王國(guó)富，劉逸輝，李 偉，榮文強(qiáng)，孫捷城

(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101； 2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101； 3.中鐵十局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

盾構(gòu)法因其具有安全性高、效率高、危害小、經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)勢(shì)，常作為地鐵隧道施工的首選方法[1]。當(dāng)盾構(gòu)隧道近距離穿越建筑物基礎(chǔ)時(shí)，受盾構(gòu)掘進(jìn)地層損失、盾構(gòu)注漿不均勻等因素的影響[2]，易造成建筑物周圍地層擾動(dòng)增大、鄰近樁基應(yīng)力集中、群樁基礎(chǔ)沉降超標(biāo)等安全風(fēng)險(xiǎn)。

目前，關(guān)于盾構(gòu)隧道下穿建筑物穩(wěn)定性分析及施工控制等方面的研究成果較豐富。Morton等[3]通過(guò)試驗(yàn)，研究了盾構(gòu)施工對(duì)樁基承載力與沉降的影響；Lee等[4]利用兩階段分析法分析了隧道幾何條件、樁徑、樁長(zhǎng)等因素在隧道近接施工時(shí)對(duì)樁基的影響；Mroueh等[5]、Lee等[6]利用有限元法對(duì)隧道下穿樁基影響規(guī)律進(jìn)行分析。成煒康等[7]通過(guò)MIDAS GTS NX進(jìn)行數(shù)值模擬，分析盾構(gòu)隧道下穿建筑物的不同階段對(duì)樁體位移、內(nèi)力的影響；蘇培森[8]通過(guò)采用有限元軟件對(duì)盾構(gòu)隧道下穿既有樁筏復(fù)合地基進(jìn)行平面應(yīng)變分析，探究了盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)樁筏結(jié)構(gòu)內(nèi)力和地基應(yīng)力影響的變化規(guī)律；黃昌富等[9]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)新建隧道側(cè)穿鄰近不同形式基礎(chǔ)的建筑物產(chǎn)生沉降進(jìn)行研究，分析不同施工階段的沉降變化規(guī)律；徐前衛(wèi)等[10]以北京地鐵8號(hào)線盾構(gòu)側(cè)穿橋梁為工程依托，通過(guò)對(duì)盾構(gòu)側(cè)穿橋梁基礎(chǔ)施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，得出盾構(gòu)穿越施工將導(dǎo)致地層和橋梁結(jié)構(gòu)變形過(guò)大，并且提出適用的加固方案和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的控制措施。

綜上所述，可見(jiàn)目前國(guó)內(nèi)外研究成果主要集中于盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)建筑物樁基穩(wěn)定性等方面的影響，而對(duì)盾構(gòu)隧道近距離穿越建筑物群樁基礎(chǔ)的施工參數(shù)影響規(guī)律及參數(shù)評(píng)價(jià)相對(duì)匱乏。然而隨著我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展，地鐵隧道近距離穿越樁基的情況越來(lái)越多，穿越形式也越來(lái)越多樣化。因此，揭示盾構(gòu)隧道近距離斜側(cè)穿建筑物群樁基礎(chǔ)的施工參數(shù)影響規(guī)律至關(guān)重要。

本文以濟(jì)南軌道交通1號(hào)線濟(jì)南西站—大楊莊站區(qū)間盾構(gòu)隧道近距離斜側(cè)穿濟(jì)南西站東廣場(chǎng)建筑物管樁基礎(chǔ)為工程依托，通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同施工參數(shù)下樁體位移和內(nèi)力的變化規(guī)律，提出有效的穿越施工防控措施，以期為類似盾構(gòu)隧道近距離穿越工程提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

濟(jì)南軌道交通1號(hào)線濟(jì)南西站—大楊莊站區(qū)間為盾構(gòu)法施工區(qū)間，采用較大直徑的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤外徑6.68m，管片外徑6.4m，內(nèi)徑5.8m，區(qū)間隧道埋深16.6m。受周邊環(huán)境及線路走向限制，在鄰近濟(jì)南西站時(shí)，盾構(gòu)隧道近距離斜側(cè)穿濟(jì)南西站東廣場(chǎng)群樁基礎(chǔ)，距離群樁基礎(chǔ)最近處僅2.7m。建筑物基礎(chǔ)類型為樁筏基礎(chǔ)，筏板厚0.5m，樁類型為混凝土PC管樁，管樁外徑0.5m、壁厚0.1m，樁長(zhǎng)15m，如圖1所示。

圖1 側(cè)穿濟(jì)南西站東廣場(chǎng)位置示意

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

數(shù)值分析模型沿x，y，z的計(jì)算尺寸分別為70，120，50m，其中x軸為橫斷面方向、y軸為掘進(jìn)方向、z軸為豎向。為消除邊界條件的影響，模型側(cè)面約束水平位移，底面約束水平位移和豎向位移。土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。管片采用實(shí)體單元模擬，管片厚0.3m、寬1.2m，考慮到管片拼裝方式對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，故將管片的材料參數(shù)折減35%[11-12]；在模擬盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，為了提高計(jì)算效率，以每2環(huán)管片進(jìn)行一次計(jì)算；注漿體采用等代層模擬，為了更加真實(shí)地反映實(shí)際工程施工情況，通過(guò)改變屬性來(lái)模擬注漿體的初凝階段和穩(wěn)定階段的材料屬性；盾殼采用板單元模擬，厚度取0.1m。

地下建筑物(濟(jì)南西站東廣場(chǎng)主體)采用實(shí)體單元模擬，建筑物位于地表以下4.5m，模擬過(guò)程中對(duì)原有建筑物進(jìn)行一定簡(jiǎn)化。建筑物計(jì)算尺寸為30m×90m×9m，沿y軸距離邊界15m。建筑物筏板采用板單元模擬，建筑物管樁采用梁?jiǎn)卧M。建筑物的內(nèi)部荷載通過(guò)實(shí)體單元的重度來(lái)反映，建筑物的彈性模量采用C30混凝土構(gòu)件的彈性模量。三維模型及樁隧空間位置如圖2所示。

圖2 三維模型及樁隧位置關(guān)系

2.2 模型參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料報(bào)告，地下潛水(二)賦存于⑦2細(xì)砂層、⑦3粉土層、⑨2中砂層等，屬于第四系松散層孔隙水，接受降水補(bǔ)給和黃河徑流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流、人工開(kāi)采方式排泄，地下水水位取-4.5m。區(qū)間盾構(gòu)穿越范圍地層依次為雜填土、粉土、粉質(zhì)黏土、中砂、粉質(zhì)黏土、卵石。各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 分析工況

隧道開(kāi)挖時(shí)，為模擬土壓平衡狀態(tài)，沿隧道掘進(jìn)方向施加面力，其大小為169kPa。為了分析注漿量和注漿壓力對(duì)建筑物樁基的位移和內(nèi)力影響，分別選取不同注漿量和注漿壓力進(jìn)行數(shù)值模擬；考慮實(shí)際工程概況和濟(jì)南西站東廣場(chǎng)人流量情況，在模型地表地面上施加3.5kPa的均布荷載。具體計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況

3 注漿量分析

3.1 注漿量對(duì)建筑物樁體位移的影響

施工沿掘進(jìn)方向15m的襯砌管片時(shí)，在注漿壓力為300kPa下，不同注漿量下的樁體埋深與樁體位移關(guān)系曲線如圖3所示(選取的樁為距離盾構(gòu)隧道最近處的建筑物管樁)，而注漿壓力為200，400kPa時(shí)不同注漿量提高量下的樁體位移如表3所示。由圖3可看出：①樁體橫向位移表現(xiàn)為向鄰近隧道彎曲，而縱向位移則沿隧道掘進(jìn)方向變形。這主要是由于在橫向，盾構(gòu)隧道施工會(huì)引起周圍土體應(yīng)力釋放，導(dǎo)致靠近隧道一側(cè)應(yīng)力減小，樁體兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力差，使樁體朝向隧道變形；而在縱向，由于掌子面壓力、盾構(gòu)推力等作用，使得掘進(jìn)方向前方土體產(chǎn)生壓應(yīng)力，致使樁體沿掘進(jìn)方向變形。②樁體橫向和縱向位移均表現(xiàn)為樁頂處較小，樁體位于隧道軸線深度處的變形最大。③不同注漿量下，樁體橫向和縱向位移的變化趨勢(shì)相似，隨著樁體埋深的增大，樁體位移先增大后減小，整體位移趨勢(shì)呈現(xiàn)“鼓凸”狀。④當(dāng)注漿量提高量分別為30%，50%，70%時(shí)，樁體最大橫向位移分別為4.87，4.09，3.48mm，最大縱向位移分別為1.67，1.81，1.98mm，對(duì)比分析，當(dāng)注漿量提高量由30%提高至50%時(shí)，樁體最大橫向位移降低16.0%，最大縱向位移增大8.48%；當(dāng)注漿量提高量由原來(lái)的50%提高至70%時(shí)，樁體最大橫向位移降低14.9%，最大縱向位移增大9.40%。由此可見(jiàn)，當(dāng)盾構(gòu)隧道斜穿建筑物樁體時(shí)，樁體橫向位移會(huì)隨著注漿量的增大而逐漸減小，而樁體的縱向位移隨注漿量的增大而增大。

圖3 不同注漿量下樁體位移曲線

表3 不同注漿量下樁體位移 mm

3.2 注漿量對(duì)建筑物樁體內(nèi)力的影響

施工沿掘進(jìn)方向15m的襯砌管片時(shí)，在注漿壓力為300kPa下樁體軸力與注漿量提高量的關(guān)系曲線如圖4所示，定義樁體受拉時(shí)軸力為正，可看出：①不同注漿量下，樁體軸力變化趨勢(shì)相似，隨著樁體埋深的增大，軸力逐漸減??；②當(dāng)注漿量增加時(shí)，樁頂軸力和樁底軸力基本不變，而樁身軸力略有增加，但其變化量相對(duì)過(guò)小，可忽略不計(jì)，因此，注漿量的變化對(duì)樁體軸力基本無(wú)影響。

圖4 不同注漿量下樁體軸力曲線

施工沿掘進(jìn)方向15m的襯砌管片時(shí)，在注漿壓力為300kPa時(shí)，不同注漿量下樁體彎矩的變化曲線如圖5所示。定義彎矩值以靠近隧道一側(cè)樁體受拉為正?？煽闯觯孩匐m然注漿量不同，但樁身彎矩的分布規(guī)律一致，為-13.5～-15.5m樁身右側(cè)受拉，-15.5～-19.5m樁身左側(cè)受拉，-19.5～-23.5m 樁身右側(cè)受拉，以下3.5m范圍內(nèi)左側(cè)受拉，剩余樁體右側(cè)受拉。②樁身彎矩類似呈現(xiàn)“倒S”形，最大正彎矩位于隧道頂部水平線上，分別為11.5，20.7，27.9kN·m；最大負(fù)彎矩位于樁頂上，分別為12.5，29.8，48.0kN·m。③當(dāng)注漿量增加時(shí)，樁體彎矩也隨之增大，值得注意的是，隨著注漿量的增大，隧道中心線處所對(duì)應(yīng)的樁身彎矩逐漸由右側(cè)受拉狀態(tài)變?yōu)樽髠?cè)受拉狀態(tài)。

圖5 不同注漿量下樁體彎矩曲線

4 注漿壓力分析

4.1 注漿壓力對(duì)建筑物樁體位移的影響

施工沿掘進(jìn)方向15m的襯砌管片時(shí)，在注漿量提高量為50%下，不同注漿壓力下的樁體位移曲線如圖6所示，而注漿量提高量為30%，70%時(shí)不同注漿壓力下的樁體位移如表4所示。由圖6可看出：①在不同注漿壓力下，樁體橫向和縱向位移變化趨勢(shì)相似，隨著樁體埋深的增大，橫向和縱向位移先增大后減少，變形曲線呈現(xiàn)“鼓凸”狀；②樁體最大橫向和縱向位移均出現(xiàn)在隧道中心線附近，樁頂位移較小，其原因是樁頂受筏板剛度的影響而限制其自由變形；③當(dāng)注漿壓力分別為200，300，400kPa時(shí)，樁體最大橫向位移分別為4.99，4.09，3.49mm，樁體最大縱向位移分別為1.61，1.81，2.02mm，對(duì)比分析，當(dāng)注漿壓力由200kPa增加到300kPa時(shí)，樁體最大橫向位移降低18.0%、最大縱向位移增大12.4%；當(dāng)注漿壓力由300kPa增加到400kPa時(shí)，樁體最大橫向位移降低14.9%、最大縱向位移增大11.6%。由此可見(jiàn)，當(dāng)注漿壓力增大時(shí)，樁體的橫向位移逐漸降低，而樁體的縱向位移逐漸增大。值得注意的是，蘇寶[13]提到隨著注漿壓力的增大，樁體的橫向位移增大而縱向位移逐漸減小，這與本文呈現(xiàn)趨勢(shì)不一致，其主要原因是盾構(gòu)隧道是斜側(cè)穿建筑物樁基，樁體位移方向與隧道掘進(jìn)方向呈一定夾角(非垂直狀態(tài))，在進(jìn)行盾構(gòu)注漿時(shí)，注漿壓力對(duì)周圍圍巖有正應(yīng)力和剪應(yīng)力，此時(shí)，由注漿壓力產(chǎn)生的剪應(yīng)力不可忽略且會(huì)造成樁體的縱向位移增加。

圖6 不同注漿壓力下樁體位移曲線

表4 不同注漿壓力下樁體位移 mm

4.2 注漿壓力對(duì)建筑物樁體內(nèi)力的影響

施工沿掘進(jìn)方向15m的襯砌管片時(shí)，在注漿量提高量為50%下，不同注漿壓力下樁體軸力隨注漿壓力的變化曲線如圖7所示，可看出：①不同注漿壓力下，樁體軸力變化趨勢(shì)相似，隨著樁體埋深的增大，軸力逐漸減小；②樁頂處軸力最大，樁端處軸力最小，其對(duì)應(yīng)的最大軸力分別為1 272.4，1 295.9，1 318.8kN， 最小軸力分別為375.6，403.3，457.9kN；③當(dāng)注漿壓力增大時(shí)，樁頂軸力無(wú)顯著變化，樁底軸力略微增大，其軸力變化主要集中于隧道中心線附近，表現(xiàn)為隨著注漿壓力的增大，樁體軸力逐漸增大。

圖7 不同注漿壓力下樁體軸力曲線

施工沿掘進(jìn)方向15m的襯砌管片時(shí)，在注漿量提高量為50%下，不同注漿壓力下的樁體彎矩變化如圖8所示，可看出：樁身彎矩近似呈“倒S”形，最大負(fù)彎矩位于樁頂，最大正彎矩大致位于隧道頂部水平線上。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注漿量一定時(shí)，隨著注漿壓力的增大，樁身彎矩隨之增大。

圖8 不同注漿壓力下樁體彎矩曲線

5 施工監(jiān)測(cè)

由于條件限制，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)只能測(cè)得地表沉降數(shù)據(jù)，無(wú)法獲取樁體位移與內(nèi)力數(shù)據(jù)，考慮到土體移動(dòng)是導(dǎo)致樁體發(fā)生位移的直接原因，因此對(duì)地表的沉降值驗(yàn)證與對(duì)樁體位移的驗(yàn)證在效果上應(yīng)一致，故主要分析地表沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

盾構(gòu)掘進(jìn)30m時(shí)，地表監(jiān)測(cè)的沉降值與數(shù)值模擬沉降值(工況S.5)的對(duì)比曲線如圖9所示，可看出，模擬值與監(jiān)測(cè)值變化規(guī)律大致吻合，地表最大沉降變化值相差不大，進(jìn)一步證明數(shù)值模擬的合理性。

圖9 地表沉降對(duì)比曲線

6 結(jié)語(yǔ)

1)在進(jìn)行盾構(gòu)注漿時(shí)，樁體橫向與縱向位移均呈現(xiàn)“鼓凸”狀，且位移最大值均位于隧道中心水平軸線處；樁身彎矩近似呈“倒S”形。

2)當(dāng)注漿壓力不變時(shí)，隨著注漿量的增大，將導(dǎo)致樁體橫向位移減小、縱向位移增大。

3)當(dāng)注漿量不變時(shí)，注漿壓力的增大會(huì)減小樁體的橫向位移，而增大樁體的縱向位移。因此，建議在滿足對(duì)注漿量和注漿壓力要求的情況下，當(dāng)盾構(gòu)隧道近距離斜側(cè)穿建筑物樁體時(shí)，其參數(shù)值不宜過(guò)大。

4)注漿量與注漿壓力的變化對(duì)樁體軸力和彎矩的影響規(guī)律相似，區(qū)別在于注漿量的增大對(duì)樁身軸力無(wú)顯著影響而會(huì)增大樁身彎矩；注漿壓力增大,樁身軸力和彎矩隨之增大。