李世仲

(中鐵建設集團有限公司 北京 100040)

1 引言

隨著城市地鐵建設和地下空間開發(fā)的快速發(fā)展，新建隧道穿越鄰近橋樁、地下室及其它地下建構筑物的情況越來越多。 地鐵盾構隧道施工對鄰近橋樁的影響主要表現(xiàn)在盾構施工引起鄰近土體的擾動，從而引起橋樁的沉降、側移和樁體的受力和彎矩等，進而影響樁側摩阻力與樁基承載力。 同時，由于橋梁樁基的阻隔效應，盾構施工引起的地表沉降也與無受限條件情況存在差別。 在對隧道近接橋樁的分析研究中，主要采用的有數(shù)值計算法、模型實驗法以及數(shù)值計算和實驗對比分析的研究方法。

Loganathan 等[1]通過提出邊界元對盾構隧道施工開挖過程中近接橋梁樁基的單樁和群樁進行分析研究，并假設樁基和地層都是各向同性，樁土之間不發(fā)生相對滑移。 Mroueh 等[2]采用三維有限元數(shù)值模型模擬隧道近接橋樁施工，分析橋樁產(chǎn)生的軸力和彎矩，結果表明內力的分布情況主要由樁頂和隧道軸線的相對位置和橋樁軸線與隧道開挖面中心線的距離共同決定。 Lee 等[3]通過三維有限元模型分析了隧道近接單樁時，隧道開挖過程對樁體內力的影響，并采用離心模擬試驗來對比分析數(shù)值計算結果，驗證了模型試驗和數(shù)值計算的準確性。況龍川等[4]針對不同樁基施工與隧道之間的最小安全距離，結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對隧道鄰近的地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁等開挖產(chǎn)生的隧道位移影響進行分析，總結了不同施工方式對于隧道的影響。鄭騏[5]研究分析穿越部分地層在二次擾動情況下，其地表沉降的變化規(guī)律和控制措施。 徐前衛(wèi)等[6]對盾構隧道穿越橋梁樁基中部為基礎進行數(shù)值模擬并引入了對除樁技術的探討。 宋欣等[7]采用MIDAS有限元軟件建立三維數(shù)值模型，主要分析盾構隧道在開挖過程中對樁基的影響，總結了對于盾構隧道鄰接橋樁施工時的保護控制措施。 徐慧宇等[8]對下穿高速橋區(qū)間隧道進行設計，分析區(qū)間隧道施工過程中對地表變形影響，總結了盾構施工影響地層變形的規(guī)律。 沈建文等[9]通過對盾構隧道和橋梁相互位置的建模分析，并與監(jiān)測結果進行對比，論證了數(shù)值模型的準確性。 單生彪等[10]運用MIDAS/GTS 有限元軟件對盾構隧道近接群樁穿越進行動態(tài)模擬，計算出襯砌管片中的變形和內力進行對比分析。 郭波[11]通過建立結構-橋墩-土體有限元模型，分析了盾構施工過程中高鐵橋墩的變形特征，對工程安全性進行評估。 游輝[12]通過建立盾構下穿地橋的三維有限元模型，分析了不同模擬施工步下橋樁豎向及水平位移變化規(guī)律和承臺豎向位移及差異沉降結果，分析表明：在盾構施工控制措施外，需要輔助以洞外隔離保護措施，保證結構處于安全狀態(tài)。

本文利用三維數(shù)值模擬的方法，對杭州市慶春路過江隧道的實際情況進行簡化，并加入橋梁樁基等構筑物，建立了盾構隧道-橋梁樁基數(shù)值模型，對不同隧道埋深、樁間距、樁基埋深和隧道穿越部分土體彈性模量進行模擬計算，并進行對比分析新建隧道對地表沉降的影響和對既有橋樁的受力和變形影響，對工程實踐具有一定的指導意義。

2 試驗方法與模型簡介

2.1 正交試驗介紹

在研究盾構穿越鄰近橋梁樁基的影響因素分析時，需要考慮很多影響因素，其中盾構隧道埋深、橋梁樁基的樁間距(假定隧道從兩樁間距中點處穿越)、樁基埋深、隧道穿越土體彈性模量等因素在盾構隧道穿越橋梁樁基時施工擾動方面起著重要作用。 用正交分析法來分析計算上述四個因素在盾構隧道穿越橋梁樁基時引起的地表位移和樁基位移及受力，并計算地表橫向沉降變形的權重。

在進行正交方法計算之前，為了消除變量的量綱效應，先將各參數(shù)與隧道直徑d 和土體重度γ 進行無量綱化處理，在進行無量化處理之前，假定隧道垂直穿越兩橋樁間距中點位置；隧道管片外徑10.0 m，內徑9.0 m，厚0.5 m，環(huán)寬2.0 m；隧道穿越部分，土體重度為20(kN/m2)。 將需要分析的參數(shù)，在合理范圍內取值，隧道埋深H ＝10 m，15 m，20 m，則H/d ＝1，1.5，2；樁基間距D ＝15 m，25 m，40 m，則D/d ＝1.5，2.5，4；樁基深度L ＝15 m，20 m，30 m，則L/d ＝1.5，2，3；隧道穿越土體彈性模量E ＝10 MPa，20 MPa，30 MPa，則E/γd＝5，10，15。 對四因素三水平疊交影響因素的試驗進行安排，疊交影響因素試驗如表1 所示。

表1 疊交影響因素試驗

將三維有限元計算結果代入正交試驗方法中，通過變化研究因素中的某一個因素進而得到不同的工況模型和計算結果，并與其余工況計算結果進行對比綜合分析。

2.2 計算模型和參數(shù)選取

結合隧洞開挖過程中，隧道埋深、掘進壓力、盾尾注漿和應力釋放系數(shù)因素，對杭州市慶春路過江隧道模型進行簡化，再加入橋樁進行分析討論，簡化后模型尺寸為100 m(X) ×60 m(Y) ×60 m(Z)，隧道管片外徑d 為10.0 m，內徑9.0 m，厚0.5 m，環(huán)寬2.0 m，橋臺尺寸為6 m(X) ×6 m(Y) ×2 m(Z)，橋梁樁基位于矩形橋臺中心處，橋臺上部荷載取20 kPa，模型簡圖如圖1 所示，參數(shù)選取表如表2所示。

表2 地層和材料參數(shù)選取

圖1 有限元模型

3 各影響因素分析

3.1 地表縱向位移

隧道近接橋樁施工過程中產(chǎn)生的地表縱向位移如圖2 所示。 從圖2 可以看出新建隧道在近接橋樁施工時，隧道埋深、樁基間距、樁基埋深和隧道穿越土體的彈性模量均會對施工中產(chǎn)生的地表縱向位移產(chǎn)生較為明顯的影響。 對比分析可得，隨著隧道埋深的加深，隧道在縱向的沉降總體呈現(xiàn)減小的趨勢，且當隧道穿越部分土體彈性模量較小時，地面沉降較大，而樁基間距和樁基埋深的變化對于地表縱向位移影響程度相對較小，對圖中縱向位移曲線無明顯影響規(guī)律。

圖2 地面縱向位移曲線

3.2 地表橫向位移

隧道近接橋樁施工過程中產(chǎn)生的地表橫向位移，即沉降槽曲線如圖3 所示。

圖3 地面橫向位移曲線

通過圖3 可以看出，當隧道埋深15 m，樁間距為25 m，樁基埋深為30 m，隧道穿越處土體彈性模量為10 MPa 時，地表橫向沉降槽達到最大深度10.06 mm；而當隧道埋深20 m，樁間距為25 m，樁基埋深為15 m，隧道穿越處土體彈性模量為30 MPa時，地表橫向沉降槽達到最小深度2.70 mm。 由此可以得出，隧道埋深越深，沉降槽寬度越大，地面最大沉降越小，曲線越平緩、穩(wěn)定。

3.3 樁體豎向位移

隧道近接橋樁施工過程中產(chǎn)生的樁體豎向位移如圖4 所示。

圖4 樁體豎向位移

通過圖4 可以看出，樁體豎向位移沿著樁身整體方向的沉降規(guī)律基本相同，樁體產(chǎn)生豎向位移的原因主要是由于新建隧道開挖過程中對樁體周圍的土體產(chǎn)生了擾動，導致了土體的應力重分布，橋梁樁體和附近的土體之間產(chǎn)生相互作用力，從而在樁側土體和樁頂荷載的共同作用下，樁體隨之發(fā)生豎向位移。

3.4 樁體水平位移

隧道近接橋樁施工過程中產(chǎn)生的樁體水平位移如圖5 所示。 通過圖5 可以看出，樁體橫向位移的變化規(guī)律基本相同。 樁基上部產(chǎn)生向隧道開挖側位移的趨勢，隨著橋樁埋深的增加，樁基的水平位移逐漸向遠離隧道開挖側增大，根據(jù)圖5 可以看出在隧道埋深附近橫向位移曲線發(fā)生突變，位移量達到最大值，而后埋深再增加，橫向位移增加量減小。

圖5 樁體橫向位移

3.5 樁體彎矩

隧道近接橋樁施工過程中產(chǎn)生的樁體彎矩如圖6 所示。

圖6 樁體彎矩

通過圖6 可以看出，樁體彎矩的變形規(guī)律基本相同，彎矩曲線隨著樁基的埋深彎矩逐漸增大，在隧道埋深的上部3 ～4 m 處達到最大正彎矩，隧道埋深下部3 ～4 m 處達到最大負彎矩，在樁體兩端彎矩值趨近于零。 對比圖6，彎矩值隨著隧道埋深的增加，彎矩增大；在穿越部分土體彈性模量較小的情況，彎矩曲線變形較為明顯，反之，在樁間距較大，樁基埋深較淺時，彎矩曲線變形較為平緩。

4 正交試驗結果分析

以地表橫向位移變化曲線為例，探討正交試驗中的四個因素對盾構近接橋樁施工時地層體積損失率η 影響。 對盾構隧道近接橋樁施工時的地表橫向沉降數(shù)據(jù)進行擬合，計算出在不同組合下的地層體積損失率η，并在此基礎上，計算出的各因素的極差值Rj，通過對比極差值Rj推斷出不同因素的主次關系。

將通過極差分析法與方差分析法處理的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3 所示。

表3 正交試驗分析結果

通過計算得出的極差值Rj，可以較為直觀地看出不同因素對地層體積損失率η 影響的主次順序，可以判斷出對地層體積損失率η 的影響程度：穿越部分土體彈性模量與土體重度和隧道直徑的比值E/γd＞隧道埋深與隧道直徑的比值H/d ＞樁基埋深與隧道直徑的比值L/d ＞樁間距與隧道直徑的比值D/d。

5 結論

本文利用正交試驗方法，主要通過對隧道埋深、樁間距、樁基埋深和隧道穿越部分土體彈性模量參數(shù)進行研究，對地表的縱向和橫向位移，樁體的豎向位移和水平位移以及樁體所受彎矩進行分析總結，并以地表橫向位移變化曲線為例，對幾個影響因素進行顯著性分析，得出以下結論：

(1)由于新建隧道開挖過程中對樁體周圍的土體產(chǎn)生了擾動，導致了土體的應力重分布，使得樁體周圍土體向隧道開挖處發(fā)生收斂，進而在橋樁和其周圍土體的相互作用下使得樁體產(chǎn)生變形和受力。

(2)地表縱向位移和橫向位移規(guī)律基本一致，橫向位移基本符合沉降槽曲線，隨著隧道埋深越深，隧道穿越部分土體彈性模量的越大，沉降槽寬度越大，地面最大沉降越小，曲線越平緩、穩(wěn)定。 樁間距和樁基埋深對于地表位移有一定影響，但是影響不太明顯。

(3)在不同因素的影響下，樁體豎向位移變化規(guī)律相近，當隧道穿越部分土體彈性模量增大時，樁體豎向位移增加比較顯著。 另外，當樁間距減小時，豎向位移會增大；而隧道埋深增加和樁基埋深的增加對于豎向位移增加影響較小。

(4)正交試驗中的四個因素對地層體積損失率η 影響顯著性為穿越部分土體彈性模量與土體重度和隧道直徑的比值E/γd＞隧道埋深與隧道直徑的比值H/d ＞樁基埋深與隧道直徑的比值L/d ＞樁間距與隧道直徑的比值D/d。