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        疊線盾構(gòu)隧道下穿既有橋樁體系的影響分析

        2022-11-09 12:57:42王明明賀榮流劉尚旭
        四川建筑 2022年5期
        關(guān)鍵詞:樁基橋梁變形

        王明明, 張 天, 賀榮流, 劉尚旭

        (1.中國(guó)水利水電第四工程局有限公司,廣東深圳 518052;2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610031)

        近年來(lái),我國(guó)城市建設(shè)發(fā)展迅速,造成城市地下空間越來(lái)越擁擠。城區(qū)內(nèi)存在大量高層建筑和高架橋,建筑和橋梁樁基礎(chǔ)深入地下,難免對(duì)隧道施工產(chǎn)生一定的干擾。當(dāng)?shù)罔F隧道線路與既有樁基礎(chǔ)位置沖突時(shí),往往采用樁基托換技術(shù)進(jìn)行處理[1-3]。即施作托換樁和托換梁并對(duì)既有樁基礎(chǔ)作截樁處理,使得隧道順利通過(guò)新的樁基托換結(jié)構(gòu)。

        對(duì)于隧道穿越既有橋梁樁基問(wèn)題,國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了大量研究工作。楊國(guó)寶等[4]針對(duì)某雙線盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿鐵路高架橋的工程實(shí)際,采用圍護(hù)樁加固方案并分析其加固效果;沈建文等[4]研究了盾構(gòu)隧道施工對(duì)臨近橋樁的影響,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析了數(shù)值方法對(duì)預(yù)測(cè)隧道施工引起橋樁沉降和樁體側(cè)移的有效性;袁勝祥[6]分析了隧道開(kāi)挖對(duì)于托換樁剩余承載力的影響;廖晨等[7]以上海長(zhǎng)江西路越江工程為依托,研究了穿越過(guò)程中相鄰單樁的位移影響。

        目前學(xué)界關(guān)于地鐵穿越樁基的研究大多依托于左右雙線盾構(gòu)隧道的工程實(shí)際,針對(duì)疊線盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)橋梁樁基的影響研究較少,疊線盾構(gòu)隧道多采用先開(kāi)挖下洞后開(kāi)挖上洞的施工順序,且下洞開(kāi)挖后上洞隧道開(kāi)挖會(huì)對(duì)橋梁樁基的側(cè)摩阻力產(chǎn)生二次擾動(dòng),受樁基礎(chǔ)承載區(qū)的影響,樁基礎(chǔ)附近的隧道結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中效應(yīng)[8]。鑒于此,本文以深圳地鐵7號(hào)線筍崗站~洪湖站疊線盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋梁樁基為工程依托,基于ANSYS有限元軟件對(duì)盾構(gòu)隧道穿越樁基礎(chǔ)施工進(jìn)行模擬,以研究盾構(gòu)頂進(jìn)施工對(duì)橋樁托換體系的影響,同時(shí)對(duì)比不同頂推力作用下樁基礎(chǔ)的變形情況,論證新建的橋樁體系的合理性和安全性。

        1 工程概況

        1.1 樁基托換概況

        深圳地鐵7號(hào)線三期工程筍崗站—洪湖站區(qū)間雙線盾構(gòu)隧道,在DK26+968—DK27+052處沿彩虹橋西側(cè)引橋下穿過(guò),受其影響,彩虹橋引橋有2處橋臺(tái),6處橋墩承臺(tái),共計(jì)16根樁基被托換,采用主動(dòng)托換方式處理,托換橋墩(臺(tái))與區(qū)間線路的位置關(guān)系見(jiàn)圖1。深圳彩虹橋?yàn)橄鲁惺较禇U拱橋,被托換的橋梁樁基礎(chǔ)長(zhǎng)26m,樁徑φ1.6m,承臺(tái)尺寸為5.2m×5.2m×2.2m,承臺(tái)處采用4根φ1.5m鉆孔灌注樁作為托換樁,樁長(zhǎng)25.9~29m,托換梁采用“井字形狀”結(jié)構(gòu),主托換梁(簡(jiǎn)支)為13m×2.5m×2.5m,次托換梁(固接)為9.4m×2.5m×2.0m。

        圖1 托換橋墩(臺(tái))與區(qū)間線路平面位置關(guān)系

        盾構(gòu)隧道區(qū)間DK26+725.9~DK27+230段為小凈距重疊段,分上下兩線掘進(jìn),管片襯砌外徑6m,兩線相距5m,在穿越樁基托換體系位置處,上下兩線隧道距離最近的樁基3m,盾構(gòu)隧道下穿橋梁樁基縱斷面位置關(guān)系如圖1所示。

        1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

        根據(jù)地質(zhì)資料顯示,本工程地層從上至下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、全風(fēng)化混合巖、強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中風(fēng)化混合巖、微分化混合巖。地下水主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水??紫端饕x存在表層人工填土層、沖洪積砂層和殘積的砂質(zhì)黏性土中,略具承壓性,基巖裂隙水賦存于強(qiáng)風(fēng)化及中等風(fēng)化巖中,具承壓性。地下水位埋深1.6~3.6m。

        2 計(jì)算模型與參數(shù)確定

        2.1 模型建立

        實(shí)際工程中,托換施工涉及4處基坑(0#、1#、2#、3#),為簡(jiǎn)化模型節(jié)省計(jì)算資源,僅分析2#基坑30m跨的標(biāo)準(zhǔn)墩臺(tái)模型。根據(jù)圣維南原理,模型范圍取3~5倍洞徑。根據(jù)深圳地鐵7號(hào)線與樁基托換后橋樁體系的位置關(guān)系,建立三維數(shù)值模型,見(jiàn)圖2。

        圖2 三維數(shù)值模型

        計(jì)算模型中,土體、橋梁承臺(tái)、托換結(jié)構(gòu)、管片、注漿層均使用帶中間節(jié)點(diǎn)SOLID95實(shí)體單元進(jìn)行模擬,土體材料服從Drucker-Prager破壞準(zhǔn)則,其余單元采用線彈性本構(gòu)模型。由于實(shí)際工程中樁體和土體有接觸,所以將樁基礎(chǔ)設(shè)置為摩擦端復(fù)合樁,使用接觸單元模擬樁土作用,單元為Contact170和Target173。

        對(duì)模型前后兩面施加z方向約束;對(duì)模型左右兩側(cè)施加x向約束;對(duì)模型底部施加y向約束,地表為自由面。

        2.2 荷載步與工況設(shè)置

        被托換結(jié)構(gòu)為深圳市彩虹橋,由于數(shù)值模型為簡(jiǎn)化模型,未建立橋梁上部結(jié)構(gòu),將其等效為集中荷載并施加于橋墩柱,經(jīng)計(jì)算后施加到單個(gè)墩柱上的平均荷載為2 717.3kN/m2。按照工程實(shí)際,數(shù)值模型采用“先下洞后上洞”的掘進(jìn)方法,通過(guò)控制單元生死來(lái)模擬盾構(gòu)的掘進(jìn),在掌子面施加面壓力來(lái)模擬盾構(gòu)機(jī)頂推力,比選的頂推力為0.1MPa、0.3MPa、0.6MPa、1.0MPa,共計(jì)4個(gè)工況,通過(guò)研究不同頂推力作用下橋梁樁基礎(chǔ)的變形情況,論證新的橋樁體系的合理性和安全性。

        每個(gè)工況設(shè)置10個(gè)荷載步,包括初始地應(yīng)力平衡、施加橋梁上部荷載以及8個(gè)開(kāi)挖步,荷載步設(shè)置詳情見(jiàn)表1。

        表1 荷載步設(shè)置情況

        使用ANSYS“單元生死”的功能模擬隧道開(kāi)挖,開(kāi)挖進(jìn)尺為6m,每個(gè)開(kāi)挖步里設(shè)置2個(gè)計(jì)算步,第一個(gè)計(jì)算步模擬開(kāi)挖、施加盾尾注漿壓力;第二個(gè)計(jì)算步模擬管片襯砌和注漿層硬化。

        2.3 計(jì)算參數(shù)選取

        施工中盾尾注漿壓力為0.15MPa,注漿層厚度0.2m,地層參數(shù)、托換樁等結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

        表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

        3 計(jì)算結(jié)果與分析

        3.1 既有橋樁變形

        以頂推力為0.3MPa的工況為例,分析隧道開(kāi)對(duì)既有橋樁體系的影響情況.為了更直觀地研究樁基托換完成后重疊段盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)新的橋樁體系的影響,提取彩虹橋未作截樁處理的A、B、C、D4根原樁以及承臺(tái)的位移和應(yīng)力數(shù)據(jù), 從原樁基頂面豎向位移、豎向應(yīng)力、承臺(tái)頂面豎向位移3個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比分析。

        樁基承臺(tái)標(biāo)號(hào)詳情見(jiàn)圖3,其中樁A、C位于距離盾構(gòu)始發(fā)(Z=0處)較近的一側(cè),樁B、D位于較遠(yuǎn)一側(cè)。

        圖3 樁基承臺(tái)編號(hào)示意

        3.1.1 樁頂豎向位移

        盾構(gòu)隧道施工會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生以沉降為主的附加變形,最大沉降往往發(fā)生在樁頂處[9],提取樁基頂面豎向位移如圖4所示。隨著橋梁上部荷載的施加(TIME2),樁頂位移發(fā)生突變。下洞掘進(jìn)過(guò)程中,樁頂豎向位移逐漸增加,樁基產(chǎn)生約2mm的豎向沉降;上洞掘進(jìn)過(guò)程中,樁基平均下沉1.50mm,同下洞開(kāi)挖相比所造成的沉降較小,天橋原樁沉降量接近3.5mm,小于5mm的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)值[10]。

        圖4 樁基頂面豎向位移

        3.1.2 樁頂豎向應(yīng)力

        天橋原樁A、B、C、D不同施工階段下樁基豎向應(yīng)力變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5,從圖中可以看出:

        (1)接近盾構(gòu)始發(fā)(Z=0m)一側(cè)的樁A、C應(yīng)力值大于遠(yuǎn)離盾構(gòu)始發(fā)一側(cè)的樁B、D,差值約為0.4MPa,經(jīng)分析認(rèn)為,過(guò)大的盾構(gòu)推力對(duì)開(kāi)挖面土體產(chǎn)生擠壓,并擴(kuò)散至鄰近樁基,對(duì)其應(yīng)力有限制影響[10]。

        (2)下洞掘進(jìn)過(guò)程中樁基豎向應(yīng)力值變化較為明顯,開(kāi)挖完畢后平均每根樁基豎向應(yīng)力增加0.47MPa,而上洞開(kāi)挖完畢后4根樁基豎向應(yīng)力平均增加0.14MPa,表明下洞隧道施工對(duì)樁基造成的擾動(dòng)影響較大。

        圖5 樁基頂面豎向應(yīng)力

        3.1.3 承臺(tái)頂面豎向位移

        不同施工階段下承臺(tái)頂面豎向位移如圖6所示,施工過(guò)程中承臺(tái)頂面豎向位移逐漸增加,下洞和上洞開(kāi)挖完畢后承臺(tái)頂面豎向位移分別增加了1.72mm和1.50mm,下洞隧道的開(kāi)挖對(duì)承臺(tái)沉降的影響較大,疊線隧道開(kāi)挖完成后承臺(tái)總沉降值為3.22mm,滿足橋墩變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

        綜上,疊線盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中,相比于上部隧道,下部隧道開(kāi)挖對(duì)樁基變形、承臺(tái)豎向位移的影響更為顯著。

        圖6 承臺(tái)頂面豎向位移

        3.2 不同頂推力下橋樁體系變形

        在分析隧道開(kāi)挖對(duì)橋梁樁基和承臺(tái)具體影響的基礎(chǔ)上,研究頂推力對(duì)既有橋樁體系的影響,對(duì)于優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)具有重要的意義。盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程中造成的地層損失會(huì)降低地基土體的地層抗力,從而橋梁樁基會(huì)在隧道一側(cè)產(chǎn)生水平位移[7]。

        以天橋原樁A為分析樁基,僅分析樁身某處在不同頂推力下的水平位移變化規(guī)律。原樁A上點(diǎn)E靠近上下2條隧道的中間位置,周圍土體受隧道開(kāi)挖擾動(dòng)影響較大,故選該點(diǎn)為參考點(diǎn),提取水平位移,見(jiàn)圖7。

        圖7 不同頂推力下樁身水平位移

        從圖7可知,在不同頂推力作用下,隨著盾構(gòu)隧道的掘進(jìn),樁身水平位移逐漸增加,隧道開(kāi)挖完成后樁身最大水平位移為0.8mm,滿足橋樁變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求。隧道穿越樁基附近(TIME5、TIME13),才會(huì)對(duì)樁身的水平變形產(chǎn)生明顯影響,可以看出樁基水平位移受與隧道開(kāi)挖面的距離控制,且頂推力越大,相應(yīng)的樁基水平位移越大,隧道開(kāi)挖通過(guò)樁基礎(chǔ)后,樁基上的水平位移變化趨向穩(wěn)定。

        提取不同頂推力作用下的承臺(tái)頂面豎向位移、承臺(tái)上兩橋墩柱的豎向位移差值,以及樁身的豎向應(yīng)力,見(jiàn)表3。從表上數(shù)據(jù)可以看出,隨著頂推力的增大,承臺(tái)豎向位移越大,4個(gè)工況下位移相差不超過(guò)1mm;由于未建立上部橋梁結(jié)構(gòu),從兩側(cè)橋墩柱的豎向位移可分析出橋梁橫向傾斜情況,在不同頂推力作用下,左右兩側(cè)橋墩柱豎向位移差相差不大,說(shuō)明頂推力對(duì)橋梁側(cè)傾的影響較小。

        表3 不同頂推力下橋樁體系變形情況

        綜合分析,頂推力增大后既有橋樁體系的沉降以及上部橋梁的傾斜會(huì)有微小增加,隧道開(kāi)挖時(shí)頂推力參數(shù)的變化對(duì)既有橋樁體系的影響較小,實(shí)際施工時(shí)掘削面的頂進(jìn)壓力為0.3MPa。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文針對(duì)深圳地鐵7號(hào)線盾構(gòu)隧道穿越既有橋樁體系這一典型工程案例,研究了重疊盾構(gòu)隧道施工對(duì)樁基托換后的橋樁體系的影響,得到主要結(jié)論:

        (1)深圳市彩虹橋經(jīng)樁基托換后形成的橋樁體系的變形以沉降變形為主,在根據(jù)實(shí)際工程參數(shù)模擬的工況下(即頂推力為0.3MPa),彩虹橋原樁以及橋墩承臺(tái)發(fā)生了不同程度的沉降,樁平均下沉量為3.5mm,承臺(tái)沉降值為3.22mm。

        (2)通過(guò)分析疊線盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程中樁基和承臺(tái)的變形情況發(fā)現(xiàn):相比于上部隧道,下部隧道開(kāi)挖對(duì)既有橋樁體系的影響更為顯著,因此下部隧道開(kāi)挖時(shí),應(yīng)加強(qiáng)對(duì)上部橋梁及橋樁變形的監(jiān)測(cè)。

        (3)盾構(gòu)頂推力分別為0.1MPa、0.3MPa、0.6MPa、1.0MPa時(shí),頂推力越大樁基水平位移越大,橋墩柱的豎向位移差隨之增加,從位移和沉降大小來(lái)看頂推力參數(shù)的變化對(duì)既有橋樁體系的影響較小,實(shí)際施工中頂推力為0.3MPa,既符合工程實(shí)際,又滿足上部橋梁和橋樁的變形控制要求。既有橋樁體系的變形值均在允許范圍內(nèi),說(shuō)明本次托換結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)方案合理可行。

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