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        高鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近樁基影響數(shù)值分析

        2022-05-08 14:08:28
        城市道橋與防洪 2022年3期
        關(guān)鍵詞:樁基橋梁施工

        張 杰

        (鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院有限公司,天津市300251)

        1 概 述

        隨著城市交通網(wǎng)的快速發(fā)展,可接入交通樞紐的地面用地越發(fā)緊張,城市地下空間不斷地被開發(fā)利用,不可避免地出現(xiàn)盾構(gòu)隧道穿越市政橋梁樁基的情況。

        盾構(gòu)施工會(huì)導(dǎo)致周圍地層地應(yīng)力損失,從而引起地表沉降,進(jìn)而打破既有橋梁樁基原有的穩(wěn)定,橋墩產(chǎn)生位移,過(guò)大的位移會(huì)給橋梁的正常使用帶來(lái)了潛在風(fēng)險(xiǎn)[1]。很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)地鐵隧道施工過(guò)程中對(duì)既有橋梁的影響問(wèn)題通過(guò)多種方法做了一系列研究[2-9]。但對(duì)高鐵雙線盾構(gòu)斷面這種較地鐵盾構(gòu)斷面大的多的盾構(gòu)施工對(duì)橋梁的影響分析較少。本文以天津至濰坊高鐵工程為背景,利用有限元軟件進(jìn)行分析模擬,研究高鐵盾構(gòu)穿越施工對(duì)既有橋梁的影響。

        2 工程概況

        天津至濰坊鐵路工程線路自天津?yàn)I海站引出后并行中央大道海河隧道,上跨規(guī)劃B3 線后向南以隧道形式下穿海河、天津大道橋等。天津大道橋穿越段上部結(jié)構(gòu)為30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁,高鐵雙線盾構(gòu)隧道外徑13.3 m,穿越天津大道橋下行線處埋深約為39.6 m,1# 橋墩下為9 根樁徑1.0 m 的鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)42 m,樁端埋深約44 m,樁基與隧道最小凈距5.0 m,樁端高于隧底9.05 m;2# 橋墩下為4根樁徑1.5 m 的鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)60 m,樁端埋深約62.3 m,樁基與隧道最小凈距6.3 m,樁端低于隧底9.96 m。隧道穿越橋梁和規(guī)劃B2 線范圍采用二次深孔注漿控制地層變形。高鐵盾構(gòu)隧道與既有市政橋梁位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

        圖1 隧道與既有橋梁位置關(guān)系(單位:m)

        3 高鐵隧道下穿市政橋梁數(shù)值模擬

        3.1 模型的規(guī)模

        計(jì)算模型中,為確保計(jì)算的精度,土體的選取范圍擬定為:沿隧道方向,在天津大道上行線和規(guī)劃B2線下行線距離的基礎(chǔ)上各向外擴(kuò)一個(gè)隧道埋深的距離,合計(jì)取190 m;沿隧道橫向,一側(cè)外擴(kuò)一倍隧道埋深,一側(cè)外擴(kuò)30 m,合計(jì)取120 m;豎向土體厚度取100 m。根據(jù)津- 維高鐵隧道結(jié)構(gòu)與天津大道橋樁基、規(guī)劃B2 線的空間位置關(guān)系,建立三維數(shù)值模型,見(jiàn)圖2。

        圖2 三維數(shù)值模型

        3.2 模型的參數(shù)

        (1)力學(xué)模型

        依據(jù)地層特性及埋深,土體的材料特性采用Modified Mohr-Coulomb 模型模擬土體的彈塑性;橋墩、承臺(tái)和樁基等結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。土體、橋梁結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬;樁基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧M;盾構(gòu)管片采用板單元模擬。

        (2)地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)

        地層參數(shù)根據(jù)實(shí)際地勘資料取值,并假定不同地層均按照相應(yīng)厚度水平層狀分布。數(shù)值模擬過(guò)程中所采用的工程地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 巖土及結(jié)構(gòu)參數(shù)

        (3)邊界條件

        地表取為自由邊界,模型底部完全固定約束,四周取為豎向滑動(dòng)約束,橋墩、承臺(tái)和樁基剛接。

        (4)計(jì)算荷載

        計(jì)算模型中的計(jì)算荷載除箱梁自重簡(jiǎn)化為同等質(zhì)量的荷載施加到橋墩上外,其余荷載作用由程序自行考慮。

        3.3 模型的施工階段

        施工階段采用結(jié)構(gòu)單元的激活與鈍化來(lái)模擬土層的注漿加固、土體的開挖及盾構(gòu)管片的施作,通過(guò)在施工階段中改變注漿范圍的參數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)土層加固的過(guò)程。同時(shí)為了避免模型模擬隧道開挖過(guò)程中不收斂,將隧道開挖引起的應(yīng)力釋放分為2 部分,即隧道開挖且未施作管片之前應(yīng)力釋放25%,施作管片后釋放其余部分。

        高鐵隧道施工階段設(shè)置初始應(yīng)力場(chǎng)分析、位移清零及20 個(gè)開挖步,各開挖步詳見(jiàn)表2。

        表2 開挖步情況

        3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

        3.4.1 地層變形分析

        隨著高鐵隧道的掘進(jìn),打破了原有土層的地應(yīng)力平衡,主要表現(xiàn)為地層的豎向沉降,同時(shí)也會(huì)引起隧道鄰近樁基礎(chǔ)的變形,見(jiàn)圖3。

        圖3 盾構(gòu)開挖過(guò)程中地層形變?cè)茍D

        圖3 為第12 個(gè)開挖步,掘進(jìn)至橋墩后4 m 時(shí)的地層變形云圖,從圖中可知:在盾構(gòu)開挖過(guò)程中,地層整體呈下沉趨勢(shì),地表出現(xiàn)典型的沉降槽,下沉最大值出現(xiàn)在隧道掘進(jìn)面后隧道頂部某一范圍,最大值為16.13 mm;在隧道掘進(jìn)面后隧道底部某一范圍土體由于應(yīng)力釋放導(dǎo)致土體回彈,最大回彈量為5.03 mm。

        圖4 和圖5 分別為沿市政橋梁中心線方向和隧道中心線方向在隧道掘進(jìn)過(guò)程中奇數(shù)施工步的地表沉降值曲線圖。

        圖5 隧道中心線方向地表沉降(單位:mm)

        從圖4 可以看出:地表沉降呈V 形分布,地表最大沉降區(qū)域在隧道中心線附近,且隨著開挖的進(jìn)行最大沉降呈增長(zhǎng)趨勢(shì); 隧道開挖通過(guò)橋墩過(guò)程中,地表沉降速率呈現(xiàn)慢- 快- 慢的趨勢(shì),開挖至橋墩附近時(shí)地表沉降速率最大;隧道貫通后地表沉降最大值為14.45 mm。

        圖4 橋梁中心線方向地表沉降(單位:mm)

        從圖5 可以看出:隨著開挖的進(jìn)行,橋墩中心線附近的地表沉降呈增長(zhǎng)趨勢(shì);隧道入口位置的沉降最早趨于穩(wěn)定,出口位置最晚趨于穩(wěn)定;隧道貫通后地表沉降最大值為15.03 mm,位于橋墩中心線前40 m左右,并不是在橋梁樁基附近;從圖中開挖步序13~19 可以看出隧道貫通后在入口附近隧道底部土體發(fā)生回彈。

        3.4.2 既有橋梁結(jié)構(gòu)變形分析

        為獲得盾構(gòu)施工對(duì)既有橋梁樁基的影響,以1#橋墩和2# 橋墩下部樁群為例進(jìn)行樁基的位移分析。橋墩的樁基編號(hào)見(jiàn)圖6。

        圖6 樁基編號(hào)

        圖7 是隧道貫通后市政橋梁1# 樁基和2# 樁基每根基樁的水平位移值。從圖中可以看出:由于隧道在1# 和2# 樁基之間穿過(guò),同時(shí)隧道埋深基本處于樁端位置,樁群受到地層擾動(dòng)以及橋梁結(jié)構(gòu)荷載的直接作用,隧道上方地應(yīng)力得以釋放,兩側(cè)土體受到擠壓,呈現(xiàn)樁端向隧道外側(cè)移動(dòng),樁頂向內(nèi)側(cè)靠攏的傾向;同一個(gè)墩臺(tái)下的前排樁和后排樁水平位移基本一致,輕微差別是由于隧道軸線方向與橋梁軸線方向不是絕對(duì)垂直引起的;隧道右側(cè)樁基位移相對(duì)于左側(cè)樁基位移偏大,是由于樁長(zhǎng)、基樁數(shù)量和隧道距離綜合因素引起的;由于高鐵隧道開挖斷面大且埋深基本處于樁端位置,導(dǎo)致土體對(duì)樁端的擾動(dòng)更大,樁端的水平位移大于樁頂,且同一個(gè)墩臺(tái)下的前排樁的水平位移小于后排樁。

        圖7 水平位移值(單位:mm)

        圖8 是隧道貫通后市政橋梁1# 樁基和2# 樁基每根基樁的豎向位移值。從圖中可以看出:前排樁的豎向位移大于后排樁,這是由于前排樁的土體豎向位移更大,承臺(tái)發(fā)生向內(nèi)傾斜的因素導(dǎo)致的;基樁的最大沉降位置在樁頂,且隨樁身逐漸減小至不發(fā)生變化,這是由于樁體的軸向剛度大于土體剛度導(dǎo)致的;同一個(gè)墩臺(tái)下的前排樁和后排樁豎向位移基本一致,輕微差別同樣是由于隧道軸線方向與橋梁軸線方向不是絕對(duì)垂直導(dǎo)致的。

        圖8 豎向位移值(單位:mm)

        4 結(jié)論及建議

        (1)高鐵隧道開挖過(guò)程中,地表出現(xiàn)沉降槽,開挖至市政橋梁附近時(shí)地表沉降速率變大,即地面有附加荷載時(shí)會(huì)加快地表的沉降速率。建議在施工至橋梁附近時(shí)應(yīng)對(duì)隧道周圍土層進(jìn)行加固處理、放緩隧道開挖速度并及時(shí)對(duì)隧道進(jìn)行支護(hù)。

        (2)地表沉降量最大的位置并不是橋梁樁基附近,說(shuō)明隧道兩側(cè)的樁基對(duì)地層的擾動(dòng)有約束作用。

        (3)由于穿越樁端位置的隧道對(duì)樁端的擾動(dòng)大,樁基礎(chǔ)在地質(zhì)條件不好的情況下容易發(fā)生向內(nèi)的傾斜;同一排樁的位移值基本一致,樁端的水平位移大于樁頂,且同一個(gè)墩臺(tái)下的前排樁的水平位移小于后排樁、前排樁的豎向位移大于后排樁。建議隧道在穿越地質(zhì)較差的樁基時(shí),對(duì)樁基附近的土層進(jìn)行加固處理。

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