馬 婷

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

大直徑盾構(gòu)下穿房屋建筑群超前注漿數(shù)值模擬研究

馬 婷

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中會對周圍土體具有擾動效應(yīng)。當(dāng)盾構(gòu)下穿房屋建筑群時，若與樁基距離較近，使得樁基沉降較大，將導(dǎo)致房屋發(fā)生不均勻沉降。因此，研究盾構(gòu)下穿樁基群對土體的擾動效應(yīng)具有重要意義。本文通過模擬大直徑盾構(gòu)穿越房屋建筑群，研究地表沉降及樁基的性能；并驗證采用超前注漿法進(jìn)行加固的有效性。結(jié)果表明，樁土之間存在差異加劇了地表沉降，這種影響與樁距密切相關(guān)。通過超前注漿后，能有效改善地表沉降、樁土沉降差以及樁基的傾斜。

大直徑盾構(gòu)；樁；數(shù)值模擬

1 引言

2 工程概況及模型建立

2.1 工程概況

長株潭城際鐵路綜合Ⅰ標(biāo)濱-開盾構(gòu)將穿越岳麓區(qū)北大橋觀沙嶺岳北社區(qū)，該小區(qū)建筑設(shè)計為框架結(jié)構(gòu)，實際上為底框-磚混結(jié)構(gòu)。地基土主要為魚塘填土，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計要求基礎(chǔ)樁為端承樁，樁底落在強(qiáng)風(fēng)化層上。但由于魚塘底高低不平，樁的性能很難保證是端承樁。若盾構(gòu)機(jī)下穿時，極易引起地基隆起或沉陷。因此，通過數(shù)值模擬研究盾構(gòu)穿越上方存在房屋建筑群的土層擾動效應(yīng)，并驗證采用超前注漿法減弱盾構(gòu)下穿樁群引起的地表沉降有效性。

2.2 模型的建立

本次計算模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，建立21900個網(wǎng)格域（zones）和19100個節(jié)點(diǎn)（grid-points）。樁與土體之間的相互作用采用接觸面（Interface）模擬，根據(jù)樁側(cè)接觸的土層從上至下分別為填土、粘土、圓礫石，樁為端承樁，樁底直接作用在強(qiáng)風(fēng)化板巖上，因此建立的接觸面從上至下 ID分別為 1、2、3、4的Interface。為研究樁基對盾構(gòu)掘進(jìn)橫向距離的影響，對樁基進(jìn)行編號，如圖2為樁基與盾構(gòu)的相對位置。圍巖與注漿加固區(qū)采用Mohr-coulomb理想彈塑性模型，管片和樁基采用elastic理想彈性模型。

圖1 網(wǎng)格模型圖

圖2 樁與盾構(gòu)相對位置

盾構(gòu)掘進(jìn)過程的三維數(shù)值模擬關(guān)鍵是刀盤、盾殼和盾尾三部分與土體的相互作用關(guān)系的模擬。采用盾構(gòu)掌子面上施加表面壓力來模擬刀盤對土體的壓力，對盾構(gòu)外殼表面上施加表面壓力來模擬盾尾建筑孔隙而引起的地層損失。采用先右線后左線的開挖方式，每3m為一環(huán)，開挖左右線各12環(huán)。

2.3 計算參數(shù)的選取

根據(jù)該隧道有關(guān)地質(zhì)資料及類似工程的基礎(chǔ)上，確定了巖土材料參數(shù)，見表1。邊界條件為模型左右前后均施加法向約束，地表為自由。初始應(yīng)力條件取決于重力荷載，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的關(guān)系為式1所示。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)

參考施工設(shè)計資料，通過模擬三種工況來研究盾構(gòu)對樁基的影響。

需求側(cè)：近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)增速放緩，成品油需求增長乏力。從品種來看，隨著制造業(yè)放緩、大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)和房地產(chǎn)開發(fā)趨穩(wěn)，以柴油為主的燃料需求出現(xiàn)了負(fù)增長。隨著汽車走進(jìn)家庭進(jìn)入鄉(xiāng)村階段，汽車銷量以升級換代為主；主要城市汽車趨于飽和，限行限號；城市霧霾治理，大力倡導(dǎo)新能源電動汽車，汽油需求進(jìn)入穩(wěn)定緩慢增長階段。成品油需求結(jié)構(gòu)（柴汽比）也發(fā)生了顯著變化，由高峰時2008 年的2.2 左右降至2016 年1.3左右。

工況1：盾構(gòu)穿越無樁基地層。

工況2：盾構(gòu)下穿樁基。

工況3：超前注漿盾構(gòu)下穿樁基。

通過比較工況1、2，研究樁基存在的地層，當(dāng)盾構(gòu)穿越時對地表的擾動效應(yīng)。通過比較工況2、3，研究超前注漿措施對控制地表沉降的有效性。

在隧道模型的建立中，對于位移：x向為水平方向，z向為豎向，且以重力方向為負(fù)向，y軸負(fù)向為隧道開挖方向。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬分析

豎向位移云圖如圖3所示。比較圖3（a）和圖3（b），工況2不僅豎向位移值較大，對地表的擾動范圍也較廣。說明樁基的存在使得盾構(gòu)對土體的擾動效應(yīng)增大。由圖3（c）可知，通過超前注漿處理后，影響范圍和最大沉降值影響明顯減小，說明超前注漿能夠有效控制盾構(gòu)對土體的擾動。

圖3 豎向位移云圖

右洞開挖結(jié)束后，樁基豎向位移如圖4所示。通過比較，工況3距盾構(gòu)右洞距離較近的1～6號樁基位移較小，7～8號樁基無明顯不同。說明通過超前注漿對距離盾構(gòu)較近的1～6號樁基有明顯的效用，同時反映了盾構(gòu)對樁基的影響范圍大約在7號樁基范圍內(nèi)。3.2分析結(jié)果對比

圖4 樁體豎向位移云圖

為了進(jìn)一步研究盾構(gòu)對樁基的影響，超前注漿措施的有效性，對橫向地表沉降及縱向地表沉降以及樁側(cè)豎向位移等設(shè)置數(shù)值模擬監(jiān)控點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 特征點(diǎn)布設(shè)

比較樁體所在截面橫向地表沉降，如圖7所示。工況2樁基的存在使得最大沉降值為2.142mm，較工況1最大沉降值增大了6.78%。采取超前注漿措施后，其最大沉降為1.52mm。因此，樁基的存在使橫向地表沉降值增大，通過超前注漿能夠有效的控制了地表沉降。

圖7 樁體所在截面橫向地表沉降比較

（1）橫向地表沉降對比

隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，地表不可避免會受到地層的擾動影響。開挖后土體固結(jié)、土體體積的損失使得地層發(fā)生變位。圖 6為盾構(gòu)開挖起始面橫截面沉降曲線?？梢钥闯觯S著開挖的逐步進(jìn)行，地表沉降逐漸增大。只進(jìn)行右洞開挖時，右側(cè)沉降較明顯。雙洞開挖后，雙線中心處沉降最大。應(yīng)對先開挖的隧道及時加強(qiáng)地表沉降監(jiān)控。

圖8 縱向地表沉降

（2）地表縱向沉降

盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中，對其進(jìn)行地表縱向沉降監(jiān)測不僅反映了地表隨盾構(gòu)掘進(jìn)的影響，而且對盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)的選取具有重要意義。圖 8所示為不同工況下縱向地表沉降曲線。根據(jù)對比分析，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，縱向地表沉降越來越大。由于土體水量損失以及重固結(jié)需要一段時間，前三步開挖對地表沉降影響較大，達(dá)到最大沉降值的70%～80%。因此，開挖前應(yīng)做好相應(yīng)的措施，加強(qiáng)盾構(gòu)初始開挖段的地表監(jiān)測。

由工況1、2對比可知，樁基的存在對地表縱向沉降影響很小。相比工況3，工況1、2縱向地表監(jiān)測點(diǎn)之間的沉降差值略大，監(jiān)測點(diǎn)之間的縱向地表沉降差最大發(fā)生在盾構(gòu)開挖至第 7步，即盾構(gòu)剛越過樁基所在下方地層，最大差值分別為0.33mm、0.27mm。工況3地表各監(jiān)測點(diǎn)沉降差最大為0.13mm。說明超前注漿有效控制縱向地表的沉降差，即使地表各點(diǎn)縱向起伏較小。

（3）樁土沉降差比較

由于樁基頂承受很大的荷載，樁基與周圍土層材料性質(zhì)不同，因此，樁基與土體之間存在著沉降差異，也即是樁基會發(fā)生一定的滑移。且隨著掘進(jìn)的進(jìn)行，滑移逐漸增大，如圖9所示。工況2樁基與土體的滑移量達(dá)到0.32mm。通過超前注漿后，樁基和土體的沉降減小，且樁土之間的沉降差減少到0.16mm。

4 結(jié)論

圖9 樁土沉降比較圖

盾構(gòu)下穿房屋建筑群，樁基的存在對橫向地表沉降影響較大，通過超前注漿后，能有效改善地表沉降。先開挖隧道對整體橫向地表沉降影響較大，應(yīng)對先開挖隧道加強(qiáng)地表沉降的監(jiān)控；盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，縱向地表沉降隨開挖步逐漸增大，且初始開挖面沉降最大，應(yīng)提前加強(qiáng)對初始開挖環(huán)的監(jiān)控；隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，樁與土體之間會發(fā)生沉降差以及相互擠壓或分離。超前注漿對減小樁土沉降差具有明顯效用。[1] LEE C J,JACOBSZ S W.The influence of tunneling on adjacent piled foundations[J].Tunneling and Underground Space Technology,2006,21：430

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