;3.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100088,China）

Based on the Changlong shield tunnel which is a part of Fo-Guan railway project,the numerical simulation method is used to investigate the influence of side-crossing on the adjacent highway bridge pile foundation at a close range.The research results show that it is an effective method to use jet grouting shelter piles to protect the pile foundation of the highway bridge and greatly reduce the influence of shield tunneling on the pile foundation.

shield tunneling;side-crossing;pile foundation for bridge;jet grouting shelter pile

U655.54；U455.43

A

2095-7874（2016）08-0020-05

10.7640/zggwjs201608005

2016-04-26

陳濤（1977—），男，河北滄州市人，高級(jí)工程師，隧道及地下建筑工程專業(yè)。E-mail：9350750@qq.com