李海堂

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300）

1 研究背景

我國地鐵建設(shè)發(fā)展迅速，地鐵線路錯綜復(fù)雜，地下結(jié)構(gòu)的合理空間布設(shè)是新建地鐵線路規(guī)劃的重點關(guān)注問題，曲線盾構(gòu)施工和近接地下結(jié)構(gòu)物逐漸普遍，地鐵隧道工程建設(shè)難度增大，安全風(fēng)險提高。盾構(gòu)施工產(chǎn)生卸荷擾動區(qū)，該區(qū)內(nèi)土體強度先變小，之后土體發(fā)生固結(jié)，強度增大。盾構(gòu)隧道開挖，隧道下部出現(xiàn)地層損失，土體出現(xiàn)應(yīng)力釋放，地表回彈隆起[1]。因隧道軸線線型特點，曲線隧道施工引起的額外地層損失將導(dǎo)致更大的卸荷擾動區(qū)。盾構(gòu)施工擾動通過土體傳遞到附近樁基，使樁基產(chǎn)生附加變形，樁基變形過大將引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)的沉降、開裂、傾倒等問題，使橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性受到威脅。因此，開展有關(guān)隧道結(jié)構(gòu)、土體和樁基的相互作用機理研究，探究盾構(gòu)施工對鄰近樁基的影響規(guī)律，對于復(fù)雜工況下隧道施工控制與安全評估有重要意義。

近年來采用數(shù)值模擬方法研究盾構(gòu)隧道施工的案例逐年增多。王勇[2]以武漢大道高架橋橋樁參數(shù)為基礎(chǔ)，模擬盾構(gòu)隧道側(cè)穿樁基時橋樁的變形狀況，計算結(jié)果表明，不采用加固措施的情況下，橋樁變形滿足控制要求，盾構(gòu)隧道可安全通過；羅肖[3]以寧波地鐵2號線盾構(gòu)施工工程為背景，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)施工頂推力與注漿壓力的大小對周邊環(huán)境影響很大，盾構(gòu)近接樁基時，樁頂荷載、樁土界面參數(shù)及盾構(gòu)隧道與樁的相對位置對樁體位移均有不同程度影響；王禹椋[4]以深圳地鐵9號線盾構(gòu)近接群樁為工程背景，采用數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，考慮頂推力與刀盤扭矩的作用，研究發(fā)現(xiàn)樁基的數(shù)量對沉降槽寬度影響較??；王春凱[5]以上海市軌道交通盾構(gòu)區(qū)間隧道近接高架橋樁基為背景，驗證了數(shù)值模擬分析盾構(gòu)隧道近接橋梁樁基變形規(guī)律的可行性；漆偉強[6]建立有限差分數(shù)值模擬模型，計算分析盾構(gòu)隧道施工引起的鄰近樁基變形特征，從變形的多個角度總結(jié)規(guī)律；胡佳[7]結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和實測結(jié)論探究發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)開挖引起的建筑物變形有時效性，在盾構(gòu)開挖20 m以后測點變形達極大值；龐星[8]以太原地鐵2號線為研究背景，運用FLAC3D有限差分軟件計算盾構(gòu)開挖導(dǎo)致的地層、樁基礎(chǔ)以及周圍建筑物的傾斜、變形特點。

南京地鐵7號線萬壽村站—丁家莊站區(qū)間線路多段穿越上軟下硬復(fù)合地層，且以曲線隧道先后近接經(jīng)五路高架橋和涂家營橋。以該工程為研究背景，本文采用數(shù)值模擬方法，充分考慮復(fù)合地層、曲線盾構(gòu)與近接橋梁樁基的工程特點，計算隧道施工引起的樁基變形，并據(jù)此提出相關(guān)控制措施。

2 工程概況

南京地鐵7號線萬壽村站—丁家莊站區(qū)間隧道先后近接經(jīng)五路高架橋樁基和涂家營橋樁基，2處樁型均為鉆孔灌注樁，其中經(jīng)五路高架橋樁基樁徑1.5 m，樁長27 m，與區(qū)間最小水平凈距1.26 m，區(qū)間隧道線路曲線半徑為450 m；涂家營橋樁基樁徑 1.0 m，樁長23 m，與區(qū)間最小水平凈距3.6 m。區(qū)間隧道多段穿越上軟下硬復(fù)合地層，復(fù)合地層上部主要為人工填土、粉質(zhì)黏土；下部基巖埋深最深為31.0 m，主要有砂巖、粉砂巖、泥巖以及白云質(zhì)角礫巖，東南側(cè)靠近丁家莊主要為燕山期侵入巖閃長巖。盾構(gòu)機掌子面地層有全斷面黏土、全斷面巖層和上軟下硬3種地層。萬壽村站—丁家莊站區(qū)間平面圖如圖1所示。

3 計算模型及參數(shù)

3.1 模型建立

本文采用ANSYS建立數(shù)值模擬三維幾何模型，網(wǎng)格劃分后，采用FLAC3D進行參數(shù)賦值、應(yīng)力施加、邊界條件設(shè)置。三維模型橫向?qū)挾?7 m，豎向?qū)挾?.6 m，縱向高度32.1 m，隧道間距設(shè)置為15 m，埋深15.1 m。

樁頂承臺與樁體之間采用剛接，承臺尺寸為22.12 m×6 m×0.5 m，樁體截面為圓形，樁長27 m，樁徑1.5 m，隧道軸向相鄰樁體間距3.8 m，垂直于隧道軸向的相鄰樁體間距6.5 m。盾構(gòu)隧道管片環(huán)外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，環(huán)外側(cè)為注漿層，層厚0.1 m，注漿層外側(cè)建立超挖層，利用超挖層模擬曲線盾構(gòu)隧道引起的地層損失。

模型建立均采用實體單元，土體和巖體的本構(gòu)模型為摩爾-庫倫模型，其他部分包括管片環(huán)、注漿層、超挖層和樁基的本構(gòu)模型為彈性模型，隧道內(nèi)土體開挖采用null單元模擬，各組之間的接觸關(guān)系采用interface結(jié)構(gòu)單元模擬。模型底部施加z向位移約束，頂部為自由邊界，兩側(cè)分別施加對應(yīng)的x向位移約束與y向位移約束。

樁基與隧道模型如圖2所示。

圖2 樁基與隧道模型

3.2 地層損失確定（超挖層）

盾構(gòu)機曲線掘進時為滿足自身姿態(tài)要求，實現(xiàn)盾構(gòu)機的順利轉(zhuǎn)彎，將采用超挖刀切削土體，擴大開挖半徑，此部分超挖量勢必造成額外的地層損失。直線隧道掘進與曲線隧道掘進對比如圖3所示，盾構(gòu)機向前掘進距離S，若曲線隧道掘進保持隧道原寬，易出現(xiàn)盾構(gòu)機侵入隧道邊界，無法按照設(shè)計軌跡掘進的問題，使用超挖刀增加超挖量，超挖量的增大給盾構(gòu)機的轉(zhuǎn)向提供可能，但同時隧道開挖半徑增大f（即超挖層厚度），對土體擾動大，會造成更大的土體沉降。

圖3 直線隧道掘進與曲線隧道掘進對比示意圖

本區(qū)間隧道軸線以最小半徑為450 m的曲線近接經(jīng)五路高架橋，為正確表征曲線盾構(gòu)隧道開挖對樁基的影響，在建立模型時，在注漿層外補充超挖層以模擬盾構(gòu)機為滿足沿設(shè)計曲線掘進而造成的地層損失。經(jīng)計算，盾構(gòu)機450 m曲線轉(zhuǎn)彎時，對應(yīng)最佳鉸接角為0.55°，此時超挖層厚度f= 6.46 mm，由于工程中使用的是被動鉸接裝置，考慮其無法控制張開角度，易發(fā)生鉸接過?；蜚q接不足的情況，取最不利無鉸情況，計算得超挖層總厚度f= 20.45 mm。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 隧道開挖對經(jīng)五路高架橋樁基的影響

經(jīng)五路高架橋樁基總位移（包括隧道開挖前自然狀態(tài)下的橋樁位移與隧道開挖引起的橋樁位移）如圖4所示，從總位移提取隧道開挖引起的樁基位移如表1所示。由表1計算結(jié)果可知，隧道開挖后，樁基整體向隧道開挖側(cè)傾倒，樁基的最大橫向位移為12.72 mm，最大豎向位移為8.413 mm，均位于樁頂；樁間最大差異沉降為4.92 mm；樁深12.5 m與樁深15.1 m處的位移有較大突變，這是由于隧道開挖后土體發(fā)生擾動引起樁基的附加變形，在土體與巖體的地層分界面處彈性模量有較大的突變，土體中樁體位移遠大于巖體中樁體位移。

表1 隧道開挖引起的經(jīng)五路高架橋樁基位移

圖4 經(jīng)五路高架橋樁基總位移云圖（單位：m）

4.2 隧道開挖對涂家營橋樁基的影響

涂家營橋樁基總位移（包括隧道開挖前自然狀態(tài)下的橋樁位移與隧道開挖引起的橋樁位移）如圖5所示，從總位移提取隧道開挖引起的樁基位移如表2所示。由表2計算結(jié)果可知，隧道開挖后，涂家營橋樁基橫向位移最大值為6.796 mm，豎向位移最大值為8.303 mm，均位于樁頂處；與經(jīng)五路高架橋樁不同，涂家營高架橋樁體四周地層彈性模量變化不大，隧道開挖后樁體整體呈向隧道側(cè)傾倒的趨勢，不存在變形明顯突變處。

表2 隧道開挖引起的涂家營橋樁基位移

圖5 涂家營橋樁基總位移云圖（單位：m）

4.3 隧道施工樁基控制值與計算值對比

表3給出了隧道開挖后樁基位移控制值與計算值對比，由表3可知，經(jīng)五路高架橋樁與涂家營橋樁的橫向位移計算值均超出控制值；表4給出了不同水平凈距時涂家營橋樁基的位移計算值與控制值對比，由表4可知，數(shù)值模擬隧道與樁基水平凈距為2.4 m時涂家營橋樁基橫向位移、豎向位移均超過控制值。因此施工過程中應(yīng)重點關(guān)注隧道開挖軌跡，曲線掘進時，有針對性地監(jiān)測隧道掘進時的預(yù)偏量和糾偏量，特別在隧道近距離側(cè)穿樁基時增加監(jiān)測頻率，若隧道軸線發(fā)生向樁基側(cè)的偏移應(yīng)及時采取有效措施。

表3 隧道開挖后樁基位移控制值與計算值對比

表4 不同水平凈距時涂家營橋樁基的位移計算值與控制值對比

表5給出了隧道無地層損失（注漿完全）與超挖量20 mm（注漿不完全）時經(jīng)五路高架橋樁基位移對比。由表5可知，合理地提高注漿量可有效限制樁基變形，變形值均小于控制值。

表5 盾構(gòu)隧道施工時注漿量對經(jīng)五路高架橋樁樁基位移影響

5 盾構(gòu)隧道近接橋梁樁基施工安全控制措施

5.1 安全監(jiān)測

為保證盾構(gòu)近接樁基施工的安全性，施工過程中應(yīng)進行以下3方面監(jiān)測：

（1）針對橋樁應(yīng)監(jiān)測其結(jié)構(gòu)損傷、裂縫特征和豎向變形；

（2）針對施工現(xiàn)場地基土體，應(yīng)監(jiān)測土體的水土壓力和地表沉降；

（3）針對盾構(gòu)機自身，應(yīng)監(jiān)測其施工參數(shù)，包括盾構(gòu)機鉸接角、千斤頂推進力、土倉壓力、刀盤扭矩和注漿量。

5.2 施工措施

在管片環(huán)脫離盾構(gòu)機尾部之后，管片外會存在空隙，曲線隧道不可避免存在更大的超挖量，因此應(yīng)通過增加注漿量，及時填補空隙以降低地層損失帶來的影響，控制土體位移，減小樁體變形。經(jīng)計算，20 mm厚超挖層至少需要增加0.469 m3注漿量，使樁體的變形值滿足控制要求，提升施工安全性。

6 結(jié)論及建議

本文以南京地鐵7號線萬壽村站—丁家莊站區(qū)間工程為背景，建立復(fù)合地層曲線盾構(gòu)隧道近接橋梁樁基仿真模型，計算得到隧道開挖后經(jīng)五路高架橋樁基最大橫向位移為12.72 mm，最大豎向位移為8.413 mm，涂家營橋樁基最大橫向位移為6.796 mm，最大豎向位移為8.303 mm；經(jīng)五路高架橋樁和涂家營橋樁的橫向位移超出控制值，應(yīng)采取監(jiān)測隧道糾偏量、控制壁后注漿量等措施，控制樁基變形，確保施工安全。