馮 勇 （中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100）

1 引言

伴隨城市的發(fā)展，市內(nèi)交通擁堵日趨嚴重，目前解決城市交通擁堵現(xiàn)象的主要方法是修建地鐵與高架，兩者大都在不同的時期建設(shè)，且高架建設(shè)大都早于地鐵建設(shè)。后期建設(shè)地鐵對前期建設(shè)的高架難免產(chǎn)生影響，甚至影響其安全運行，對其結(jié)構(gòu)安全進行分析非常必要。

R.B.Peck通過對單孔隧道施工所產(chǎn)生的地表沉降數(shù)據(jù)進行研究，提出地表沉降凹槽近似于正態(tài)分布曲線；1975年，劉建航院士通過對上海地鐵監(jiān)測數(shù)據(jù)進行研究分析，提出了“欠地層損失”概念，并對Peck公式進行了修正。2002年Mroueh和Shahrour等人根據(jù)地鐵經(jīng)過單樁和樁群基礎(chǔ)引起的偏移量和沉降量，運用數(shù)值計算方法進行分析研究，他們提出隨著盾構(gòu)的推動，樁基的彎曲力矩和剪切應(yīng)力都將得到增加，并且樁基的位移量和豎直應(yīng)力也會隨著樁身與隧道之間的水平和縱向間距的變化而發(fā)生變化。2011年張恒、陳壽根等對隧道盾構(gòu)下穿公路立交橋分析，發(fā)現(xiàn)樁基主要是水平方向上的變形，并且上半部分朝向隧道一側(cè)，下半部分背離隧道一側(cè)。

2 模型建立

2.1 模型概況

本文以合肥地鐵2#線下穿五里墩立交橋為研究對象，并選取其相關(guān)數(shù)據(jù)建立數(shù)值模擬模型，依據(jù)圣維南計算原理，規(guī)定左、右隧道軸線向外5D（D為隧道直徑）距離作為此模型的X軸，距離為78m；規(guī)定沿隧道軸線方向作為模型的Y軸，長度為60m；規(guī)定豎向作為模型的Z軸，長度為45m。土體厚度為39m，拱頂至地表取其覆土厚度為25.5m；盾構(gòu)掌子面直徑為6.28m；模型選取寬度為1.5m厚度為0.3m的管片；注漿層厚度為0.14m。立交橋橋樁長度為16.5m，樁徑1.2m，樁體與拱頂距離為7.5m。左隧道與右隧道中心相距18m，左樁體中心在兩隧道之間三分之一位置處，距左側(cè)隧道中心線12m；右樁體中心距右側(cè)隧道中心線為9m。隧道與樁體相對位置如圖2所示。

圖1 有限元建立的數(shù)值模型

圖2 盾構(gòu)區(qū)間隧道與樁基的位置關(guān)系圖

2.2 模型參數(shù)

依據(jù)地質(zhì)勘查報告的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定所建立模型中的地層分布自上而下分別為：人工土覆蓋層、粘土層、全風化泥質(zhì)砂巖層、強風化泥質(zhì)砂巖層及中等風化泥質(zhì)砂巖層，厚度分別為1.2m、5.9m、2.1m、4.7m、24.5m。采用實體單元來進行有限元數(shù)值模擬。土體選用M—C本構(gòu)模型，管片、樁基、承臺和注漿均選用線彈性本構(gòu)模型。盾構(gòu)掘進過程利用FLAC進行數(shù)值模擬，按掘進順序激活管片和注漿體，其中注漿凝固可分為兩步驟進行，開始注入漿體時候，漿體彈性模量較小，往后隨著漿體的凝固，漿體彈性模量逐漸增加。由于存在微小裂縫，混凝土實際值與理論值存在一定誤差，故取實際彈性模量的90%作為理論計算值，均設(shè)31.5GPa。

材料物理力學參數(shù)見下表。

材料參數(shù)表

2.3 接觸面作用

樁—土接觸面分成若干個三角形單元，由兩個三角形單元構(gòu)成四邊形單元，繼而組合成接觸面。樁—土接觸面如圖3所示，接觸面法向剛度與剪切剛度由下式求解得出：

圖3 樁—土接觸面的模型示意圖

K—體積模量

G—剪切模量

ΔZ—接觸面最小連接尺寸

體積模量和剪切模量可根據(jù)下式計算得出：

E—彈性模量

V—泊松比

樁土接觸面參數(shù)中，粘聚力c和摩擦角φ的取值為樁基周圍土層相關(guān)參數(shù)的0.7倍，橋墩自重和橋板承受荷載取為1800kN。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

滯后距離分別設(shè)定為 0m、12m、24m、36m和60m，根據(jù)五種工況進行分析對比。

3.1 滯后距離對水平位移影響分析

1-4號樁基的水平側(cè)向位移，如圖4～圖7所示。

圖4 樁1在各種滯后距離下的樁身水平位移

圖5 樁2各種滯后距離下的樁身水平位移

圖6 樁3在各種滯后距離下的樁身水平位移

圖7 樁4在各種滯后距離下的樁身水平位移

由圖4～圖7可以看出：在0～60m各種間距下樁身的水平變形規(guī)律基本一致，右線先行掘進，且距離樁基較近，隧道掘進造成樁基一側(cè)側(cè)壓減小，四個樁基水平位移基本是向先行隧道偏移的。樁1、樁2下部分距離先行隧道僅為2.3m，受土層擾動及損失率影響，樁身附加彎矩和軸力增加，導致樁1、樁2自樁頂向下到2/3樁長范圍之間水平位移逐漸減小，而自2/3樁長到樁段，其水平位移變形量逐漸增加。樁1、樁2的樁頂水平偏移量與滯后距離呈正相關(guān)，其水平位移增加約27%；而樁3、樁4水平位移僅增加約6.8%。

3.2 間隔距離對豎向位移影響分析

1、2、3和4號樁基的豎向位移，見圖8所示。

圖8 樁1、2和樁3、4在距離0m 時每根樁基豎向位移變化云圖

圖8～圖13中可得出：在五種工況下，四個樁基的樁頂沉降變化趨勢基本相同，盾構(gòu)開挖樁底引起了少量的撓曲變形，導致樁頂?shù)呢Q向位移比樁底的豎向位移略微偏大；隨著間隔距離的增大，樁頂部沉降有所降低，超過6倍樁徑后沉降趨于穩(wěn)定，樁1、樁2的沉降減小約28%，樁3、樁4減小約5%；在滯后距離為60m時，樁1～4的樁頂沉降量分別為 3.50mm、3.43mm、2.42mm和2.40mm。

圖9 樁1、2和樁3、4在距離12m 時每根樁基豎向位移變化云圖

圖10 樁1、2和樁3、4在距離24m 時每根樁基豎向位移變化云圖

圖11 樁1、2和樁3、4在距離36m 時每根樁基豎向位移變化云圖

圖12 樁1、2和樁3、4在距離60m 時每根樁基豎向位移變化云圖

圖13 距離60m時樁頂豎向位移變化曲線

3.3 間隔距離對地面沉降影響分析

在Y=30處地表各監(jiān)測點沉降變化如圖14所示，從圖14可以看出，地表沉降曲線為“W”形。隨著間隔距離的增加，先行隧道的地表沉降不斷減小，后行隧道的表面沉降程度相對較小。在先行線和后行線隧道開挖的整個過程中，對地面沉降的主要危害范圍分別是中線兩側(cè)的3D和2.25D。多線隧道關(guān)鍵危險區(qū)的沉淀池容積約占沉淀池總?cè)莘e的3/4。左右線間距為60m時，先行線隧道中心最大沉降量和后行線隧道中心最大沉降量3.18mm、3.01mm；不同間隔距離下先行線隧道中心位置地表沉降要比后行線隧道約大6%～17%。先行線隧道的表面沉降最大值位于兩個隧道中間的樁基右側(cè)，距離約0.25D處，并且靠近先行開挖隧道的側(cè)面。

圖14 Y=30m處地表橫斷面各監(jiān)測點縱向沉降變化圖

4 結(jié)論

通過分析可以得到以下主要結(jié)論。

①不同盾構(gòu)掘進間隔距離，高架橋樁基水平變形規(guī)律基本一致，右線先行掘進，且距離樁基較近，隧道掘進造成樁基一側(cè)側(cè)壓減小，四個樁基水平位移基本是向先行隧道偏移的。

②由于樁1和樁2下部分距離先行隧道凈距僅為2.3m，土層受到擾動，損失率產(chǎn)生變化后，樁身附加彎矩和軸力增加，進而導致樁1和樁2自樁頂向下到2/3樁長范圍之間水平位移逐漸減小，而自2/3樁長到樁段其水平變形逐漸增加。樁1、樁2的頂部水平偏移量與樁間距的大小呈正相關(guān)，其水平移動距離增加約27%；而樁3、4水平方向位移僅增加約6.8%左右。

③盾構(gòu)開挖樁底產(chǎn)生極小的撓曲變形，從而會導致樁頂?shù)呢Q向位移比樁底的豎向位移略微偏大；隨著間隔距離的增大，樁頂部沉降有所降低，超過6倍洞徑后趨于穩(wěn)定，樁1和樁2的沉降減少約28%，樁3和樁4減少約5%。

④表面沉降曲線為“W”形，并且表面沉降量與間隔成反比。在隧道開挖的整個過程中，破壞地面沉降區(qū)域的關(guān)鍵是中心線的兩側(cè)，即3D和2.25D左右。在不同距離下，先行線隧道中心的地表沉降量比后行隧道大6%～17%。先行隧道的地表沉降最大值位于兩條隧道之間的樁基右側(cè)，距離約為0.25D，且靠近第一個基坑的隧道開挖側(cè)面。