(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400000)

地鐵盾構(gòu)隧道近接下穿導(dǎo)致橋樁的變形數(shù)值模擬分析

楊博黃陽(yáng)

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院重慶400000)

本文以某市1號(hào)線地鐵隧道盾構(gòu)施工下穿橋梁樁基為背景，分析隧道盾構(gòu)下穿對(duì)橋梁樁基的力學(xué)行為影響性分析。采用三維數(shù)值模擬軟件GTS NX進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，通過(guò)進(jìn)行隧道盾構(gòu)下穿橋梁樁基的三位數(shù)值模擬，主要分析了盾構(gòu)施工對(duì)樁基變形的影響。該模擬能夠較為真實(shí)的反應(yīng)隧道盾構(gòu)下穿樁基的實(shí)際情況，并且能夠獲取參考性的數(shù)據(jù)，同時(shí)也能夠?yàn)楹笃谒淼蓝軜?gòu)下穿施工的安全控制措施的選擇及施工參數(shù)的控制提供一定的參考。

盾構(gòu);近接;樁基;GTS NX;數(shù)值模擬

一、引言

隨著全國(guó)軌道交通系統(tǒng)的快速建設(shè)，目前我國(guó)一、二線城市地鐵的建設(shè)速度正處于一個(gè)高速發(fā)展期。然而隨著城市軌道交通的建設(shè)，地鐵的建設(shè)不可避免的會(huì)與既有建構(gòu)筑物出現(xiàn)空間上的交錯(cuò)，這也將對(duì)既有建構(gòu)筑物產(chǎn)生影響。同樣城市地鐵建設(shè)將不可避免會(huì)出現(xiàn)地鐵需要穿越既有橋梁樁基的情況，由于盾構(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)，會(huì)引發(fā)樁周土體應(yīng)力狀態(tài)的改變，由于樁周土體與樁基間復(fù)雜的相互作用，從而使上部橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形或沉降，當(dāng)變形量或沉降值超過(guò)允許值時(shí)就會(huì)對(duì)橋梁的安全及運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)盾構(gòu)施工引起土體邊形及對(duì)周邊鄰近建構(gòu)筑物影響進(jìn)行了大量研究，并且在研究方面已經(jīng)取得許多有價(jià)值的研究成果，如: 1987年Sagaseta[1]基于不可壓縮液體流動(dòng)的解析解，研究了平面應(yīng)變條件下隧道開(kāi)挖引起的地層位移，該方法需要假定地層損失值； Verrnijt[2]在源匯法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用半彈性平面方法，得到了計(jì)算土體水平、垂直位移公式；李汶京[3]采用三維非線性有限元數(shù)值模擬方法，并結(jié)合北京地鐵10號(hào)線近距離穿越國(guó)貿(mào)站群樁基礎(chǔ)的工程實(shí)例，研宄了隧道施工對(duì)群樁基礎(chǔ)的影響方式和影響水平；徐明、謝永寧[4]采用有限元差分軟件建立隧道穿越鄰近單樁的三維模型，研究了隧道與樁處于不同相對(duì)位置時(shí)樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的分布規(guī)律；王夢(mèng)恕，董新平等[5]針對(duì)廣州地鐵2號(hào)線盾構(gòu)施工的案例，采用有限元軟件模擬計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，研究了盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響，并總結(jié)了盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響因素。

本文以某市1號(hào)線地下盾構(gòu)區(qū)間的盾構(gòu)施工為工程背景,利用三維數(shù)值軟件GTS NX，針對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖區(qū)域的土層，并考慮群樁-土-隧道三者相互作用、盾構(gòu)注漿壓力、盾構(gòu)掘進(jìn)壓力、盾殼剛度、盾構(gòu)千斤頂推力等因素的綜合影響，研究了平面應(yīng)變條件下隧道盾構(gòu)施工過(guò)程及其對(duì)臨近樁基的影響，通過(guò)分析盾構(gòu)施工過(guò)程中各掘進(jìn)步對(duì)鄰近樁基位移沉降的動(dòng)態(tài)影響，為后期地鐵盾構(gòu)施工提供參考資料。

二、盾構(gòu)施工對(duì)周邊群樁變形影響的數(shù)值模擬

(一)數(shù)值模型。三維有限元模型尺寸為 125 m×120 m×60 m( X×Y×Z)，邊界約束條件為：底部為完全固定約束，側(cè)面為豎直滑動(dòng)約束，表面為自由邊界。劃分好的有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖 1，共計(jì)144024個(gè)單元，70745 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 隧道與樁相互作用的三維模型

土體采用各向同性本構(gòu)模型，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用修正摩爾-庫(kù)倫理論。土層(地層層序由上到下)參數(shù)見(jiàn)表 1。

表1 地層參數(shù)

樁體采用各向同性彈性梁?jiǎn)卧M，隧道襯砌、盾構(gòu)殼體均采用各向同性彈性板單元模擬，樁土間設(shè)置接觸面單元。盾構(gòu)隧道的直徑為6 m，埋深20m，盾殼長(zhǎng)3m，厚度為0.05m，壓縮模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3。隧道線路穿越地層周邊存在6根邊直徑1.2m 的圓柱形樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)14.0m，見(jiàn)圖1，樁頂作用有3000kN的均布荷載。注漿區(qū)的漿體采用各向同性本構(gòu)模型，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用彈性理論，漿體彈性模量為5.0MPa，泊松比為0.3。

(二)盾構(gòu)施工過(guò)程的模擬。在模型進(jìn)行數(shù)值模擬施工工程時(shí)，盾構(gòu)單個(gè)開(kāi)挖施工步長(zhǎng)度取盾構(gòu)襯砌寬度的兩倍3m，每個(gè)開(kāi)挖步的施工過(guò)程主要用3個(gè)增量步的模擬：1、首先模擬開(kāi)挖步內(nèi)的排水降水，計(jì)算盾構(gòu)施工產(chǎn)生的孔隙水壓力；2、模擬盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程，在此增量步內(nèi)“鈍化”開(kāi)挖步內(nèi)土體模擬土體開(kāi)挖，同時(shí)激活盾構(gòu)外殼單元，且在盾構(gòu)切削面施加掘進(jìn)壓力，掘進(jìn)壓力選取0.2MPa；3、在下一個(gè)開(kāi)挖步開(kāi)挖時(shí)，“鈍化”第一個(gè)掘進(jìn)步的盾構(gòu)外殼，激活第一開(kāi)挖步管片單元，并同時(shí)在管片外進(jìn)行注漿，激活管片外的土體，并激活改變屬性邊界條件，將土體改成注漿體模擬注漿，并施加注漿壓力0.18MPa；同時(shí)在管片端頭施加千斤頂力，選取120KN/m，方向?yàn)閄軸負(fù)向。

(三)盾構(gòu)近接施工對(duì)樁基位移沉降的影響性分析

1.樁基位移沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)橋梁相關(guān)檢測(cè)報(bào)告，橋梁對(duì)于位移沉降敏感，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及制定的近接樁基的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，取用允許位移值作為控制要求。根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50517-2003)樁頂承臺(tái)的沉降量不能大于50mm，且相鄰樁基差異沉降不能大于20mm。因此結(jié)合相關(guān)已有工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及本工程實(shí)際，為有效控制樁基的沉降，選取10mm作為單樁沉降允許值。另外根據(jù)建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ94-2008)，樁基的地面水平位移允許值為10mm，對(duì)控制要求高的建構(gòu)筑物可取6mm，因此本工程實(shí)際中取水平位移允許值為6mm。

2.樁基變形分析。伴隨地鐵盾構(gòu)的施工，土體由于受到盾構(gòu)的擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生縱向沉降槽，包括了地表的沉降及隆起，但在此工程盾構(gòu)施工過(guò)程中我們主要關(guān)心的是樁基的沉降和位移值是否達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文選取四種工況分別分析盾構(gòu)到達(dá)三排樁基及通過(guò)樁基后的樁基位移沉降規(guī)律，分別是：工況1盾構(gòu)到達(dá)第一排樁基；工況2盾構(gòu)到達(dá)第二排樁基；工況3盾構(gòu)到達(dá)第三排樁基；工況4盾構(gòu)施工完成。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，不同工況下樁基的沉降位移云圖如圖.2～圖.5所示。根據(jù)云圖可知，隧道盾構(gòu)施工后對(duì)樁基的位移沉降影響不大，僅當(dāng)樁基位于隧道拱頂上方時(shí)，樁基的位移沉降較大，盾構(gòu)施工對(duì)樁基的位移影響較明顯；樁基的位移沉降在盾構(gòu)遠(yuǎn)離樁基超過(guò)2倍縱向樁基間距后才最終到達(dá)穩(wěn)定。

圖2 工況1盾構(gòu)到達(dá)第一排樁基

圖3 工況2盾構(gòu)到達(dá)第二排樁基

圖4 工況3盾構(gòu)到達(dá)第三排樁基

圖5 工況4盾構(gòu)完成

五、結(jié)論

本文通過(guò)GTS NX三維有限元模擬，依托軌道交通1號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間下穿橋基的工程背景，分析了隧道盾構(gòu)施工對(duì)所下穿的橋梁樁基的位移沉降影響，并得出如下結(jié)論：

(1)地鐵隧道盾構(gòu)施工導(dǎo)致橋梁樁基的位移影響主要表現(xiàn)為：盾構(gòu)達(dá)到前，盾構(gòu)施工引發(fā)樁基樁身的位移較??；當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)各單樁位置時(shí)，樁身位移均達(dá)到最大值。

(2)盾構(gòu)施工過(guò)程中，橋梁各單樁沿隧道軸線的位移變化規(guī)律相似，但位移值相差較大且與隧道與樁基的相對(duì)位置有關(guān)：對(duì)盾構(gòu)側(cè)穿的樁基，其主要的影響表現(xiàn)在垂直于盾構(gòu)掘進(jìn)方向的位移，即水平位移，豎向位移值較水平較??；對(duì)盾構(gòu)隧道正下方下穿的樁基，其位移值大于側(cè)穿樁基，且正下穿樁基在跟隨盾構(gòu)掘進(jìn)方向的位移更明顯。

(3)通過(guò)模擬分析，盾構(gòu)隧道施工引發(fā)樁基的最大沉降值僅為1.9mm，根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范以及滿足沉降控制要求。但根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計(jì)說(shuō)明本區(qū)段隧道下穿風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為 I級(jí)，為保證施工的安全性，后期盾構(gòu)施工前應(yīng)對(duì)橋梁采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，且后期施工隨時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，減少盾構(gòu)的超挖和欠挖，以改善盾構(gòu)前方土體的坍落或擠密現(xiàn)象，降低地基土變形，同時(shí)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

(4)盾構(gòu)施工盾構(gòu)下穿時(shí)應(yīng)控制好土壓平衡，保證開(kāi)挖面穩(wěn)定，優(yōu)選最佳施工參數(shù)，加強(qiáng)盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)管理和姿態(tài)控制，并及時(shí)進(jìn)行同步壓漿和二次注漿。

[1]Sagaseta C. Analysis of undrained soil deforrnation due to ground loss.Geotechnique, London, England,37: 301-320.

[2]Verruiijt, J.R. Booker. Surface settlements due to deformation of a tunnle in an elastic half plane[J].Geotechnique,1996,46(4):753-756.

[3]李汶京.地鐵車(chē)站隧道群鄰近橋樁施工關(guān)鍵技術(shù)研宄[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009,(10):85-89.

[4]徐明,謝永寧.盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近單樁基礎(chǔ)的影響[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,39(4):149-155.

[5]王夢(mèng)恕,董新平.地鐵路道盾構(gòu)法施工引起的地表沉降分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(8):1298-1301.

楊博(1993-)，男，漢族，重慶市開(kāi)州區(qū)人，研究生在讀，重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，研究方向隧道及地下工程設(shè)計(jì)；黃陽(yáng)(1993-)，男，漢族，四川省廣安市人，研究生在讀，重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，研究方向巖土工程。