邱金亮

(撫州贛東公路設計院有限公司,江西 撫州 344000)

隨著城市化進程的發(fā)展,城市交通負擔越來越重,為了滿足人們的出行需求,減輕城市的交通壓力,許多城市修建了地鐵線路。因盾構(gòu)法具有安全性高、施工快捷等優(yōu)點,許多城市內(nèi)的地鐵線路都是采用盾構(gòu)法進行修建。但城市內(nèi)有著眾多的大型結(jié)構(gòu)物,其中就包括高層建筑、橋梁等,在城市內(nèi)修建地鐵線路時,不可避免地會穿越這些結(jié)構(gòu)物。尤其是當盾構(gòu)隧道穿越大型結(jié)構(gòu)物的樁基礎時,很有可能會使樁基礎產(chǎn)生較大的變形,從而導致結(jié)構(gòu)物發(fā)生損壞,造成巨大的經(jīng)濟損失,更嚴重時會造成人員傷亡。對此,相關(guān)學者做了大量的研究[1-5]。李文舉等[6]依托于上海軌道交通7號線,模擬出簡化后的盾構(gòu)隧道施工過程,分析盾構(gòu)施工對鄰近樁基產(chǎn)生的影響。趙方彬[7]對上軟下硬地層、存在溶洞等復雜施工條件下的盾構(gòu)下穿橋梁工程進行研究,運用綜合分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測等方法對盾構(gòu)施工影響下的隧道和樁基以及控制措施進行了分析。張明等[8]結(jié)合區(qū)間盾構(gòu)穿越橋梁樁基工程進行研究,對盾構(gòu)施工引起的地表和樁基的變形以及樁基的內(nèi)力進行模擬計算。張博陽[9]對不同空間位置分布的橋隧進行研究,并結(jié)合各類結(jié)構(gòu)橋梁樁基在盾構(gòu)施工過程中受到的影響,提出了有效的控制措施。岳志坤[10]依托具體工程,采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的分析手段,對盾構(gòu)穿越高鐵橋梁的變形影響以及減小變形的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

雖然相關(guān)學者對盾構(gòu)穿越橋梁樁基工程做了大量的研究,但是目前對于樁-隧極近距離下的大直徑盾構(gòu)施工擾動分析依然較少。依托于大直徑盾構(gòu)穿越鳧州大橋工程,分析樁-隧極近距離下的盾構(gòu)隧道施工樁基變形和內(nèi)力的變化規(guī)律,可為盾構(gòu)穿越橋梁工程提供理論支持,并為類似工程提供參考。

1 工程概況

依托的大直徑盾構(gòu)隧道穿越鳧州大橋工程為雙向六車道,設計時速60 km/h,總長4 200 m,其中跨越水道總長為2 774 m。雙向橋面設計寬度31 m,主橋下部結(jié)構(gòu)主墩采用薄壁箱型墩身,墩身截面采用單箱單室結(jié)構(gòu),承臺厚度為2.5 m,橫橋箱寬由3.5 m漸變至墩頂5.5 m。每個主墩采用2根Φ2 000 mm鉆孔灌注樁,采用摩擦樁設計,樁長分別為74 m(5#、6#、7#、8#樁)、69 m(1#、2#、3#、4#樁),隧道設計底標高61 m左右。

盾構(gòu)隧道掘進到DK51+167.35開始側(cè)穿大橋至DK51+125.285結(jié)束,總長度42 m,隧道外徑達到了14.1 m,內(nèi)徑為13.1 m。側(cè)穿過程中盾構(gòu)機距離1#橋樁最近距離為3.16 m,距離8#樁基最近距離為3.85 m,相鄰橋跨度均為40 m,隧道側(cè)穿橋梁角度為56°。盾構(gòu)側(cè)穿區(qū)間地層依次為:淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、細砂(粗砂)、全風化片巖、強風化片巖。洞身范圍內(nèi)地層為:全風化片巖、強風化片巖。

2 計算模型和參數(shù)

2.1 數(shù)值模型

以隧道前進方向為x軸方向,隧道寬度方向為y軸方向建立數(shù)值模型,模型大小為80 m×100 m×120 m。計算過程中需要對模型施加邊界條件:固定模型的底部位移,限制模型四周x軸和y軸方向上的位移,模型頂部為自由邊界。由于主要是考慮盾構(gòu)施工給樁基帶來的影響,故在建模過程中重點模擬出了樁基,而將橋墩、橋面等結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效荷載施加在樁基頂部。

2.2 模型參數(shù)

在模型中將土體和結(jié)構(gòu)單元視為各向同性單元,土體遵循摩爾庫倫本構(gòu)原則,物理參數(shù)如表1所示。盾殼和管片視為線彈性材料,注漿層采用增加剛度來模擬,當進行注漿操作時,提高盾構(gòu)外圍土體彈性模量,盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)如表2所示。

表1 土體物理參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理參數(shù)

2.3 工況模擬

有限元模擬過程與實際施工存在一定程度的差異,需要對施工過程進行一定的簡化,簡化后的施工過程為以下幾步。

(1)激活除樁基外所有的單元,添加模型邊界條件,添加單元自重荷載。清除盾構(gòu)施工前的初始位移,模擬初始地應力平衡。

(2)添加橋梁樁基,在樁基頂部施加橋梁荷載,模擬橋梁建成階段,同時清除模型的位移。

(3)模擬隧道掘進階段。鈍化隧道范圍內(nèi)的土體,激活盾殼單元,在盾殼單元表面施加盾殼摩擦力,在前方掌子面施加掌子面推力。在盾殼單元前進后,激活盾殼單元后的管片單元,并進行注漿加固(改變注漿范圍內(nèi)土體的彈性模量),沿管片徑向施加注漿壓力。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 樁基變形

(1)水平位移變形分析。

當盾構(gòu)隧道掘進完成后,1#～8#樁基水平方向上的水平位移如圖1～圖7所示。

圖1 左側(cè)樁基(1#～4#樁)y軸方向水平位移

圖2 左側(cè)樁基(1#～4#樁)x軸方向水平位移

圖3 右側(cè)樁基(5#～8#樁)y軸方向水平位移

從圖1～圖4可以看出:

圖4 右側(cè)樁基(5#～8#樁)x軸方向水平位移

①在y軸方向上,當盾構(gòu)隧道掘進完成后,左右側(cè)樁基受到盾構(gòu)施工的擾動產(chǎn)生盾構(gòu)隧道徑向向外的水平位移,尤其是盾構(gòu)隧道深度范圍內(nèi)的樁基部分產(chǎn)生了較大的y軸方向位移。這是由于盾構(gòu)隧道掘進時會對前方土體產(chǎn)生擾動,破壞了原有的土體平衡,盾構(gòu)機切削擠壓掌子面前方的土體,使得隧道周圍的土體向四周擴散,導致樁基發(fā)生較大的y軸方向水平位移。而施工擾動在土體內(nèi)傳播時,會隨著距離的增加逐漸減弱,因此樁基最上部和最下部的位移較小。1#～8#樁與盾構(gòu)機的水平距離不同,受到盾構(gòu)施工的擾動影響也不相同,其中盾構(gòu)隧道左側(cè)1#和2#樁基、盾構(gòu)隧道右側(cè)7#和8#樁基與盾構(gòu)隧道的距離最近,產(chǎn)生的y軸方向水平位移也最大,達到了17.6 mm。剩余樁基隨著與盾構(gòu)隧道距離的增加,產(chǎn)生的位移在不斷的減小,最小位移值為7.4 mm。兩者之間最大的位移差距達到了10.2 mm。較大的位移差距可能會引起橋梁面板發(fā)生y軸方向上的錯位,橋梁面板發(fā)生開裂的可能性增加,對橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響較大。

②在x軸方向上,樁基的變形也集中在盾構(gòu)隧道深度范圍內(nèi),但由于空間位置的關(guān)系,盾構(gòu)向前掘進過程中,1#～8#樁基都有沿隧道掘進方向發(fā)生變形的趨勢。同樣地,距離盾構(gòu)隧道較近的1#、2#、7#和8#樁基產(chǎn)生的變形較大,3#～6#樁基產(chǎn)生的x軸方向上的位移較小。8根樁基x軸方向上的最大位移為4.8 mm。相較于y軸方向上的位移變化,x軸方向上樁基受到的影響較小。

樁基在y軸方向上產(chǎn)生的位移較大,選取樁基在y軸方向隨盾構(gòu)掘進的位移變化進行分析。左右側(cè)樁基在y軸方向上產(chǎn)生的最大位移隨盾構(gòu)掘進的變化曲線分別如圖5和圖6所示。

圖6 右側(cè)樁基(5#～8#樁)隨盾構(gòu)掘進產(chǎn)生的最大變形

從圖5和圖6可以看出:隨著盾構(gòu)掘進距離的增加,樁基產(chǎn)生的位移先平緩增加,接著變化劇烈,最后趨于平穩(wěn)。但是由于樁基與盾構(gòu)隧道之間水平距離不同,樁基的位移變化過程也有不同。水平距離較近的樁基產(chǎn)生的位移變化量大,并且在盾構(gòu)隧道掘進較短距離內(nèi)就產(chǎn)生了更大程度的位移;而水平距離較遠的樁基在盾構(gòu)機掘進較長距離內(nèi)會產(chǎn)生較低程度的位移。這是因為樁基與盾構(gòu)機之間距離越近,樁基受到的擾動影響越大,產(chǎn)生的位移越大,但隨著盾構(gòu)機不斷地遠離樁基,樁基受到的擾動程度在降低,樁基產(chǎn)生的位移趨于平穩(wěn)。在盾構(gòu)機通過樁基的過程中,樁基產(chǎn)生的位移變化劇烈,且距離較近的樁基由于受到的擾動更大,會在較短掘進距離內(nèi)產(chǎn)生較大的位移。

(2)沉降位移變形分析。

盾構(gòu)掘進完成后,1#～8#樁基產(chǎn)生的沉降云圖如圖7所示。

圖7 樁基沉降變化云圖

從圖7可以看出:1#、2#、7#和8#樁基產(chǎn)生的沉降非常明顯,最大沉降量達到了4.7 mm。3#～6#沉降較小,最大沉降量為3.3 mm。不僅是樁基的水平位移,樁基的沉降位移也與樁-隧道之間的相對位置關(guān)系有關(guān)。樁-隧距離越近,樁基產(chǎn)生的沉降位移越大;樁-隧距離越遠,樁基產(chǎn)生的沉降位移越小。樁基的樁頂和樁底處產(chǎn)生的沉降位移大小有所不同,這是因為盾構(gòu)隧道開挖后,隧道上部土體產(chǎn)生沉降,使樁基隨土體一起發(fā)生沉降位移,但隧道下部會發(fā)生隆起,使得樁基下部產(chǎn)生向上的位移變化,但由于樁基上部的自重以及土體摩擦力的影響,相較于樁基的隆起,樁基的沉降變化更為明顯,使得樁基整體產(chǎn)生沉降。

3.2 樁基內(nèi)力

盾構(gòu)掘進完成后,樁基受到Mises應力云圖如圖8所示。

圖8 樁基Mises應力云圖

從圖8可以看出:當盾構(gòu)掘進完成后,距離盾構(gòu)隧道越近的樁基,樁基受到的應力越大,最大應力為31.4 MPa,尚未達到樁基的應力破壞極限,但值得注意的是,樁基受到的應力已接近于極限,且橋梁使用多年,樁基混凝土的強度有所下降,樁基有較大的概率會發(fā)生一定程度的破壞。因此,對樁基周圍進行注漿加固是非常必要的。盾構(gòu)施工影響下,樁基受到較大影響的部位位于下部靠近盾構(gòu)隧道處,在進行注漿加固時,需要著重向隧道四周進行注漿加固,并且適當擴大注漿加固范圍以提高加固效果。

4 施工控制建議

(1)在盾構(gòu)穿越橋梁樁基過程中,加強監(jiān)控測量。監(jiān)控測量作為預警預報的關(guān)鍵手段,在盾構(gòu)穿越橋梁樁基區(qū)段,應當加強對樁基頂端水平和豎直方向的位移變化監(jiān)測,在樁基的位移變化超過或即將超過限值時,及時停止掘進,對周圍地層、盾構(gòu)隧道和橋梁進行加固。

(2)對盾構(gòu)隧道周圍地層進行注漿加固。由于盾構(gòu)隧道與樁基之間的距離非常接近,為保證施工的安全,采取注漿加固是不可避免的。值得注意的是,注漿加固范圍需要集中在盾構(gòu)隧道深度且向外擴散。

(3)調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)。盾構(gòu)掘進過程中,盾構(gòu)推力、注漿壓力、掘進速度等都會對樁基的變形和內(nèi)力產(chǎn)生較大的影響。在盾構(gòu)穿越橋梁樁基過程中,減小盾構(gòu)推力和注漿壓力,放緩掘進速度,并及時根據(jù)不同掘進參數(shù)下的樁基位移變化數(shù)據(jù)調(diào)整盾構(gòu)參數(shù),實現(xiàn)信息化施工。

5 結(jié) 論

(1)樁基與盾構(gòu)隧道的距離極大程度上影響著樁基的變形和內(nèi)力。樁基與隧道的距離越近,樁基的內(nèi)力和變形越大,且樁基受到影響的最大范圍位于樁基下部52～67 m范圍內(nèi)。

(2)隨著盾構(gòu)隧道的掘進,樁基的變形在不斷增加,但在盾構(gòu)隧道穿越樁基時,樁基的變形增加速度最快;在盾構(gòu)接近前和遠離后,樁基產(chǎn)生的變形增加速度平緩。盾構(gòu)施工最危險的區(qū)間在于盾構(gòu)穿越樁基過程中。

(3)樁基的水平位移變化中,y軸方向上的位移變化較x軸方向上的位移變化更大。且在各個方向的位移和應力大小上,有較大位移和應力的樁基為1#、2#、7#和8#樁基,較小位移和應力的樁基為3#、4#、5#和6#樁基。

(4)為保證盾構(gòu)施工安全進行,需要對樁基周圍進行注漿加固,并且加強監(jiān)控測量,根據(jù)檢測數(shù)據(jù)及時調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)。