邱紅勝 符傳邦

(武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063)

0 引 言

斜樁在橋梁、海上鉆井平臺、大型輸變電塔及建筑物等各個工程領域中得到廣泛的應用.隨著隧道工程的快速發(fā)展，隧道近距離側穿樁基礎的現(xiàn)象備受關注.

目前，國內(nèi)外許多學者對此進行了深入研究并取得了豐碩成果.路平等[1]針對盾構掘進參數(shù)對地表沉降影響進行參數(shù)化分析，提出風險的定量評估方法及相應的精細化控制措施.王云崗等[2-3]對斜樁的受力性狀及承載特性進行了研究.顧明等[4]利用離心機模型試驗，對比了直樁群樁和斜樁群樁抵抗水平及偏心荷載的不同特性.周立朵等[5]基于群樁p-y曲線法和剪切位移法，分別計算獲得荷載-位移關系曲線、樁身彎矩分布規(guī)律曲線等規(guī)律.王麗等[6-7]采用有限元法研究隧道盾構對樁基礎的影響.呂凡任等[8]通過模型試驗研究豎向荷載作用下斜樁的承載特性.

Loganathan等[9]通過離心模型試驗分別研究了隧道盾構施工對鄰近樁基的影響及單斜樁在水平荷載作用下的承載力.Hanna等[10]采用模型試驗對不同傾斜度的斜樁在均質(zhì)砂土中的側摩阻力進行了一定研究.武林等[11]利用有限元法研究了隧道掘進對樁的影響.

上述研究針對斜樁工作性狀和隧道盾構對樁基的影響，實際工程中也會遇見隧道盾構側穿斜樁的案例，然而，大多學者主要針對盾構施工對直樁基礎的影響，很少涉及盾構施工對斜樁基礎影響的研究.本文通過有限元法模擬隧道盾構對斜樁工作性能的影響.

1 有限元模型

1.1 模型參數(shù)

以天津地鐵2號線為為工程背景，土質(zhì)主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂.采用修正摩爾-庫倫模型，該模型能較好體現(xiàn)隧道掘進過程土體的沉降變形.土層類別及物理學參數(shù)見表1.

表1 模型參數(shù)

模型為三維模型，考慮到模型的邊界效應，取長64 m、寬64 m(隧道中心線距兩側土體邊界各32 m，約為4倍隧道直徑)、高55.5 m.土體頂部不受任何約束，4個側面限制兩個水平方向位移，底部限制豎向及兩個水平方向的位移.

隧道埋深18 m，地下水位-1.8 m，管片外徑6.6 m，隧道軸線距地面13.9 m.注漿層厚度0.15 m，注漿壓力接近實際工程取200 kPa.管片厚度0.3 m，考慮到實際隧道襯砌連接方式會對襯砌剛度產(chǎn)生一定影響，對管片彈性模量折減0.15，采用彈性材料進行模擬，管片彈性模量E=25 900 000 kPa，泊松比υ=0.2.

樁長為30 m、樁徑0.8 m，樁身混凝土強度為C30，采用彈性材料進行模擬，樁身彈性模量E=31 500 000 kPa.研究隧道盾構施工對斜樁傾角的影響時，隧道和斜樁的相對位置見圖1，斜樁傾角分別為7°、3°、0°(直樁)、-3°、-7°(以樁頂為旋轉點，樁身逆時針旋轉為正，順時針為負).

圖1 地層橫斷面圖

1.2 盾構施工

盾構機每步掘進的長度對研究本身產(chǎn)生的影響較小，本次隧道盾構盾構分為16個施工步，每步掘進長度為4 m.在掘進的過程中對前方開挖面上的土體施加200 kPa的均布壓應力以模擬土倉壓力.盾構機每推進4 m相應的在盾尾拼裝管片并進行注漿，注漿對管片及土體產(chǎn)生的作用力用200 kPa的壓應力進行模擬.

在模擬開挖過程時，運用軟件賦予的鈍化和激活功能對開挖的土體進行鈍化.在每步開挖時將對應盾殼、管片網(wǎng)格組及相應的掘進應力、管片壓力及注漿壓力激活，同時鈍化開挖部分土體.在進行管片拼裝及注漿時，可以用改變屬性的功能將管片及盾殼網(wǎng)格組屬性轉化為相應的管片和注漿層屬性.

1.3 天津地鐵2號線模擬

天津地鐵2號線隧道埋深18 m.為簡化計算，將工程性質(zhì)相近的土層并為一層，各參數(shù)按層厚進行加權平均.地層、埋深、測點位置等按文獻[1]取.ST1-9,SL1-5分別為橫向及縱向沉降測點，為便于表述清楚，文中僅對文獻[1]中盾尾通過ST5后4 d及刀盤接近SL3測點時進行模擬.

圖2為橫向沉降槽及縱向沉降槽曲線圖.由圖2a)可知，除ST3測點外，其余橫向沉降測點與本文計算結果較為接近，最大沉降差在1 mm以內(nèi)，整體較文獻[1]及實測結果偏大變，但變化趨勢較為一致，符合peck沉降曲線趨勢.這是由于本文所采用的有限元軟件及土體模型與文獻[1]不同.

由圖2b)可知，文中計算結果較文獻[1]及實測結果偏大，其中與文獻[1]實測值最大偏差在2 mm以內(nèi)，整體上曲線變化趨勢一致.綜上，可以驗證本文通過模型反算所得參數(shù)是可靠的，能較好模擬隧道盾構施工過程.

圖2 測點沉降曲線

2 盾構施工對鄰近斜樁的影響

2.1 隧道掘進對斜樁變形的影響

以樁長30 m、樁徑0.8 m、傾角3°的斜樁為例，分析隧道掘進施工對斜樁的變形及內(nèi)力的影響.

以X坐標軸作為為橫向，樁身水平位移以沿X軸方向為正，反方向為負；以隧道軸線作為縱向，掘進方向為正；模型坐標Z軸方向作為豎向，樁身沉降為負.

樁身的橫向位移以向洞為正，背洞為負.2D為開挖面通過樁身所在位置2倍隧道直徑，-2D為開挖面未經(jīng)過樁身位置，距樁身2倍隧道直徑，其余同理.

隧道向前開挖時，斜樁水平位移變化見圖3.由圖3a)可知，開挖面距樁身所在位置-2D之前，開挖對樁身水平位移影響很小，此后影響逐漸變大.其中，影響最大范圍主要集中在-D～2D，且在隧道軸線處達到最大值，開挖后期樁身整體向洞側傾斜.這是由于隧道開挖時，拱頂土體產(chǎn)生沉降，拱底則隆起，近洞側樁體受到洞側土體的推擠效應而產(chǎn)生較大背洞橫向位移，而拱頂土體的沉降則帶動樁身上部朝向隧洞移動.在-2D～2D，樁身在隧道軸線處橫向位移增長2.888 mm，占總位移的84.10%，可見隧道軸線處樁身橫向位移發(fā)展較為迅速.

圖3b)為不同工況下樁身沉降曲線圖，開挖面達到樁身所在處前樁身各處沉降量基本相同，即樁身整體下沉.開挖面通過樁身位置后，樁頂沉降量逐漸大于樁底，最大沉降差為0.573 mm，樁體受到壓縮.這是由于拱底土體隆起所引起的.

圖3 樁身橫向位移與沉降

2.2 斜樁內(nèi)力變化

樁身彎矩以背洞側受拉為正.圖4為不同開挖面位置樁身彎矩曲線.由圖4可知：樁身彎矩沿樁長呈S形分布，樁身在隧道拱頂至拱底段(18～24 m)主要承受正彎距控制，其余部分主要為負彎矩.-D～2D樁身正彎矩發(fā)展迅速，在隧道軸線處彎矩達到最大值，其中最大正彎距約130 kN·m，為最大負彎矩的2.95倍.開挖面通過2D處后對樁身彎矩影響很小.整個開挖過程中，樁頂以下8 m范圍內(nèi)彎矩較小且變化不大.

圖4 樁身彎矩

圖5為樁身摩阻力曲線.由圖5可知，摩阻力變化規(guī)律：開挖面在-D前樁身受到較小正摩阻力且變化不大.開挖面通過-D后，樁身上半部摩阻力由正轉負且負摩阻力逐漸增大，同時樁身下半部正摩阻力增長迅速，開挖到4D處時正摩阻力達到84.347 kN/m，負摩阻力達-31.307 kN/m.

圖5 樁身摩阻力

開挖面通過樁身所在位置后，中性點以上負摩阻力沿樁身先增大后減小，中性點以下正摩阻力快速增長，在樁底達到最大值.隨著開挖面的前推，中性點向隧道軸線緩慢下移.此外，距樁頂18 m(隧道拱頂埋深)附近，各工況下的摩阻力十分接近，幾乎不受開挖影響.

3 傾角變化對斜樁的影響

隧道盾構施工對斜樁的影響與樁身的傾角有關，傾角不同，樁身的內(nèi)力及變形也不同，本文對不同傾角斜樁進行研究.以直樁傾斜角為0°，樁身繞直樁樁頂逆時針轉動為正，順時針為負，各斜樁傾角分別為7°(傾角為7°時隧道外沿與樁身水平凈距約為0.68 m)、3°、直樁(與隧道水平凈距為3.7 m)、-3°、-7°.

3.1 不同傾角斜樁的變形

隧道盾構施工對不同傾角斜樁的變形影響見圖6，由圖6可知，各傾角斜樁樁頂橫向位移均隨開挖面前推而逐漸增大，在5～11步區(qū)間增長速率較快，而后趨于穩(wěn)定.開挖至-2D前對樁頂橫向位移影響不大.此外，正斜樁樁頂橫向位移均小于直樁和負斜樁且樁頂橫向位移隨傾角增大而減小，負斜樁則相反.傾角為-7°時樁頂橫向位移最大值為1.604 mm，較7°(0.996 mm)情況下增長61.04%.由此可看出，斜樁傾角的正負性對其樁頂橫向位移的影響較大且正負傾角差值越大位移差越大.

圖6 橫向位移曲線

圖7a)為各傾角斜樁樁頂?shù)某两登€圖，由圖可知正斜樁樁頂沉降均小于直樁和負斜樁且傾角越大沉降量越小，負斜樁則反之.傾角3°斜樁樁頂沉降量與直樁十分接近，在不考慮其他因素的前提下，傾角在0°～3°的斜樁樁頂沉降可按直樁計算.

圖7b)為不同傾角正斜樁樁底和樁頂沉降曲線，由于篇幅限制，僅對直樁，3°和7°正斜樁進行分析.從圖中可看出開挖面距樁身所在位置前12 m(-2D)處，樁頂和樁底沉降量幾乎一致，此前樁身整體下沉，此后樁頂沉降逐漸大于樁底且沉降差逐漸增大，傾角越大樁身壓縮作用越強，沉降差從0.348 mm(直樁)增大至0.672 mm(7°斜樁).

圖7 樁頂、樁底沉降曲線

3.2 傾角不同對內(nèi)力的影響

圖8a)為樁身軸力變化曲線，由圖可知負斜樁樁身軸力小于直樁和正斜樁，軸力沿樁長先增大后減小，增長或衰減速率小于后兩者，但變化趨勢一致.負斜樁軸力最大值出現(xiàn)在距樁頂16 m處，而正斜樁在隧道埋深(18 m)附近達到最大值，其中7°斜樁最大軸力為-685.397 kN為-7°斜樁(-388.294 kN)的1.765倍，直樁(-466.865 kN)的1.468倍.

圖8b)中，各樁彎矩曲線呈“S”型分布，負斜樁樁身彎矩正負性與直樁和正斜樁恰好相反且彎矩值均小于后兩者，三者彎矩均在隧道軸線處達到最大值.其中，7°斜樁最大194.665 kN·m、-7°和-3°斜樁彎矩較為接近，最大值為-72.204 kN·m.正斜樁傾角變化對彎矩的影響主要體現(xiàn)在距樁頂18～24 m區(qū)間樁段(近洞樁段)，該段樁身彎矩受傾角變化影響明顯，傾角越大彎矩增長或衰減越快.負斜樁彎矩受傾角變化影響不大.

圖8 樁身內(nèi)力曲線

圖9為不同傾角斜樁樁側摩阻力曲線，從圖中可觀察到各斜樁摩阻力沿樁身變化趨勢較為一致，負斜樁摩阻力隨傾角增大略有減小且中性點逐漸上移，正斜樁摩阻力則隨傾角增大而增大，其中性點逐漸向隧道埋深(18 m)處移動.這是由于負斜樁樁身較直樁和正斜樁遠離隧道，其受隧道影響小于后兩者，而正斜樁上部樁身距地表沉降槽中心較近，傾角越大樁身受地表沉降槽影響范圍越大，該區(qū)段土體沉降較樁體快，因而樁身上半部受負摩阻力控制且隨傾角增大負摩阻力分布范圍越大，因而中性點產(chǎn)生下移，而下半部則距隧道較近，受洞側土體推擠效應和拱底土體隆起的影響，樁土接觸面產(chǎn)生較大壓力且樁體相對樁側土體下移，由此在樁身下半部產(chǎn)生較大正摩阻力.

圖9 樁側摩阻力

各樁在樁底處摩阻力達到最大值，以7°斜樁96.879 kN/m最大.總體上看，負斜樁樁側摩阻力小于直樁和正斜樁.

4 結 論

1) 在開挖面距樁身所在位置前后2倍隧道直徑范圍內(nèi),盾構施工對斜樁的影響較大.側穿施工會引起近隧道側樁身產(chǎn)生較大背洞位移及較大附加正彎矩，其中最大背洞位移及最大正彎矩分別為-3.434 mm和130 kN·m，應對該區(qū)域加強施工監(jiān)測.

2) 盾構開挖使得樁側摩阻力發(fā)生改變，開挖面距樁身所在位置-D以前樁身受較小正摩阻力控制.隨著開挖面不斷推進，樁身上半部正摩阻力逐漸發(fā)展為負摩阻力，下半部樁身正摩阻力則繼續(xù)增大.

3) 斜樁傾角的正負性對其樁頂橫向位移和沉降的影響較大且正負傾角差值越大位移差越大.其中，負斜樁樁頂橫向位移及沉降量均大于直樁和正斜樁.

4) 對于0°～7°斜樁，開挖面距樁身所在位置前12 m(-2D)處，樁頂和樁底沉降量幾乎一致，此前樁身整體下沉，此后樁頂沉降逐漸大于樁底且沉降差逐漸增大，傾角越大樁身壓縮作用越強，沉降差從0.348 mm(直樁)增大至0.672 mm(7°斜樁).

5) 負斜樁樁身受力較直樁和正斜樁小且隨傾角增大有減小趨勢，正斜樁則相反，7°斜樁最大軸力可達-685.397 kN為直樁(-466.865 kN)的1.468倍.正負斜樁樁身彎矩的正負性相反，兩者在隧道軸線處彎矩值最大，分別為194.665 kN·m(7°斜樁)和-72.204 kN·m(-3°斜樁).傾角在-3°～-7°的負斜樁彎矩對其傾角變化不敏感，與之對應的正斜樁則較敏感.

6) 正負斜樁樁側摩阻力變化趨勢一致，正斜樁樁側摩阻力較直樁和負斜樁大，最大值為96.879 kN/m，其中性點隨傾角增大有下移趨勢，負斜樁則相反.-7°～0°斜樁摩阻力變化不明顯.