呂文龍，王嘉豪

（1.廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣州 510000；2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510000）

0 引言

近些年，隨著我國城市的不斷發(fā)展，為緩解地面交通壓力，地鐵的快速修建成為大趨勢(shì)。而地下隧道的開挖施工必然會(huì)對(duì)原有的建筑物產(chǎn)生擾動(dòng)影響，特別是對(duì)建筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分。因此需要一種擾動(dòng)作用較小、開挖速度快的隧道施工方法，而盾構(gòu)法恰好滿足這些要求，成為目前地鐵隧道開挖的主流方式之一，在國內(nèi)外已經(jīng)得到大量的推廣和應(yīng)用。

盾構(gòu)法隧道施工雖然相對(duì)于其他施工方法可以大幅度降低對(duì)地下各類樁基礎(chǔ)的影響[1]，但是在城市建筑物密集區(qū)，地下樁基礎(chǔ)繁多，仍不可避免地會(huì)在開挖過程中穿越既有建筑物的樁基礎(chǔ)。因此，城市盾構(gòu)法隧道施工中，隧道接近或穿越建筑物樁基礎(chǔ)的工程情況需要進(jìn)行深入研究。目前關(guān)于盾構(gòu)隧道的施工一個(gè)較為熱門的研究方向是城市盾構(gòu)隧道瀕臨建筑物樁基礎(chǔ)開挖施工時(shí)的樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性分析，研究的主要手段為：數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、理論計(jì)算等，并且已經(jīng)有許多可觀的研究成果。李明睿[2]等通過PLAXIS 3D 進(jìn)行了盾構(gòu)隧道施工近距離下穿樁基進(jìn)行三維仿真模擬，分析結(jié)果表明隧道開挖將導(dǎo)致樁基發(fā)生沉降、側(cè)移以及傾斜，樁基的整體位移以及傾斜都隨盾構(gòu)施工的進(jìn)行不斷增加。魏煥衛(wèi)[3]等采用室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了盾構(gòu)開挖對(duì)鄰近樁基的影響，隧道開挖導(dǎo)致的樁頂豎向位移和傾斜率均隨隧道距離增加而變大，且樁長越短所受影響越明顯。張大鵬[4]等通過MIDAS 進(jìn)行數(shù)值模擬分析了隧道開挖對(duì)鄰近橋梁樁基的位移、剪力和彎矩等的影響規(guī)律，結(jié)果表明隧道開挖對(duì)樁基的橫向位移和縱向位移影響較小，樁基離盾構(gòu)開挖面越遠(yuǎn)，受到的影響越?。凰淼谰蜻M(jìn)過程中對(duì)樁體的軸力、剪力和彎矩影響較大。魏亞輝[5]等通過ABAQUS 數(shù)值模擬了黃土地區(qū)盾構(gòu)開挖對(duì)鄰近樁基影響規(guī)律，結(jié)論表明在盾構(gòu)隧道鄰近已有樁基礎(chǔ)施工開挖的過程中，不同的開挖階段對(duì)樁基礎(chǔ)的影響也不同；付文生[6]等研究了研究同一地層條件同一樁徑的情況下，樁底與隧洞底持平及樁底與洞中心線持平時(shí)，盾構(gòu)隧道超近距離穿越既有樁基時(shí)產(chǎn)生的影響，結(jié)論表明盾構(gòu)隧道在樁基的下方或鄰近通過，由于盾構(gòu)圓環(huán)間隙的存在，會(huì)造成樁兩側(cè)的土壓力不平衡，在這種壓力差的作用下，樁會(huì)水平位移、彎曲甚至強(qiáng)度破壞；梁志偉[7]分析了“先下后上”和“先上后下”兩種施工工序中，盾構(gòu)穿越施工對(duì)既有隧道的影響，研究其變形、軸向力、軸向彎矩的變化規(guī)律，結(jié)論表明不同穿越順序中既有隧道的沉降和內(nèi)力變化趨勢(shì)的是不同的，且最終受到擾動(dòng)的程度也有所差異，且“先上后下”施工工序更優(yōu)；李進(jìn)軍[8]等基于上海虹橋綜合交通樞紐工程分析了地鐵盾構(gòu)隧道穿越對(duì)西航站樓樁基礎(chǔ)的影響，結(jié)論表明樁身剛度加強(qiáng)并采取三軸攪拌樁隔離的措施，可以有效減小隧道施工對(duì)樁基礎(chǔ)附加受力及變形的影響。本文基于十三號(hào)線二期工程西場(chǎng)站—彩虹橋站盾構(gòu)區(qū)間項(xiàng)目，采用數(shù)值模擬的方法，研究了在先進(jìn)行樁基托換，再進(jìn)行盾構(gòu)開挖的復(fù)雜工況條件下，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)樁基的位移影響規(guī)律。

1 工程概況

某項(xiàng)目為十三號(hào)線二期工程西場(chǎng)站—彩虹橋站盾構(gòu)區(qū)間，在盾構(gòu)掘進(jìn)約380 m 后開始下穿德坭立交橋多墩樁基，需要進(jìn)行樁基托換。由于樁基兩側(cè)地面道路地面車流量較大，不具備地面托換的條件，所以本次樁基托換工程采用暗挖通道主動(dòng)托換，樁基托換采用明挖豎井+橫通道施工+托換樁、托換梁施工，其中樁基托換明挖豎井1 個(gè)，暗挖橫通道主導(dǎo)洞1 個(gè)，支導(dǎo)洞5 個(gè)，托換樁10根，托換梁5個(gè)。

德坭立交橋位于廣州市荔灣區(qū)東風(fēng)西路與廣茂鐵路交匯處，分為舊橋和新橋，其中舊橋于1964 年建成通車，長370 m，寬12 m；新橋建于1995 年，長1309 m，寬15 m，舊橋兩側(cè)各8.5 m，設(shè)計(jì)中線在道路中線段16 m，橋梁為單層預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，各原橋樁樁長大致在20～23 m 左右，隧道埋深約13 m。圖1為地鐵與德坭立交橋的位置關(guān)系圖；圖2為樁基托換暗挖通道平剖圖。

圖1 地鐵與德坭立交橋的位置關(guān)系圖Fig.1 Location diagram of metro and Deni overpass

圖2 樁基托換暗挖通道平剖圖Fig.2 Plane section of pile foundation underpinning tunnel

由于德坭立交橋43#、44#、45#、48#、49#橋墩需在盾構(gòu)掘進(jìn)穿越前進(jìn)行樁基托換，此過程會(huì)對(duì)橋墩產(chǎn)生擾動(dòng)，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)位移，會(huì)進(jìn)一步加劇盾構(gòu)掘進(jìn)穿越時(shí)橋墩的風(fēng)險(xiǎn)，所以本文將重點(diǎn)分析43#、44#、45#、48#、49#橋墩及承臺(tái)在樁基托換再盾構(gòu)側(cè)穿之后其結(jié)構(gòu)的位移。

2 計(jì)算模型的建立

根據(jù)德坭立交橋和橋樁基托換暗挖通道結(jié)構(gòu)的空間立體關(guān)系以及工程施工特點(diǎn)，用MIDAS GTS建立三維有限元計(jì)算模型，并充分考慮本工程的地層分布特點(diǎn)并合理選取計(jì)算參數(shù)、劃分網(wǎng)格。

2.1 結(jié)構(gòu)三維模型

三維有限元計(jì)算模型的邊界條件為：模型底部Z 方向位移約束，模型前后面Y方向約束，模型左右面X方向約束。三維有限元整體模型示意如圖3所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖4所示。

圖3 三維有限元整體模型Fig.3 Three dimensional finite element model

圖4 立交橋及樁基和盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Structural model of overpass，pile foundation and shield tunnel

2.2 材料參數(shù)的確定

模型中的地層主要根據(jù)德坭立交橋及樁基托換暗挖通道相關(guān)結(jié)構(gòu)附近的工程地質(zhì)資料進(jìn)行適當(dāng)簡化，地層自上往下依次為素填土、殘積土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

德坭立交橋周邊地層的力學(xué)性質(zhì)對(duì)約束樁基托換暗挖通道施工過程中德坭立交橋的受力和變形起著關(guān)鍵作用，因此，進(jìn)行三維模擬分析計(jì)算時(shí)須充分考慮本工程的地層分布特點(diǎn)并合理選取計(jì)算參數(shù)。采用“地層—結(jié)構(gòu)”模型進(jìn)行三維建模分析。計(jì)算中不同的材料采用不同的本構(gòu)模型，將模型中的土體視為彈塑性體，采用摩爾-庫倫模型，采用實(shí)體單元模擬。暗挖通道支護(hù)結(jié)構(gòu)、德坭立交橋等結(jié)構(gòu)均采用各向同性彈性模型。各地層參數(shù)按照地勘報(bào)告給出的數(shù)據(jù)選取，具體材料參數(shù)取值如表1，模擬單元參數(shù)見表2。

表1 三維數(shù)值模擬材料參數(shù)取值表Table 1 Material parameters for 3D numerical simulation

表2 三維數(shù)值模擬單元參數(shù)表Table 2 Element parameters of 3D numerical simulation

2.3 施工工況的模擬

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，施工工況共有兩大步驟，首先進(jìn)行樁基托換，托換完成后再進(jìn)行盾構(gòu)隧道的開挖。由于在樁基托換施工過程中，也會(huì)對(duì)立交橋體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，再進(jìn)行盾構(gòu)開挖會(huì)進(jìn)一步加劇立交橋體結(jié)構(gòu)的位移，因此，為具體分析兩大工況對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，將數(shù)值分析也分為兩大步驟，樁基托換工況具體步驟如表3 所示，在樁基托換完成的基礎(chǔ)上，進(jìn)行位移清零，再來模擬盾構(gòu)開挖工況，盾構(gòu)開挖工況具體步驟如表4所示。

表3 樁基托換施工的施工過程Table 3 Construction process of pile foundation underpinning construction

表4 地鐵區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)的三維動(dòng)態(tài)施工過程Table 4 Three dimensional dynamic construction process of metro shield tunneling

3 計(jì)算結(jié)果及分析

從MIDAS 中提取第一個(gè)施工過程，即樁基托換過程的計(jì)算結(jié)果。圖5 為樁基托換施工完成后德坭立交橋樁基礎(chǔ)的總位移云圖。圖6 為樁基托換施工過程中德坭立交橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)總位移變化趨勢(shì)折線圖，其中橫坐標(biāo)為施工工況（對(duì)照施工工況表3），縱坐標(biāo)為位移大小。

圖5 樁基托換施工過程中德坭立交橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的總位移（單位：mm）Fig.5 Total displacement of pile foundation structure of Deni interchange during pile foundation underpinning construction（unit：mm）

德坭立交橋樁基托換施工過程對(duì)德坭立交橋樁結(jié)構(gòu)影響的三維模擬分析位移結(jié)果表明：①德坭立交橋樁基托換施工過程誘發(fā)德坭立交橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最大水平X位移為2.3 mm，水平Y(jié)位移為2.6 mm，最大豎向位移為4.9 mm，最大總位移為5.0 mm；②在工況10 處，豎向位移變化出現(xiàn)驟變，原因是為了方便模擬，這里的施工工況為原樁樁基托換通道開挖的施工一步到位，同時(shí)施作，導(dǎo)致位移變化較大，但后續(xù)工況總體趨勢(shì)還是趨于穩(wěn)定。

從MIDAS 中提取第二個(gè)施工過程，即盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程的計(jì)算結(jié)果。圖7 為盾構(gòu)隧道掘進(jìn)完成后德坭立交橋樁基礎(chǔ)的總位移云圖。圖8 為盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中德坭立交橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)位移變化趨勢(shì)折線圖，圖9 為德坭立交橋各橋樁樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)位移折線圖，其中橫坐標(biāo)為施工工況（對(duì)照施工工況表4），縱坐標(biāo)為位移大小。

圖7 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中德坭立交橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的總位移（單位：mm）Fig.7 Total displacement of pile foundation structure of Deni overpass during shield tunneling（unit：mm）

圖8 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中德坭立交橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)位移變化趨勢(shì)折線圖Fig.8 Broken line diagram of displacement change trend of pile foundation structure of Deni overpass during shield tunneling

圖9 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中德坭立交橋各橋樁樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)位移折線圖Fig.9 Broken line diagram of pile foundation structure displacement of Deni overpass during shield tunneling

由盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程對(duì)德坭立交橋樁結(jié)構(gòu)影響的三維模擬分析位移結(jié)果表明：①盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程誘發(fā)德坭立交橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最大水平X位移為2.3 mm，水平Y(jié)位移為3.9 mm，最大豎向位移為2.8 mm，最大總位移為4.2 mm；②45#橋墩結(jié)構(gòu)因盾構(gòu)掘進(jìn)施工誘發(fā)的位移最大，最大總位移為4.2 mm，相鄰橋墩差異沉降均不大于2 mm；③樁基托換后盾構(gòu)掘進(jìn)穿越過程中累計(jì)誘發(fā)德坭立交橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最大水平X位移為4.6 mm，水平Y(jié)位移為6.5 mm，最大豎向位移為6.8 mm，最大總位移為8.3 mm。

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363-2019）[9]、《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG H11-2004）[10]及《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ 99-2003）[11]，高架橋結(jié)構(gòu)安全控制值按表5 規(guī)定采用。由以上分析可知，各項(xiàng)安全控制指標(biāo)滿足表5要求。

表5 高架橋結(jié)構(gòu)安全控制值Table 5 Safety control value of viaduct structure

4 設(shè)計(jì)與施工建議

結(jié)合廣州市德坭立交橋的巖土工程地質(zhì)條件、樁基托換及盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工特點(diǎn)、德坭立交橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，為確保德坭立交橋樁基托換及區(qū)間盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中立交橋結(jié)構(gòu)的安全，不影響立交橋的正常運(yùn)營，提出以下建議：

（1）鑒于地層計(jì)算參數(shù)取值的合理與否對(duì)預(yù)測(cè)分析德坭立交橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的位移發(fā)展及評(píng)估結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要，建議項(xiàng)目建設(shè)過程結(jié)合所開展的結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和盾構(gòu)掘進(jìn)施工相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，必要時(shí)開展地層計(jì)算參數(shù)的反演計(jì)算，為進(jìn)一步預(yù)測(cè)分析德坭立交橋樁基礎(chǔ)的位移發(fā)展及其的結(jié)構(gòu)安全奠定基礎(chǔ)。

（2）德坭立交橋距今已有二十多年歷史，結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀以及是否已出現(xiàn)損傷對(duì)結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要，建議在德坭立交橋樁基進(jìn)行托換前，針對(duì)受影響范圍的德坭立交橋的樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)完整性開展調(diào)查及分析，避免樁基托換及盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中對(duì)立交橋造成的不利影響，梳理問題部位并進(jìn)行針對(duì)性的補(bǔ)強(qiáng)加固與重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)警報(bào)警或參考《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50911-2013）[12]中監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值和預(yù)警。

（3）建議樁基托換過程千斤頂頂力應(yīng)分級(jí)加載，并同時(shí)加強(qiáng)對(duì)橋梁、托換梁的變形監(jiān)測(cè)，將頂升力控制在允許范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)停止施工并對(duì)頂升參數(shù)進(jìn)行修正。

（4）進(jìn)行推進(jìn)速度控制。盾構(gòu)機(jī)應(yīng)均速慢速推進(jìn)，穿越德坭立交橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)過程中，盾構(gòu)推進(jìn)速度宜控制在（20～30）mm/min，并根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)適當(dāng)調(diào)整速度，盡量減少盾構(gòu)對(duì)土體的擾動(dòng)，以控制地層變形，降低對(duì)德坭立交橋結(jié)構(gòu)的影響。

（5）在樁基托換及盾構(gòu)施工過程中，若德坭立交橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，立即停止開挖，分析原因，若地下水位下降或地面沉降值超過警戒值，應(yīng)立即采取加強(qiáng)支撐、壓漿加固措施保證基坑穩(wěn)定，防止坍塌事故發(fā)生，必要時(shí)采取回填措施確?；拥姆€(wěn)定。

（6）由于在樁基托換過程已產(chǎn)生位移，建議加強(qiáng)對(duì)已進(jìn)行樁基托換的43#、44#、45#、48#、49#橋墩及承臺(tái)的位移監(jiān)測(cè)布點(diǎn)及監(jiān)測(cè)頻率，尤其在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，重點(diǎn)關(guān)注45#橋墩結(jié)構(gòu)位移，實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)測(cè)后應(yīng)及時(shí)對(duì)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，判斷其穩(wěn)定性，并及時(shí)反饋到施工中去指導(dǎo)施工。

5 結(jié)語

綜合分析廣州市德坭立交橋周邊場(chǎng)地工程地質(zhì)資料，結(jié)合暗挖通道、樁基托換及地鐵盾構(gòu)設(shè)計(jì)、施工特點(diǎn)，以及緊鄰受影響的德坭立交橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，依據(jù)所開展的系列三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及其分析，得到的具體結(jié)論如下：

（1）德坭立交橋樁基托換施工過程誘發(fā)德坭立交橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最大總位移為5.0 mm，滿足根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定的變形指標(biāo)。

（2）盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程誘發(fā)德坭立交橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最大總位移為4.2 mm，滿足根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定的變形指標(biāo)。

（3）樁基托換后盾構(gòu)掘進(jìn)穿越過程中累計(jì)誘發(fā)德坭立交橋樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最大總位移為8.3 mm，滿足根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定的變形指標(biāo)。