隧道超近距離穿越樁基的影響分析

[摘要]本文以廣州廣佛線某區(qū)間盾構(gòu)隧道超近距離側(cè)穿人行天橋樁基為背景，采用三維數(shù)值分析方法，研究了盾構(gòu)施工對(duì)該天橋樁基的影響。分析表明，盾構(gòu)施工對(duì)樁基產(chǎn)生一定影響，但并不影響其正常使用，樁基處于安全狀態(tài)。盾構(gòu)現(xiàn)已安全通過(guò)該樁基，天橋沉降及變形監(jiān)測(cè)結(jié)果均在控制范圍內(nèi)，與數(shù)值分析結(jié)果較為一致。本文可為類(lèi)似工況下盾構(gòu)隧道施工提供參考。

[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)；超近距離；樁基；影響；數(shù)值分析

1 引言

盾構(gòu)施工技術(shù)已越來(lái)越多的應(yīng)用于城市地鐵隧道的施工中[ 1]。而盾構(gòu)施工不可避免的造成上部地層產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。盾構(gòu)施工導(dǎo)致地層運(yùn)動(dòng)的主要機(jī)理為地層損失。所謂地層損失即是在工程中開(kāi)挖土體的體積與竣工隧道的體積之差。為了彌補(bǔ)這一損失，周?chē)耐馏w就發(fā)生地層運(yùn)動(dòng)，引起土層變形[ 2] 。地層損失導(dǎo)致周?chē)翆幼冃渭扔胸Q向沉降，又有水平位移。對(duì)于盾構(gòu)施工穿越鄰近樁基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，豎向沉降會(huì)使樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力，增加樁基沉降和軸力；水平位移使基樁產(chǎn)生側(cè)移和撓曲 [ 3]。

本文結(jié)合廣州地鐵廣佛線某區(qū)間盾構(gòu)隧道超近距離側(cè)穿人行天橋樁基為背景，主要就盾構(gòu)施工對(duì)天橋樁基的內(nèi)力及變形影響進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)盾構(gòu)施工提出合理建議。

2 工程概況

廣佛地鐵某區(qū)間，盾構(gòu)隧道側(cè)穿石崗路人行天橋橋樁，人行天橋?yàn)閱沃鶈螛叮ㄟ^(guò)橋樁竣工圖及樁位實(shí)測(cè)資料得知，橋樁為沖孔灌注樁，樁徑1.5m，盾構(gòu)隧道外壁與樁基外壁最小水平凈距僅為0.3m，樁基外壁距盾構(gòu)刀盤(pán)外緣凈距不足20cm，屬超近距離下穿，如圖1示。

圖1 隧道與樁平面位置示意圖

根據(jù)地質(zhì)資料，樁端處承巖含礫粗砂巖微風(fēng)化層，巖層內(nèi)天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度為20.0MPa，樁端嵌入該巖層內(nèi)，樁底深入微風(fēng)化1.5m，為摩擦端承樁，樁長(zhǎng)約18m。地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 地質(zhì)剖面圖

盾構(gòu)機(jī)穿過(guò)石崗路天橋段地層主要為： <1>雜填土、 <4-1>淤泥層、<5-2>硬塑粉質(zhì)粘土，隧道通過(guò)石崗路天橋上部處于<6>全風(fēng)化粉砂巖，中部處于<8>中風(fēng)化粉砂巖，隧道下部為<9>微風(fēng)化粉砂巖。

由于隧道超近距離穿越天橋樁基，易造成樁基產(chǎn)生較大沉降及側(cè)向變形，輕則使人行天橋發(fā)生不均勻沉降而發(fā)生橋面開(kāi)裂，重則會(huì)導(dǎo)致天橋坍塌，造成人身事故。因此，需預(yù)先評(píng)估盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)對(duì)該橋樁及天橋的影響。

3 三維數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型

盾構(gòu)隧道施工參數(shù)及材料參數(shù)：

如圖1、圖2所示：隧道中心埋深約15m，洞徑D為6m，隧道鋼筋混凝土管片厚度為0.3m，樁長(zhǎng)及樁與左線隧道位置關(guān)系由根據(jù)工程實(shí)際情況確定，樁徑d為1.5m。地層根據(jù)勘察報(bào)告確定，地層參數(shù)如下表1所示。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

E/MPaνγ/kN/m3c/kPaΦ

（1）40.42202015

（4-1）100.33192120

（5-2）250.30193520

（6）450.28204522

（8）5000.3223.5100028

（9）10000.2724200030

樁基240.2————2×104

計(jì)算模型如圖3所示。采用位移邊界條件：側(cè)面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取為自由邊界。掘進(jìn)面的壓力取0.3MPa，每環(huán)的壓漿量取為建筑空隙的140%～250%，注漿壓力取為0.25Mpa，不考慮盾構(gòu)機(jī)與周?chē)馏w的摩擦作用。盾構(gòu)法施工過(guò)程采用剛度遷移法，利用激活與鈍化管片單元，來(lái)模擬盾構(gòu)機(jī)動(dòng)態(tài)前移施工。

圖3 三維數(shù)值模擬網(wǎng)格模型

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 樁基位移變化分析

由圖4可知，盾構(gòu)隧道側(cè)穿樁基的過(guò)程中，樁基主要以水平位移為主。由于盾構(gòu)隧道開(kāi)挖，土壓力釋放，使得靠近隧道處樁產(chǎn)生朝向隧道方向的位移，位移值為0.57mm，而樁頂位移則遠(yuǎn)離隧道方向，其值為1.07mm。最大位移差值為1.64mm。樁基沉降較小，為0.27mm。

（a）最大水平位移云圖 （b）最大豎向位移云圖

圖4 最大位移云圖

圖5 樁基最大水平位移曲線

由圖5可知，在盾構(gòu)側(cè)穿樁基前10m左右，樁還未受到擾動(dòng)，尚無(wú)水平位移，自穿越前5m開(kāi)始，水平位移呈線性逐步增大，盾構(gòu)恰好穿越時(shí)，位移達(dá)到0.57mm，而盾構(gòu)穿越后，由于管片和土體間存在空隙，且管片周邊土體應(yīng)力重分布，存在二次固結(jié)，因此水平位移還將有進(jìn)一步增大，在盾構(gòu)穿越后15m左右，位移達(dá)到最大值，約1.1mm。

3.2.2 樁基應(yīng)力變化分析

由圖6可知，樁基水平向最大拉應(yīng)力為0.49MPa，最大壓應(yīng)力為1.3MPa。樁基豎向最大壓應(yīng)力為4.48MPa。樁基使用C30混凝土，其最大壓應(yīng)力限制為14.3MPa，最大拉應(yīng)力限制為1.02MPa，故計(jì)算所得拉壓最大應(yīng)力均在限制以下，樁基是安全的。

（a） 樁基水平應(yīng)力云圖 （b）樁基豎向應(yīng)力云圖

圖6 樁基應(yīng)力云圖

根據(jù)計(jì)算所得樁頂、樁底位移差值及單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值（6000kN）可求得樁基在盾構(gòu)穿越過(guò)程中所產(chǎn)生的附加彎矩，經(jīng)計(jì)算附加彎矩值為9.84kN·m。該值位于較低水平，不影響樁基的正常使用。

3.2.3 盾構(gòu)管片位移變化分析

計(jì)算得出，靠近樁基處管片水平最大位移為1.79mm，豎向最大位移5.39mm，變形均不大，滿足變形限值要求。

由圖7可知，在盾構(gòu)側(cè)穿樁基前管片水平位移呈線性逐步增大，而在盾構(gòu)穿越過(guò)程中，位移有所減小，而盾構(gòu)遠(yuǎn)離后，位移又增大。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是因?yàn)槎軜?gòu)穿越樁基時(shí)，樁對(duì)管片的水平位移有所約束，導(dǎo)致位移曲線產(chǎn)生“漏斗”。但位移量均在限值內(nèi)。

圖7 管片最大水平位移曲線

綜上分析可知，盾構(gòu)隧道的穿越將對(duì)樁基產(chǎn)生一定影響，但不影響其正常使用，樁基處于安全狀態(tài)。

4 施工中的控制措施

盡管數(shù)值分析中盾構(gòu)施工不影響樁基正常使用，但是對(duì)于盾構(gòu)施工，仍然要求如下施工控制措施：

（1）在盾構(gòu)通過(guò)石崗路天橋前30環(huán)位置，進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)換刀檢修工作，同時(shí)對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行檢修。

（2）嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度及出土速度，做到慢速通過(guò)，推進(jìn)速度控制在10～15mm/min范圍內(nèi)。注意調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)盡量遠(yuǎn)離樁基，嚴(yán)禁觸碰樁基，以減小盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)樁基產(chǎn)生的震動(dòng)影響。通過(guò)石崗路天橋期間調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，土倉(cāng)頂部土壓保持在0.1～0.2bar。

（3）因石崗路為工業(yè)大道主干道，白天車(chē)流過(guò)大，盾構(gòu)穿越該樁基時(shí)在夜晚車(chē)流量小的時(shí)候進(jìn)行，以降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

（4）嚴(yán)格控制出土量防止超挖。為防止刀盤(pán)結(jié)泥餅，推進(jìn)過(guò)程中加強(qiáng)渣土控制，根據(jù)渣土干濕情況適量加水，要求渣土稀而不析。

（5）通過(guò)后二次注漿采用水泥漿，水灰比0.8。同步注漿，可減小地層損失沉降，注漿過(guò)程應(yīng)注意保證漿液的快速適量填充，同時(shí)提高漿液質(zhì)量，確保填注均勻。

（6）加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，針對(duì)樁基合理的控制標(biāo)準(zhǔn)，制定可行的應(yīng)急預(yù)案。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析計(jì)算可知，盾構(gòu)超近距離下穿該人行天橋橋樁施工，對(duì)橋樁產(chǎn)生的影響較小，樁基內(nèi)力及變形均可滿足使用要求。在后期施工中，盾構(gòu)也順利通過(guò)該人行天橋，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，橋樁最大水平位移僅1.1mm，管片收斂及變形均在限值范圍內(nèi)，實(shí)際施工結(jié)果與數(shù)值分析較為一致?？蔀轭?lèi)似工況下盾構(gòu)隧道施工提供參考。

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