盾構(gòu)隧道側(cè)向穿越樁基時(shí)對(duì)樁體土體及地面變形的影響

侯玉偉

(中鐵十三局集團(tuán)有限公司華東工程指揮部,201601,上?！胃呒?jí)工程師)

盾構(gòu)隧道側(cè)向穿越樁基時(shí)對(duì)樁體土體及地面變形的影響

侯玉偉

(中鐵十三局集團(tuán)有限公司華東工程指揮部,201601,上海∥高級(jí)工程師)

以某地鐵盾構(gòu)從近距離樁基側(cè)面穿越為背景,通過(guò)有限元數(shù)值模擬,選取隧道與樁基凈間距較小一側(cè)進(jìn)行計(jì)算,分析盾構(gòu)隧道穿越樁基引起的樁體、周圍土體及地面的變形。

地鐵;盾構(gòu);樁基;側(cè)面穿越;土體變形

Author's addressEast China Engineering Depatment,The 13th Engineering Bureau Group Co.,Ltd.of China Railway,201601,Shanghai,China

盾構(gòu)法施工具有效率高、機(jī)械化程度高、對(duì)地層適應(yīng)能力強(qiáng)及有效控制地面變形等優(yōu)點(diǎn),故在城市地鐵隧道建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。由于城市的高層建筑、高架橋梁等密布云集,其建筑結(jié)構(gòu)一般都設(shè)有樁基礎(chǔ),故盾構(gòu)隧道施工往往需要從樁基之間穿過(guò)。隧道施工會(huì)引起周圍土體的變形,土體的變形則會(huì)影響樁周土體的應(yīng)力狀況,對(duì)樁的變形和內(nèi)力會(huì)產(chǎn)生一定的影響,如不能采取有效措施減小施工對(duì)樁基的影響,往往會(huì)影響建筑結(jié)構(gòu)的安全使用。

針對(duì)盾構(gòu)施工對(duì)樁基影響的研究主要是通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬等。文獻(xiàn)[1]通過(guò)試驗(yàn),研究了盾構(gòu)施工對(duì)樁基承載力和沉降的影響,認(rèn)為盾構(gòu)在軟弱土層中側(cè)穿與下穿樁基施工時(shí)對(duì)其的影響可能是設(shè)計(jì)和施工中要考慮的主要或控制因素。文獻(xiàn)[2]利用彈性力學(xué)開爾文解及彈性地基梁理論,導(dǎo)出盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)相鄰樁體內(nèi)力及撓曲影響的計(jì)算公式。文獻(xiàn)[3]通過(guò)有限元程序研究了隧道施工對(duì)樁基的影響,并進(jìn)行了主要參數(shù)的研究。文獻(xiàn)[4]通過(guò)離心模型試驗(yàn)研究了隧道施工對(duì)端承樁基的影響,認(rèn)為當(dāng)樁與隧道的凈間距在0.25 D(隧道直徑)到1.00 D之間時(shí),樁的沉降受施加體積損失的大小及樁與隧道距離的影響較大。

本文以某地鐵盾構(gòu)側(cè)向穿越樁基為背景,通過(guò)建立有限元數(shù)值模型,分析盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)樁基、周圍土體及地面變形的影響,并給出相關(guān)的研究分析結(jié)論。

1 工程背景

本工程為某地鐵盾構(gòu)隧道從兩樁基之間穿過(guò)。兩樁基之間的中心間距為35 m。上行線隧道與樁基的最小凈距為3 m,下行線隧道與樁基的最小凈距約4.6 m。隧道頂覆土厚度為13.2 m。盾構(gòu)隧道穿越的土層主要為④層淤泥質(zhì)黏土和⑤1a層黏土。地鐵隧道與樁基的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與樁基相互關(guān)系圖(單位:m)

2 盾構(gòu)隧道施工對(duì)樁基影響的數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算對(duì)象選取

考慮到工程的對(duì)稱性,在本文中僅取單個(gè)隧道和樁基進(jìn)行計(jì)算分析。隧道與樁基的凈間距取3 m,隧道埋深為13 m,由此建立相應(yīng)的三維有限元模型。主要分析1#樁基及斷面1-1土體(位置關(guān)系如圖2所示)所受的影響。

2.2 模型建立

采用Plaxis有限元軟件,建立三維模型。隧道襯砌和樁基采用梁?jiǎn)卧M;土體采用彈塑性模型、摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則,不考慮土體的后期固結(jié)變形;梁?jiǎn)卧蛯?shí)體單元之間自由度的協(xié)調(diào)性通過(guò)程序提供的自由度間的耦合功能實(shí)現(xiàn)。數(shù)值模擬圖如圖2所示。

2.3 襯砌與土層參數(shù)的選擇

計(jì)算參數(shù)選用該工點(diǎn)的實(shí)際地層參數(shù),土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)侖模型。土層及結(jié)構(gòu)的參數(shù)分別如表1、表2所示。

圖2 有限元模型圖

表1 土層參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物參數(shù)

3 模擬計(jì)算的結(jié)果分析

3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)樁基及周圍土體的影響

為明確盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)樁基和周圍土體的影響,在隧道與樁基之間取1-1斷面(距隧道1 m)的土體和1#樁基進(jìn)行分析。圖3為盾構(gòu)掘進(jìn)引起1#樁基的水平變形曲線,圖4為盾構(gòu)掘進(jìn)刀盤處于不同位置時(shí)引起1-1斷面處土體的水平變形曲線。從圖3、4可看出:由于土倉(cāng)壓力的擠壓和盾殼與周圍土體的摩擦作用,刀盤前方3 m處的樁基和土體都有向遠(yuǎn)離隧道方向的變形趨勢(shì),其最大值分別為0.7 mm和1.0 mm;在刀盤位置的樁基則有向隧道方向的變形,但量值較小,僅0.6 mm左右,而土體依然發(fā)生遠(yuǎn)離隧道方向變形,為1.2 mm。造成兩者區(qū)別的原因是:盾構(gòu)土倉(cāng)壓力的擠壓影響范圍是以刀盤為起始點(diǎn)按45°-φ/2的角度向外呈輻射狀擴(kuò)散的區(qū)域,經(jīng)計(jì)算可知在刀盤斷面的位置,土體處于擠壓擾動(dòng)區(qū),樁基則處于松動(dòng)卸荷區(qū),因此樁基向隧道方向變形;而1-1斷面的土體則向遠(yuǎn)離隧道方向變形。由于建筑空隙的存在以及注漿填充不充分等原因,刀盤后方5 m位置的樁基和1-1斷面的土體都向隧道方向發(fā)生較大的變形,其最大值分別為4.4 mm和7.4 mm。此時(shí)可能會(huì)減少樁基與土體的接觸壓力,進(jìn)而影響到樁基的承載能力。在盾構(gòu)掘進(jìn)整個(gè)過(guò)程中,樁基和周圍土層在平行盾構(gòu)掘進(jìn)方向始終發(fā)生向前的變形,其最大值分別為2.0 mm和3.0 mm。

圖3 1#樁基的水平變形

圖4 1-1斷面土體的水平變形

圖5為盾構(gòu)掘進(jìn)引起1-1斷面土體的分層隆沉曲線。由圖5可知:樁基對(duì)隧道側(cè)土體的豎向變形規(guī)律有一定影響,即有樁基時(shí)側(cè)面土體以沉降為主,無(wú)樁基時(shí)側(cè)面土體的沉降和隆起都較大;且豎向變形量值也有一定區(qū)別,如有樁基時(shí)側(cè)面土體的最大沉降和隆起量分別為-9.0 mm和+2.4 mm,而無(wú)樁基時(shí)側(cè)面土體的最大沉降和隆起量分別為-20 mm和+16.6 mm。

3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地面變形的影響

圖6為盾構(gòu)掘進(jìn)引起的不同位置處地面沉降曲線。從圖6中可看出,由于既有樁基的阻隔作用,盾構(gòu)施工引起地面的橫向沉降槽寬度有一定的減少。刀盤后方7.2 m處的橫向沉降影響范圍為30 m(該處沒(méi)有樁基)。在刀盤后方5 m、刀盤位置及刀盤前方3 m時(shí)的影響范圍均為25 m左右(該處都有樁基),影響范圍減少約20%。由此可見(jiàn),樁基對(duì)周圍地層起到了加固作用。

圖5 1-1斷面土體的分層隆沉曲線

圖7為盾構(gòu)施工引起的地面縱向變形曲線。通常盾構(gòu)前方土體受到擠壓時(shí)有向前、向上的移動(dòng),從而使地表有微量的隆起;而當(dāng)開挖面土體因支護(hù)力不足而向盾構(gòu)內(nèi)移動(dòng)時(shí),則盾構(gòu)前方土體發(fā)生向下向后的移動(dòng),從而使地面沉降。另外,開挖面的上方土體,還會(huì)發(fā)生沉降;由于施工過(guò)程中對(duì)周圍土體的擾動(dòng)、土中的孔隙水壓力的變化等因素還會(huì)使盾構(gòu)周圍產(chǎn)生后續(xù)沉降?？梢?jiàn),盾構(gòu)掘進(jìn)所致地層變形可分為3個(gè)階段:盾構(gòu)前方隆起或沉降,開挖面沉降,及固結(jié)沉降[4]。由圖7可知,盾構(gòu)近距離側(cè)穿樁基引起地面的縱向變形也可以分為前方隆起段、開挖面沉降段以及固結(jié)穩(wěn)定段。由于樁基數(shù)量較少,根據(jù)影響分析,這與無(wú)樁基正常掘進(jìn)時(shí)的情況基本一致。

圖6 盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地面橫向沉降曲線

圖7 盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地面縱向變形

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

為確保盾構(gòu)穿越施工安全,對(duì)盾構(gòu)穿越過(guò)程中15號(hào)墩的沉降和水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)(條件所限,未對(duì)樁本身進(jìn)行監(jiān)測(cè))。盾構(gòu)穿越后,15號(hào)墩的最終沉降為0.5 mm,水平位移為0.8 mm,影響均較小。但水平向位移明顯大于豎向,說(shuō)明盾構(gòu)側(cè)穿時(shí)對(duì)樁基水平向的影響大于豎向。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)有限元模擬,針對(duì)盾構(gòu)隧道側(cè)向穿越樁基情況,分析盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)樁體、周圍土體及地面變形的影響,得出以下的結(jié)論。

1)在刀盤前方的樁基和土體都有遠(yuǎn)離隧道方向的變形趨勢(shì);在刀盤位置附近的土體產(chǎn)生遠(yuǎn)離隧道方向的變形,樁基產(chǎn)生向隧道方向的變形;在刀盤后方的樁基、土體都產(chǎn)生向隧道內(nèi)的較大變形,且樁基變形小于土體的變形。

2)有樁基時(shí)盾構(gòu)隧道的側(cè)面土體以沉降為主,沉降量比無(wú)樁基時(shí)小。無(wú)樁基時(shí)側(cè)面土體的沉降和隆起都較大。

3)樁基對(duì)周圍地層起到了加固作用,減小了盾構(gòu)施工所引起地面橫向沉降槽的寬度,但加大了隧道與樁基之間土體的不均勻沉降量。

4)由于樁基數(shù)量較少,盾構(gòu)側(cè)向穿過(guò)樁基引起的地面縱向變形與無(wú)樁基時(shí)基本一致。

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Influence of Shield Lateral Crossing on Soil Deformation

Hou Yuwei

Based on a project in which a shield passed laterally the pile foundation in close distance,this paper simulates the tunneling by finite element method,and calculates the closer distance between the tunnel and the pit foundation,thus attains the deformations data of the pile,soil and land surface caused by shield crossing through the pile foundation.

metro;shield;pile;crossing laterally;deformation of soil

TU 433:U 455.43

2010-01-06)