劉小四

(吉安市路橋工程局，江西 吉安 343000)

隧道開(kāi)挖過(guò)程中橋樁沉降機(jī)理研究

劉小四

(吉安市路橋工程局，江西 吉安 343000)

主要從爆破施工動(dòng)力響應(yīng)和盾構(gòu)推進(jìn)中受力過(guò)程中來(lái)分析研究樁土的變形理論，首先采用經(jīng)典Peck理論來(lái)預(yù)測(cè)底層損失，其次經(jīng)爆破施工和盾構(gòu)推進(jìn)中巖土與橋樁之間的作用，以GAP等理論為參考，探討樁土的相互作用理論。

盾構(gòu)法；路橋結(jié)構(gòu)；間隙參數(shù)

1 路橋爆破動(dòng)力響應(yīng)研究

1.1 爆破應(yīng)力波傳播特征

彈性波能夠?qū)Φ孛娼ㄖ斐删薮蟮膿p傷。按裝藥形式的不同，在爆破時(shí)產(chǎn)生的波大致可分為兩類，一類是柱形波，一類是球面波。且沖擊波在傳播過(guò)程中逐漸衰減稱為應(yīng)力波，而應(yīng)力波在經(jīng)過(guò)衰減之后就稱彈性波。如圖1 彈性波在介質(zhì)中的反射和折射可知，彈性波在不同的介質(zhì)中傳播時(shí)，波的折射和反射情況不同，并且在波的傳播過(guò)程中伴隨著波型的轉(zhuǎn)換。

圖1 彈性波在介質(zhì)中的反射和折射

1.2 巖土影響特征

在進(jìn)行爆破施工時(shí)，爆破波首先會(huì)沖擊到地面，之后會(huì)沿著地面?zhèn)鞑?，如圖 2 巖土爆破破壞圖所示。由圖2可知，炸藥爆炸之后，產(chǎn)生的高溫氣體帶著高壓會(huì)向周圍的巖土層擴(kuò)散，巖土結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)受到強(qiáng)烈的壓縮，產(chǎn)生爆炸腔體，當(dāng)腔體內(nèi)部的氣體壓力下降后，會(huì)沿著爆破波的反向中心傳播，使得巖石在兩種力的作用下被拉斷，在腔體周圍產(chǎn)生裂縫。破壞區(qū)以外力的作用減小，形成振動(dòng)區(qū)，會(huì)誘導(dǎo)周圍巖石產(chǎn)生裂縫。當(dāng)傳播到地面的爆破波振動(dòng)頻率與巖土結(jié)構(gòu)自振動(dòng)頻率相近，則建筑物會(huì)在共振作用下加劇破壞的速度。

圖2 巖土爆破破壞圖

2 地層形變與橋樁位移的影響

2.1 隧道開(kāi)挖對(duì)橋樁作用的研究

衡量鄰近橋樁是否需要保護(hù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是鄰近度的大小。橋梁鄰近度需要在大量工程實(shí)踐和經(jīng)過(guò)精密的理論計(jì)算之后得到，在國(guó)內(nèi)沒(méi)有一套完整的橋梁鄰近度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，只能借用日本的施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明隧道施工對(duì)橋樁的影響。橋樁與隧道及破裂面的相對(duì)位置大致可分為短樁、中長(zhǎng)樁和長(zhǎng)樁情形，由表 1 三種位置橋樁的下沉量和側(cè)移量可知，側(cè)移量的大小隨著橋樁的變長(zhǎng)而變大，對(duì)于長(zhǎng)樁來(lái)說(shuō)產(chǎn)生的側(cè)移量最大，而下沉量的大小隨著橋樁的變長(zhǎng)而變小，短樁由于整個(gè)樁身都處在隧道頂部之上，其產(chǎn)生的下沉量最大。

表1 三種位置橋樁的下沉量及側(cè)移量

2.2 上部荷載對(duì)橋樁的作用研究

在橋樁受到振動(dòng)干擾時(shí)，會(huì)在樁體沉降過(guò)程中與周圍的土體發(fā)生接觸，產(chǎn)生靜力平衡。樁體的位移是樁身與土體在靜力平衡過(guò)程中產(chǎn)生的沉降，在這個(gè)過(guò)程中，樁身通過(guò)側(cè)摩阻力將力擴(kuò)散到土體中去，如圖3 樁體作用力傳遞過(guò)程所示。由圖3可知，橋樁在受到上部力的作用后發(fā)生沉降變形，且樁體的土體經(jīng)過(guò)彈性變形、塑性變形之后，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 樁體作用力傳遞過(guò)程

3 盾構(gòu)推進(jìn)中的受力分析

3.1 土壓與盾構(gòu)平衡原理及其受力狀態(tài)

由于在挖掘盾構(gòu)時(shí)對(duì)周圍土體產(chǎn)生了振動(dòng)及破壞，使得土體的原始應(yīng)力發(fā)生改變，破壞了原始應(yīng)力，引發(fā)了土體的位移。如圖 4 隧道掌子面受力圖，當(dāng)水壓及土壓共同作用時(shí)，會(huì)使得隧道的壓力劇增，產(chǎn)生超孔隙水壓力，還會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生持續(xù)性的作用，使得隧道位移發(fā)生變化。

圖4 隧道掌子面受力圖

3.2 盾構(gòu)施工的力學(xué)效應(yīng)

在實(shí)際施工過(guò)程中，由于力的作用，使得盾構(gòu)機(jī)的刀盤處在一個(gè)復(fù)雜的力的作用范圍，導(dǎo)致周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。在開(kāi)始注漿之前，周圍土體和管片之間會(huì)形成空隙，使得土體會(huì)下沉出現(xiàn)卸荷現(xiàn)象。注漿時(shí)，在注漿壓力作用下，土體會(huì)逐漸向上位移，反復(fù)循環(huán)進(jìn)行隧道的挖掘。盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)行隧道挖掘時(shí)受到的力有土體帶來(lái)的阻力也有機(jī)器本身的摩擦力，如表 2 盾構(gòu)機(jī)受力及來(lái)源所示，盾構(gòu)機(jī)主要受到來(lái)自土體的阻力。

表2 盾構(gòu)機(jī)受力及來(lái)源

4 結(jié) 論

(1)由于施工方法的不同導(dǎo)致隧道土體的損失，使得隧道周圍的土體及其橋樁建筑物的變形破壞。(2)爆破施工時(shí)，路橋建筑物的主要破壞因素為爆破產(chǎn)生的爆破波的振動(dòng)，并非地層沉降。(3)盾構(gòu)施工時(shí)，土體在盾構(gòu)機(jī)力的作用下產(chǎn)生沉降，進(jìn)而在土體沉降過(guò)程中帶動(dòng)建筑物的位移變化。

[1] 趙瑜,呂海英,熊健. 地鐵暗挖通道施工對(duì)既有橋樁的變形特性分析及施工處理措施[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào),2017,(2):210-212，223.

[2] 汪智慧. 深基坑開(kāi)挖對(duì)既有混凝土橋梁樁基影響模擬分析[J].混凝土,2016,(11):42-45，79.

[3] 劉波,林森斌. 盾構(gòu)隧道側(cè)穿高鐵橋樁影響分析及控制措施[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2016,(13):171-173，176.

U456

C

1008-3383(2017)11-0131-02

2017-06-23

劉小四(1974-)，男，江西吉安人，高級(jí)工程師，研究方向：公路工程。