梁禹 范曉鋒 尹義豪 常勇

1.中山大學·深圳 航空航天學院， 廣東 深圳 518107； 2.中山大學 土木工程學院， 廣東 珠海 519000；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海）， 廣東 珠海 519000； 4.中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司， 南京 211800

在城市修建盾構(gòu)隧道經(jīng)常遇到鄰近樁基的情況，會對周邊土層產(chǎn)生擾動，改變樁周土體的位移場和應(yīng)力場，使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降，甚至危及橋梁的安全［1］。近年來盾構(gòu)隧道呈現(xiàn)出直徑擴大化、環(huán)境復(fù)雜化的特點［2］，如何準確預(yù)測大直徑盾構(gòu)隧道施工對鄰近樁基的影響，采取有效措施防止樁基及上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形乃至破壞是需要解決的問題。

對于盾構(gòu)施工引起樁基變形和內(nèi)力變化的分析方法主要有理論分析、模型試驗及數(shù)值模擬。理論分析方面，目前多采用兩階段分析法。Mu 等［3］基于該方法提出了分層土中盾構(gòu)施工時樁基的側(cè)向響應(yīng)公式。Huang 等［4］使用該方法推導(dǎo)了盾構(gòu)施工引起的鄰近樁基位移的三維解析解。模型試驗主要包括離心試驗和常重力試驗。Ng 等［5-6］通過離心試驗分析了盾構(gòu)開挖過程中樁基沉降及承載力的變化。路德春等［7］通過常重力試驗進行了盾構(gòu)掘進過程對樁基的三維影響研究。數(shù)值模擬具有很高的可重復(fù)性，可以較全面考慮實際工程中各種因素和模擬多施工步驟。王凈偉、李建平等［8-9］采用數(shù)值模擬分析了盾構(gòu)施工對鄰近樁基承載力的影響。艾國平等［10］建立三維有限元模型研究了盾構(gòu)鄰近樁基施工時，不采取措施、設(shè)置臨時支墩和采用克泥效工法三種工況下樁基的力學響應(yīng)。

上述對盾構(gòu)隧道鄰近樁基的研究主要針對小直徑盾構(gòu)工程，對大直徑盾構(gòu)鄰近樁基施工的研究較少。本文以一座高速鐵路大直徑盾構(gòu)隧道超近距離側(cè)穿匝道橋橋樁工程為依托，采用有限元軟件建立精細化模型，研究采用MJS 工法加固前后橋樁和地表的變形情況，并將模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比分析。

1 工程概況

一高速鐵路海底隧道工程采用單洞雙線的大直徑泥水盾構(gòu)下穿既有海灣大橋匝道橋。采用7 + 2 + 1分塊方式的通用楔形環(huán)鋼筋混凝土單層管片，內(nèi)徑、外徑和環(huán)寬分別為12.6、13.8、2.0 m，錯縫拼裝，穿越段隧道覆土厚度約24 m。匝道橋為四跨連續(xù)梁，橋面寬8.5 m；基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，樁徑1.8 m。隧道先后側(cè)穿A3#、A4#墩樁，樁長分別為61.0、49.5 m，橋下凈空分別為8.7、7.0 m。隧道與A3#、A4#墩樁位置關(guān)系見圖1。隧道外緣與A3#、A4#墩樁凈距分別為1.2、0.9 m。

圖1 隧道與A3#、A4#墩樁平面位置關(guān)系

在與橋樁約1 m 凈距進行大直徑盾構(gòu)隧道施工，若不采取控制措施，極易引起橋樁破壞，進而影響整個匝道橋的安全。為了控制橋樁和地表變形，減小隧道施工對周邊環(huán)境的擾動，考慮到橋下凈空較低，采用MJS 工法對土體進行加固，漿液為水泥漿。加固區(qū)呈倒L形，分為豎向加固區(qū)和水平加固區(qū)，見圖2。

圖2 MJS工法加固區(qū)

豎向加固區(qū)先采用?2.4 m@2.0 m 的MJS 工法樁與橋樁咬合，最大咬合深度為0.4 m，然后在樁周打設(shè)?2.0 m@1.6 m 的MJS 工法樁進一步加固土體，加固深度為隧頂以上3.0 m 至隧底以下6.2 m，共23.0 m。水平加固區(qū)采用?2.0 m@1.6 m 的MJS 工法樁，加固隧頂以上3.0 m 的土體和隧道與A3#、A4#墩樁之間的三角區(qū)。

根據(jù)詳勘報告，隧址區(qū)土層自上而下依次為雜填土、淤泥質(zhì)土、粗砂、有機質(zhì)土及粉質(zhì)黏土。加固區(qū)以粉質(zhì)黏土為主，局部夾雜粗砂。各土層物理力學參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

采用MIDAS 有限元軟件建立地層-結(jié)構(gòu)三維模型。為減小邊界效應(yīng)影響，模型尺寸取160 m（長） ×140 m（寬） × 90 m（高），模型邊距離隧道及A3#、A4#墩樁均不小于5倍洞徑，側(cè)面限制法向位移，底部設(shè)置固定約束。模型共有169 725 個單元，108 682 個節(jié)點，見圖3。

圖3 計算模型

土體采用彈塑性本構(gòu)模型，服從Mohr-Coulomb 屈服準則。管片、承臺、MJS 工法樁采用實體單元，盾殼采用殼單元，A3#、A4#墩樁采用梁單元模擬。

2.2 計算參數(shù)

2.2.1 盾殼摩擦力

施工時，盾殼摩擦力（Fs）即盾殼周圍的土體所受到沿著盾構(gòu)掘進方向的摩擦力，其計算式為［11］

式中：μs為盾殼與土體間摩擦因數(shù)，依據(jù)文獻［12］取值；Ds為盾殼直徑；L為盾殼長度；Pa為作用在盾殼的平均土壓力；G為盾構(gòu)機自重。

通過計算，F(xiàn)s約為150 kPa。

2.2.2 開挖面支護力

大斷面隧道的拱頂與拱底水土壓差較大，模型中開挖面支護力以梯形荷載的形式垂直施加到刀盤前方土體，數(shù)值從320 kPa增至490 kPa。

2.2.3 同步注漿參數(shù)

梁禹等［13］研究得出漿液凝結(jié)過程具有時變性，其彈性模量隨著漿液的凝結(jié)而逐漸增大，對土體的壓力則逐漸消散。設(shè)置同步注漿的漿液在4環(huán)管片拼裝時間內(nèi)凝結(jié)，彈性模量從5 MPa 逐步上升至500 MPa。實測數(shù)據(jù)顯示盾尾同步注漿壓力為0.50 ～ 0.72 MPa，計算時選擇平均壓力0.60 MPa 作為漿液最大壓力并逐漸減小至0，詳見表2。注漿層厚度等于刀盤與管片的高度差，取0.25 m；漿液重度為25 kN/m3，泊松比為0.25。

表2 盾尾同步注漿漿液彈性模量和壓力設(shè)置 MPa

2.2.4 其他參數(shù)

由于刀盤對土體的切削和摩擦作用，開挖面前方一定范圍內(nèi)的土體會受到擾動。參考文獻［14］，將開挖面前方2 m（1環(huán)管片）土體的彈性模量減小50%。

由于管片縱向與環(huán)向接頭會降低隧道整體剛度，依據(jù)文獻［15］將混凝土管片彈性模量減小25%。結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

表3 結(jié)構(gòu)參數(shù)

參考實測數(shù)據(jù)，盾構(gòu)千斤頂推力換算成均布荷載施加于管片環(huán)的橫截面上，大小為15 MPa。

A3#、A4#墩樁為摩擦樁，通過切向和法向彈簧模擬樁土間相互作用。界面切向剛度（Kt）、界面法向剛度（Kn）分別為

式中：Gi為第i層土的折算剪切模量，Gi=RGisoil，R為強度折減系數(shù)，取0.7～1.0，Gisoil為第i層土的剪切模量；tv為虛擬厚度系數(shù)，取0.01 ～ 0.10；Ei= 2Gi（1 -v）/（1 - 2v），Ei為第i層土的彈性模量，v為樁土接觸面的泊松比，取0.45。

橋梁上部結(jié)構(gòu)等效為均布荷載120 kPa 作用在承臺上；地面荷載為20 kPa。

2.3 盾構(gòu)掘進過程

模擬時不考慮管片安裝及盾構(gòu)停機，掘進過程見圖4。具體施工步驟為：

1）施作A3#和A4#橋墩、承臺、橋樁，計算模型的自重應(yīng)力場與位移場。

2）采用MJS 工法加固土體，將加固區(qū)單元屬性變?yōu)镸JS工法樁屬性，將所有單元位移清零。

3）模擬盾構(gòu)開挖，修改開挖面前方土體彈性模量，添加盾殼單元，施加盾殼摩擦力、開挖面支護力及千斤頂推力。

4）盾構(gòu)每向前推進1 環(huán)，激活距離盾尾最近的管片單元，依據(jù)表2，依次在①—④區(qū)注漿，注漿壓力分別為0.60、0.25、0.12、0 MPa；對新開挖面施加支護力，修改其前方2 m 土體彈性模量；對新激活的盾殼、管片單元施加盾殼摩擦力和千斤頂推力，刪除步驟3荷載。

5）重復(fù)上述步驟至隧道貫通。

2.4 計算結(jié)果

2.4.1 A3#、A4#墩樁水平變形提取刀盤距離A3#、A4#墩樁-30，-20，-10，0，10，20、30 m 處橋樁的水平變形進行分析，負值表示刀盤未通過橋樁。未采用MJS 工法加固時A3#、A4#墩樁水平變形見圖5。

圖5 未采用MJS工法加固時A3#、A4#墩樁水平變形

由圖5可知：

1）在各影響因素綜合作用下，盾構(gòu)掘進階段兩橋樁均產(chǎn)生朝向隧道外側(cè)及沿隧道開挖方向的水平變形。

2）盾構(gòu)與橋樁越近，對橋樁擾動越大，樁身變形越大；刀盤通過橋樁20 m后，樁身變形基本穩(wěn)定。

3）A3#墩樁在x、y方向的最大變形分別為14.7、20.5 mm；A4#墩樁在x、y方向的最大變形分別為13.7、20.1 mm。

采用MJS 工法加固前后刀盤距A3#、A4#墩樁30 m時橋樁水平變形見圖6?？芍杭庸毯驛3#墩樁在x、y方向最大變形分別為3.96、6.54 mm，與未采用MJS工法加固時相比，變形減小了73.1%、68.1%；A4#墩樁在x、y方向最大變形分別為3.41、7.16 mm，與未采用MJS 工法加固時相比，變形減小了75.1%、64.4%?？梢姴捎肕JS 工法加固后，兩橋樁的水平變形顯著降低，說明MJS 工法的水泥漿與樁周土體混合形成具有較高強度的固結(jié)體，對橋樁起到了保護作用。

圖6 采用MJS工法加固前后刀盤距A3#、A4#墩樁30 m時橋樁水平變形

2.4.2 地表豎向變形

在垂直于隧道軸線的地表布置兩處監(jiān)測斷面，分別位于A3#與A4#墩樁北側(cè)約1 m。未采用MJS 工法加固時盾構(gòu)施工地表豎向變形見圖7，其中灰色虛線為無橋樁時地表豎向變形。

圖7 未采用MJS工法加固時盾構(gòu)施工地表豎向變形

由圖7可知：

1）盾構(gòu)施工過程中，地表由隆起轉(zhuǎn)為沉降，直至刀盤距監(jiān)測斷面40 m 時變形穩(wěn)定。刀盤抵達監(jiān)測斷面前，由于開挖面支護力及盾殼摩擦力對前方土體的擠壓作用，地表隆起且隆起逐漸增大；在刀盤鄰近監(jiān)測斷面時，地表變形由隆起變?yōu)槌两担欢芪餐ㄟ^監(jiān)測斷面后，因同步注漿壓力開始消散，開挖引起的地層損失逐漸增大，沉降和沉降槽寬度不斷增加，最終寬度約3倍洞徑。

2）A3#、A4#墩樁的存在使地表變形曲線從對稱變?yōu)椴粚ΨQ，沉降槽中心向遠離橋樁的方向偏移。

3）A3#、A4#墩樁附近曲線形態(tài)平緩，說明地表豎向變形受到抑制，橋樁對鄰近土體有一定的抑制作用。A4#墩樁與隧道距離更近，這種抑制作用更明顯。

采用MJS 工法加固前后刀盤距A3#、A4#墩樁北側(cè)監(jiān)測斷面40 m時地表豎向變形見圖8?？芍?/p>

圖8 采用MJS工法加固前后刀盤距監(jiān)測斷面40 m時地表豎向變形

1）采用MJS 工法對土體進行倒L 形加固后，地表最大沉降分別從8.63、8.28 mm 降至3.59、4.67 mm，降幅為58.4%、43.6%，沉降得到較好控制。

2）MJS工法加固區(qū)的存在改變了地表豎向變形曲線的形狀，沉降槽中心向遠離橋樁一側(cè)的橫向加固區(qū)邊緣偏移。豎向加固區(qū)內(nèi)地表變形曲線輕微拱起，說明加固區(qū)增強了橋樁對土體的抑制作用。由于A4#墩樁離隧道更近，抑制作用更強，因此豎向加固區(qū)內(nèi)地表變形從未加固時的沉降變?yōu)槁∑稹?/p>

3 現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 測點布置

在A3#、A4#橋墩分別布置變形監(jiān)測點，見圖9。采用全站儀進行自動化監(jiān)測，監(jiān)測頻率為1 次/d，測量精度為0.001 mm。

圖9 A3#、A4#橋墩變形測點布置

沿隧道開挖方向設(shè)置5 個地表變形監(jiān)測斷面，每個斷面布設(shè)9 個測點，沿隧道軸線對稱分布，見圖10。監(jiān)測頻率為1次/d，測量精度為0.1 mm。

圖10 地表變形測點布置（單位：m）

3.2 樁頂豎向變形

由于樁頂與橋墩固結(jié)，因此將測點3-3、4-2 豎向變形作為樁頂?shù)呢Q向變形。采用MJS 工法加固后，樁頂豎向變形模擬計算值與實測值對比見圖11?？芍孩贅俄斬Q向變形的模擬計算值與實測值變化規(guī)律相似，盾構(gòu)穿越橋樁過程中，樁頂隆起均先增大后減小。②在刀盤距A3#、A4#墩樁約20 m 時，由于同步注漿漿液固結(jié)，樁頂豎向變形的模擬計算值輕微增大。

圖11 樁頂豎向變形模擬計算值與實測值對比

3.3 地表豎向變形

J2 斷面地表豎向變形模擬計算值與實測值對比見圖12。可知：采用MJS 工法加固后，二者變化趨勢基本一致，刀盤抵達監(jiān)測斷面前地表隆起，遠離監(jiān)測斷面后地表沉降。

圖12 J1斷面地表豎向變形模擬計算值與實測值對比

施工時采用了克尼效工法，在向土體注入克尼效漿液時會導(dǎo)致土體上浮，同時盾構(gòu)掘進參數(shù)也會隨著施工情況進行動態(tài)調(diào)整，因此模擬計算值與實測值有一定偏差。

4 結(jié) 論

1）盾構(gòu)施工導(dǎo)致A3#、A4#墩樁產(chǎn)生朝向隧道外側(cè)和開挖方向的水平變形。采用MJS 工法加固后，刀盤距兩樁30 m時，A3#墩樁在x、y方向最大水平變形分別為3.96、6.54 mm，與未采用MJS 工法加固相比，分別減小了73.1%、68.1%；A4#墩樁在x、y方向最大水平變形分別為3.41、7.16 mm，與未采用MJS 工法加固相比，分別減小了75.1%和64.4%，說明MJS 工法采用的水泥漿與樁周土體混合形成具有較高強度的固結(jié)體，對橋樁起到了保護作用。

2）A3#、A4#墩樁的存在使地表豎向變形曲線從對稱變?yōu)椴粚ΨQ，沉降槽中心向遠離橋樁的方向偏移。橋樁對鄰近土體有一定的抑制作用，且橋樁距離隧道越近，抑制作用越明顯。

3）采用MJS 工法對土體進行倒L 形加固后，由于豎向加固區(qū)對橋樁的保護作用及對樁周土體進一步的抑制作用，以及橫向加固區(qū)對隧道與上覆土的阻隔作用，刀盤距A3#、A4#墩樁北側(cè)監(jiān)測斷面40 m 時地表最大沉降分別從8.63、8.28 mm 降至3.59、4.67 mm，降幅分別為58.4% 和43.6%，地表變形得到較好控制。

4）橋樁和地表變形模擬計算值與實測值的變化趨勢基本一致，說明數(shù)值模擬可靠。