林伯華

(福州市地鐵建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站 福建福州 350001)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，城市地下空間和軌道交通的建設(shè)迅猛發(fā)展，新建地鐵盾構(gòu)隧道近接穿越既有建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)的情況已屢見不鮮[1]。如何分析新建盾構(gòu)隧道對(duì)既有建(構(gòu))筑基礎(chǔ)附加變形與內(nèi)力的影響，并提出合理的應(yīng)對(duì)措施，是城市地下空間開發(fā)和地鐵建設(shè)過程中亟需要解決的重要問題[2-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過理論解析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方法，對(duì)此類問題展開了大量研究。Gonzalez[4]將隧道掘進(jìn)過程中引起的隧道斷面變形分解為3個(gè)部分，并給出了在不同假設(shè)條件下這3個(gè)部分的計(jì)算方法。商厚勝[5]采用Loganathan解答，基于最小勢(shì)能原理和Winkler地基模型研究淺覆土隧道穿越對(duì)鄰近建筑樁基水平性狀的影響。Chen[6]將隧道開挖視為二維平面問題，利用邊界元分析了隧道開挖引起無受荷單樁的變形響應(yīng)。Kitiyodom[7]首先利用PRAB和FLAC3D分析軟件驗(yàn)證了Chen的實(shí)例，探討了隧道開挖下群樁基礎(chǔ)響應(yīng)。阮林旺[8]從盾構(gòu)、土體、樁體相互作用的角度分析了盾構(gòu)施工引起相鄰樁體變形和受力的機(jī)理。張治國(guó)[9]采用三維有限元數(shù)值模擬方法揭示了軟土地區(qū)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)上下交疊穿越地鐵隧道的變形規(guī)律。Loganathan[10]利用離心模型試驗(yàn)研究了隧道開挖對(duì)鄰近土層及鄰近樁基的影響。朱逢斌[11]等通過數(shù)值模擬與離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，詳細(xì)分析了盾構(gòu)隧道開挖對(duì)臨近樁基內(nèi)力與變形的影響。

本文以福州軌道交通1號(hào)線盾構(gòu)隧道近接穿越洗馬橋樁基工程為背景，在FLAC3D數(shù)值平臺(tái)上，考慮其逐步開挖的施工過程以及掌子面土壓力的實(shí)際分布，對(duì)其穿越過程進(jìn)行了精細(xì)化模擬。重點(diǎn)關(guān)注掘削面距離樁基不同位置時(shí)，新舊橋梁樁基的橫向位移與縱向位移響應(yīng)。

1 工程概況

洗馬橋位于福州市八一七中路，為左右分幅三跨簡(jiǎn)支梁橋，橋跨布置為6m現(xiàn)澆實(shí)心板+16m預(yù)應(yīng)力空心板+6m現(xiàn)澆空心板。橋梁全長(zhǎng)29.3m，橋面全寬40m，其基礎(chǔ)為32根直徑1.2m的鉆孔灌注樁。該橋梁共有12根樁基與福州軌道交通1號(hào)線南門兜～茶亭盾構(gòu)隧道發(fā)生空間交叉，需采用樁基托換技術(shù)鑿除此12根障礙樁。即采用4座王字型承臺(tái)梁+24根托換新樁的方式，共同承擔(dān)原橋12根舊樁的上部荷載，然后采用人工挖孔的方式將盾構(gòu)隧道高程范圍內(nèi)的障礙樁鑿除。該項(xiàng)工作已于2014年9月順利完成，盾構(gòu)隧道與新舊樁基的位置關(guān)系如圖1所示[12]。

圖1 盾構(gòu)隧道與橋梁樁基的位置關(guān)系

完成樁基托換后，盾構(gòu)機(jī)于2014年12月由南向北(上行線)首次穿越洗馬橋，于2015年5月由北向南(下行線)再次穿越洗馬橋。以上行線為例，其穿越過程及施工參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)隧道穿越橋梁樁基的施工參數(shù)

2 精細(xì)化數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

在FLAC3D數(shù)值分析平臺(tái)上，對(duì)盾構(gòu)隧道近接穿越洗馬橋樁基的施工過程(以西半幅為例)進(jìn)行精細(xì)化模擬如圖2所示。地層模型的長(zhǎng)寬高方向尺寸均為60m(內(nèi)含待開挖的盾構(gòu)隧道)，其頂面為河床底，取自由邊界，其側(cè)面與底面為法向位移約束邊界。需要注意的是，計(jì)算初始地應(yīng)力時(shí)，首先將土層假定為彈性本構(gòu)，在自重作用下計(jì)算至平衡后，再將土層調(diào)整為摩爾庫(kù)倫塑性本構(gòu)，從而避免初始地應(yīng)力計(jì)算過程中出現(xiàn)非正常塑性區(qū)的問題。

隨后，根據(jù)設(shè)計(jì)文件的實(shí)際尺寸和空間位置[12]，依次建立原橋蓋梁、原橋橋臺(tái)、原橋樁基、托換承臺(tái)、托換新樁等構(gòu)件；并在原橋蓋梁與橋臺(tái)頂部施加相應(yīng)的橋面荷載[13]并計(jì)算至平衡，將位移清零后完成近接穿越前的初始數(shù)值模型，如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

其三維數(shù)值模型共計(jì)67 365個(gè)實(shí)體節(jié)點(diǎn)和62 800個(gè)實(shí)體單元，1240個(gè)樁單元節(jié)點(diǎn)和1211個(gè)樁單元。除土體外，各結(jié)構(gòu)/構(gòu)件均采用線彈性本構(gòu)，其中原橋蓋梁、原橋承臺(tái)和托換承臺(tái)采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，混凝土襯砌和剛盾殼采用3節(jié)點(diǎn)殼體單元，新舊樁基采用2節(jié)點(diǎn)樁單元，其物理力學(xué)參數(shù)如表2所示[12,14]。

表2 結(jié)構(gòu)/構(gòu)件物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模型中的土體采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元和摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，根據(jù)地勘報(bào)告[15]，各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。其中ρ、h分別為土體密度和土層厚度；c、φ和ψ分別土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角和剪脹角；E為土體彈性模量，一般取為壓縮模量Es的3～5倍(軟土取大值，砂土取小值)。

表3 土層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 樁土接觸面本構(gòu)及其參數(shù)

樁身與土體的相互作用可通過樁土接觸面(即樁周剪切彈簧)來模擬，其本構(gòu)關(guān)系如式(1)和圖3所示。對(duì)單位樁長(zhǎng)而言，當(dāng)樁與土之間發(fā)生相對(duì)位移|Δ|時(shí)，樁土間相互作用力|F|的大小取決于彈簧剛度系數(shù)ks；同時(shí)該相互作用力的上限值|Fmax|還受到樁土間的黏聚力cs、摩擦角φs和正應(yīng)力σn的制約。

(1)

圖3 樁土接觸面的本構(gòu)關(guān)系

上述樁土接觸面本構(gòu)中的3個(gè)力學(xué)參數(shù)的取值，不僅與樁身幾何性質(zhì)及材料性質(zhì)有關(guān)，更與接觸土層分布及土層性質(zhì)密切相關(guān)。參考前人研究成果[16]，建議將樁土間黏聚力cs取為相應(yīng)土層黏聚力的50%；將樁土間摩擦角φs取為相應(yīng)土層摩擦角的25%(對(duì)粘性土)或50%(對(duì)砂性土)；將樁土間剪切彈簧剛度系數(shù)ks取為相應(yīng)土層基床系數(shù)cv的25%乘以樁截面周長(zhǎng)πD。因此，根據(jù)地勘報(bào)告中給出的各土層物性值[15]，樁土接觸面上的物性值如表4所示。

表4 樁土接觸面參數(shù)

2.3 逐步開挖過程的模擬

以上行線(西半幅)為例，對(duì)其穿越施工過程進(jìn)行精細(xì)化模擬，其具體過程如下。

(1)歷史施工過程：建立初始地層模型→建立橋臺(tái)、蓋梁及其下樁基模型→建立托換承臺(tái)及其下樁基模型→模擬樁基頂升托換的過程。分別計(jì)算每段歷史施工過程的應(yīng)力與位移響應(yīng)，并將位移置零。

(2)刀盤開挖過程：采用null模型模擬刀盤前方土體掘削，每步開挖進(jìn)尺為1.2m(即管片寬度)；在掌子面上施加水平力，模擬土艙壓力；在被開挖段徑向上敷貼shell-1單元，模擬盾殼的保護(hù)作用。

(3)盾尾脫環(huán)過程：開挖段敷貼shell-1單元的同時(shí)，盾尾同步刪除shell-1單元，模擬盾殼脫出；在脫出段徑向上敷貼shell-2單元，模擬混凝土管片襯砌。

(4)重復(fù)上述開挖與脫環(huán)的過程，整個(gè)西半幅共分50步開挖，分別計(jì)算每工況步中土體與結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)、應(yīng)力響應(yīng)及內(nèi)力響應(yīng)，以模擬盾構(gòu)法隧道近接穿越橋梁樁基的施工過程。

3 樁基橫向水平位移與彎矩

3.1 既有樁基的橫向水平位移與彎矩

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，既有樁基(以5#為例)橫向水平位移變化的歷程曲線如圖4所示。圖中“+”號(hào)表示樁基發(fā)生隧道外側(cè)方向(東方向)的水平位移，“-”號(hào)表示發(fā)生隧道內(nèi)側(cè)方向(西方向)的水平位移。Exc表示開挖步，每步進(jìn)尺1.2m，由南向北共分為50個(gè)開挖步，完成隧道近接穿越的模擬。5#樁所處斷面大致在開挖步Exc13附近，如圖4所示。

圖4 既有樁基的橫向水平位移(5#)

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，刀盤對(duì)掌子面附近土體產(chǎn)生明顯的擠壓作用。當(dāng)掘削面位于樁基所在斷面前方約6m時(shí)，樁基上部開始緩慢發(fā)生趨向隧道外側(cè)的水平位移；當(dāng)掘削面經(jīng)過樁基所在斷面時(shí)，其水平位移明顯增大；當(dāng)掘削面逐漸遠(yuǎn)離樁基所在斷面約12m后，水平位移趨于穩(wěn)定。最終樁基上部水平位移最大值約為0.45mm，出現(xiàn)在隧道中心高程附近。

由于樁頭橋臺(tái)和樁身下部土體的約束作用，同時(shí)刀盤擠壓效應(yīng)僅作用在樁身上部，因此樁基位移整體上呈現(xiàn)出上部外凸、下部?jī)?nèi)凹的“雙向凹凸”形態(tài)。其反彎點(diǎn)出現(xiàn)在-13m高程附近，即上軟下硬的土層交界面附近。樁身橫向彎矩分布較為復(fù)雜(限于篇幅文中未給出)，其最大負(fù)彎矩約為-130kN·m，出現(xiàn)在樁頭連結(jié)處；其最大正彎矩約為200kN·m，出現(xiàn)在隧道中心高程附近。

3.2 新樁基的橫向水平位移和彎矩

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，新樁基(以X6#為例)橫向水平位移變化的歷程曲線如圖5所示。X6#樁所處斷面大致在開挖步Exc15附近，如圖5所示。

圖5 新樁基的橫向水平位移(X6#)

對(duì)比圖4與圖5可以看出，新舊樁基樁身位移的分布形態(tài)與變化趨勢(shì)基本一致。但由于新樁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，樁頭承臺(tái)的約束作用更強(qiáng)，與隧道中心線距離更遠(yuǎn)，因此其整體位移形態(tài)呈狹長(zhǎng)型的“雙向凹凸”，其位移最大值約為0.4mm，略小于既有樁基。

新舊樁基樁身橫向彎矩的分布規(guī)律基本相同，其最大負(fù)彎矩約為-183kN·m，出現(xiàn)在樁頭連結(jié)處；其最大正彎矩約為135kN·m，出現(xiàn)在隧道中心高程附近。

3.3 新樁基橫向水平位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析對(duì)比

新樁基(以X6#為例)，在施工過程中埋設(shè)測(cè)斜管，測(cè)斜管延伸至王字型承臺(tái)頂，并進(jìn)行保護(hù)，確保在盾構(gòu)施工過程中可以對(duì)樁基的橫向水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可得出新樁基在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中橫向水平位移變化的歷程曲線，如圖6所示。

圖6 新樁基橫向水平位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(X6#)

對(duì)比圖5與圖6可以看出，新樁基橫向水平位移的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結(jié)果的分布形態(tài)與變化趨勢(shì)基本一致。但由于施工過程中，對(duì)盾構(gòu)近接橋梁區(qū)域進(jìn)行了地基加固，加固土體減小了盾構(gòu)穿越對(duì)樁基的影響，因此，新樁基橫向水平位移最大值為0.36mm，略小于數(shù)值模擬的結(jié)果。

4 樁基縱向水平位移與彎矩

4.1 既有樁基的縱向水平位移與彎矩

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，既有樁基(以5#為例)縱向水平位移變化的歷程曲線如圖7所示。圖中“-”號(hào)表示樁基發(fā)生沿盾構(gòu)前進(jìn)方向(北方向)的水平位移。

圖7 既有樁基的縱向水平位移(5#)

由于刀盤對(duì)掌子面附近土體的推進(jìn)作用，當(dāng)掘削面位于樁基所在斷面前方約12m時(shí)，樁身整體開始發(fā)生明顯的沿推進(jìn)方向的水平位移。當(dāng)掘削面經(jīng)過樁基所在斷面時(shí)，其縱向水平位移的增速變緩，整體呈較為平緩的“單向鼓凸”形態(tài)；其最大值約為0.4mm，出現(xiàn)在深度-16m附近。隨著掘削面逐漸遠(yuǎn)離，樁身縱向水平位移發(fā)生少量回彈，最終其位移最大值約為0.3mm，出現(xiàn)在隧道中心高程附近。

樁身縱向彎矩(限于篇幅文中未給出)較橫向彎矩大幅減小，其最大負(fù)彎矩約為-83kN·m，出現(xiàn)在樁頭連結(jié)處；其最大正彎矩約為73kN·m，出現(xiàn)在隧道中心高程附近。

4.2 新樁基的縱向水平位移和彎矩

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，新樁基(以X6#為例)縱向水平位移變化的歷程曲線如圖8所示。

圖8 新樁基的縱向水平位移(X6#)

對(duì)比圖7與圖8可以看出，新舊樁基樁身位移的分布形態(tài)與變化趨勢(shì)基本一致。當(dāng)掘削面經(jīng)過樁基所在斷面時(shí)，其縱向水平位移達(dá)到最大值約為0.30mm，出現(xiàn)在深度-16m附近。隨著掘削面逐漸遠(yuǎn)離，樁身縱向水平位移發(fā)生少量回彈，最終其位移最大值約為0.2mm，出現(xiàn)在隧道中心高程附近。

新舊樁基樁身橫向彎矩的分布規(guī)律也基本相同，其最大負(fù)彎矩約為-109kN·m，出現(xiàn)在樁頭連結(jié)處；其最大正彎矩約為42kN·m，出現(xiàn)在隧道中心高程附近。

4.3 新樁基縱向水平位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析對(duì)比

新樁基(以X6#為例)，在承臺(tái)施工過程中埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行保護(hù)，確保在盾構(gòu)施工過程中可以對(duì)樁基的縱向水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可得出新樁基在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中縱向水平位移變化的歷程曲線，如圖9所示。

圖9 新樁基縱向水平位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(X6#)

對(duì)比圖8與圖9可以看出，新樁基縱向水平位移的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結(jié)果的分布形態(tài)與變化趨勢(shì)基本一致。但由于施工過程中，對(duì)盾構(gòu)近接橋梁區(qū)域進(jìn)行了地基加固，加固土體減小了盾構(gòu)穿越對(duì)樁基的影響，因此，新樁基縱向水平位移最大值為0.25mm，略小于數(shù)值模擬的結(jié)果。

5 結(jié)論與建議

以福州軌道交通1號(hào)線盾構(gòu)隧道近接穿越洗馬橋樁基工程為背景，考慮刀盤推力和樁土相互作用，對(duì)其施工過程進(jìn)行精細(xì)化模擬。重點(diǎn)關(guān)注掘進(jìn)過程中，鄰近樁基位移與彎矩的變化規(guī)律，得到主要結(jié)論如下。

(1)由于刀盤對(duì)土體的擠壓作用，樁基橫向水平位移呈“雙向凹凸”形態(tài)，其最大值出現(xiàn)在隧道中心高程附近，其反彎點(diǎn)出現(xiàn)在軟硬土層交界面附近。而樁基縱向水平位移呈“單向鼓凸”形態(tài)，其最大值亦出現(xiàn)在隧道中心高程附近。

(2)樁身橫向彎矩最大值出現(xiàn)在隧道中心高程附近(正彎)和樁頭連結(jié)處(負(fù)彎)；樁身縱向彎矩的分布情況與之類似，但絕對(duì)值略小。

(3)盾構(gòu)穿越過程中，樁基橫向水平位移不斷發(fā)展增大，尤其是刀盤到達(dá)樁基所在斷面時(shí)，位移增長(zhǎng)尤為迅速。而樁基縱向水平位移則呈先增大后減小的趨勢(shì)，大部分位移在刀盤到達(dá)前樁基所在斷面前就已發(fā)生，而后隨著掌子面的遠(yuǎn)離，其位移略微減小。

(4)通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出樁基的橫向水平位移和縱向水平位移的趨勢(shì)基本一致，數(shù)值分析較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工情況的模擬，且通過對(duì)盾構(gòu)近接穿越橋梁樁基區(qū)域進(jìn)行地基加固，可有效地控制盾構(gòu)對(duì)橋梁樁基的影響。

對(duì)該工程及其他類似工程而言，建議在樁基所在斷面前后10m范圍內(nèi)，應(yīng)注意控制刀盤推力和掘進(jìn)速度，同時(shí)做好壁后注漿、地基加固及相關(guān)監(jiān)測(cè)工作。

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