盾殼摩擦對鄰近單樁工作性狀影響的研究

鄭 剛,路 平,張穩軍(天津大學建筑工程學院,濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室(天津大學),天津300072)

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盾殼摩擦對鄰近單樁工作性狀影響的研究

鄭 剛,路 平*,張穩軍
(天津大學建筑工程學院,濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室(天津大學),天津300072)

摘要:盾殼摩擦作用下土體受到擠壓和剪切,可引起臨近樁身所受彎矩和變形顯著增加.本文建立了考慮盾殼摩擦作用的三維有限元模型,研究了盾構掘進過程中不同盾殼摩擦作用對鄰近單樁工作性狀的影響,并以天津地鐵東南角站至建國道站區間盾構工程為依托,結合盾構掘進參數及地表沉降的監測結果進行驗證.研究結果表明,考慮盾殼摩擦作用的盾構掘進會引起土體沿掘進方向的水平位移顯著增大;盾殼摩擦的增大會造成鄰近單樁樁頂沉降、沿掘進方向的樁身水平側移和樁身彎矩增大,而對樁側摩阻力、垂直于掘進方向的樁身水平側移和彎矩影響微弱;盾殼摩擦對樁頂沉降的影響具有滯后性,當盾構機脫離樁身后,對其變形更需要嚴格控制.

關鍵詞:盾構隧道;盾殼摩擦;單樁;變形;彎矩

隨著城市軌道交通的發展,地鐵線路常下穿復雜地下環境的城市中心地區,采用盾構法施工必然會造成土體擾動,并對鄰近構筑物如建筑樁基礎等產生影響.目前,國內外學者主要從數值模擬、試驗分析、監測分析和理論推導4個層面進行了研究.朱逢斌等[1]結合離心試驗結果,采用摩爾庫倫本構關系進行數值模擬,研究軟土地區盾構隧道開挖對不同位置鄰近樁基的影響規律.Jongpradist等[2]和王明年等[3]通過數值模擬分析了盾構掘進過程,并根據臨近樁基的不同響應劃分了盾構影響分區.Dias等[4]綜合里昂地鐵監測數據和數值模擬,研究了不同施工階段下土體位移.廖少明等[5]用邊界元方法模擬分析了新建隧道對既有隧道的影響,并提出盾殼摩擦是影響土體位移的主要因素,且影響具有滯后性.袁海平等[6]基于橋樁結構耦合彈簧力學計算原理與有限差分方法,分析盾構推進過程中橋樁受力、水平變形、地層沉降的變化規律,探討樁實體結構單元彎矩、剪力計算方法的可行性.梁榮柱等[7]利用彈性力學的Mindlin解推導掌子面推力、盾殼摩擦、注漿壓力和盾尾空隙造成的地表變形計算公式并通過實測結果進行驗證.

徐澤民等[8]介紹了天津地鐵3號線下穿歷史風貌建筑時由于盾殼摩擦過大導致的事故.該工程左線在接收過程中由于漏水漏沙而停機采取多次注漿加固,期間雙液漿硬化并固結在盾殼表面,造成盾殼與土體摩擦力增大.盾構機恢復掘進后,以54 MN的較大頂推力仍難以掘進,對地層造成很大的擾動,盾尾后建筑不同位置在10 d內出現30～90 mm的較大沉降.清理完盾殼表面的漿體后盾殼摩擦減小,盾構能正常掘進且對上部建筑沉降增量可控制在正常范圍之內.

綜上可見,盾殼摩擦對周圍地層及結構物如樁基礎的影響不可忽視,而現有研究關于盾殼摩擦對臨近單樁的變形及受力的研究相對較少.故本文采用考慮盾殼摩擦的影響對盾構施工過程進行三維有限元模擬,結合東南角站至建國道站區間的地表實測結果進行驗證,分析了周圍土體的變形模式,并在此基礎上研究了盾殼摩擦不同時對鄰近單樁工作性狀的影響.

1 有限元模型

1.1模型尺寸

由于對空曠場地(greenfield)下的研究更具有代表性,本文研究場地范圍取自天津地鐵東南角站至建國道站區間左線第311～360環,共50環,該區段地表建筑較少,場地平坦,盾構施工前土體未受到明顯擾動.

為了降低邊界效應對模擬計算結果的影響,本文計算模型沿掘進方向(y向)總長度取90 m,且僅對中間50環(60 m)的地表沉降進行分析驗證,并設y=15 m處為研究的第1環,y=75 m處為研究的第50環.模型沿垂直于掘進方向(x向)寬度100 m,深度方向(z向)60 m,模型的網格劃分如圖1和表1.側面及底面位移施加法向約束,水位位于地表并設為排水面.

圖1　網格尺寸及地層示意圖Fig.1 The finite element mesh and the strata profile

隧道覆土厚度約為17 m.隧道管片采用目前國內通用的寬1.2 m的鋼筋混凝土預制管片,外徑6.2 m,內徑5.5 m.

在模型研究的第25環側方加入了單樁的模擬.單樁采用1 m×1 m的方樁,樁長30 m,樁身外皮與盾構最小凈距為6 m.根據計算得到單樁的荷載(Q)-沉降(s)曲線,確定單樁極限豎向承載力為7.8 MN,考慮安全系數的影響取樁頂豎向荷載效應為2 MN.

表1　土層劃分及組成Tab.1 Division and composition of soil layer

表2　土層物理力學指標Tab.2 Physical and mechanical properties of soil layer

1.2土體及結構參數

土體采用C3D8P孔壓單元(共43 200個單元, 46 614個節點,139 842個自由度),本構關系采用修正劍橋彈塑性模型模擬,并假定研究范圍內的土體為水平均勻分布且各向同性,將研究范圍內的土體簡化成7層土,如圖1所示.其參數通過現場取樣進行室內固結慢剪試驗(M)和回彈固結試驗(λ和κ)得到,各土層的物理力學參數見表2.

盾構殼體、管片采用線彈性殼單元S4R模擬(共1 200個單元,1 224個節點,7 344個自由度),注漿體采用實體單元C3D8R模擬(共1 200個單元,2 448個節點,7 344個自由度),單樁采用實體單元C3D8R模擬(共30個單元,124個節點,372個自由度).盾構機長度為8.4 m,重度定義為盾構機實際重量(2.2 MN)與模型中體積之比,彈性模量與泊松比按照鋼材選取[9],見表3.對于裝配式襯砌采用修正慣用法簡化成整體結構計算,并引入管片剛度有效率η=0.75[10]來考慮接頭造成的管片剛度降低;對于注漿體綜合考慮注漿壓力、硬化時間、盾尾間隙、注漿不及時[11]等因素,并根據張云等[12]對等代層的研究,結合天津軟土地區的工程特點,將彈性模量(E)取為1.2 MPa,厚度取為10 cm.

本研究中為了模擬接觸界面的相對切向滑移,采用Coulomb摩擦定律來模擬摩擦接觸并計算極限摩擦力.盾殼-土、樁-土等接觸界面的摩擦性狀由兩個參數來確定:一個是臨界滑移γcrit(γcrit表示界面黏結在一起時允許發生的少量相對滑移變形),另一個是界面摩擦系數μ.根據Lee等[13]的研究,當γcrit為5 mm 時,摩擦力能夠得到充分發揮,如圖2.盾殼與土體之間摩擦接觸的μ取為0.2[14],盾尾與已安裝管片、管片與注漿體的μ設為0.4[15],樁身與土體之間的μ設為0.35[16].

表3　結構物物理力學指標Tab.3 Physical and mechanical properties of the structures

圖2　臨界剪應力與滑移示意圖Fig.2 Sketch of critical shear stress and sliding

1.3模擬方法

采用“剛度遷移法”來模擬盾構向前推進的過程,每推進一步(長度為一環管片寬度)[17],相應的土體被挖出,新的盾構機、管片與注漿體單元也隨即生成,掘進模擬中盾構機后盾始終有一環已安裝管片且暫不考慮管片安裝與盾構停機的影響,如圖3所示.

圖3　模型受力示意圖Fig.3 Sketch of the model considering different forces

挖出土體單元的同時在開挖面施加梯形分布側向壓力來模擬掌子面壓力,與所在深度位置的水土側向壓力相平衡.根據本工程盾構機掘進參數施工記錄,模型中取掌子面壓力pN=0.75γZ(γ為土體按層厚的加權重度,Z為土體深度).盾殼摩擦力Ff簡化為千斤頂總頂推力F與掌子面推力FN的差值[14],并平均施加在盾構機單元的每個節點上,以此來模擬控制盾殼與土體間的摩擦.模型中根據該研究區段的50環盾構機施工記錄,采用盾殼摩擦平均記錄值8.7 MN,如圖4所示.而實際掘進施工中為了控制盾構機姿態,刀盤切削方向是隔環交替轉動的,刀盤扭矩對周圍土體的影響存在抵消效應而可忽略,因此本文未考慮刀盤扭矩的影響.

圖4　盾殼摩擦施工記錄Fig.4 Measured data of skin friction

2 計算分析結果

2.1計算結果驗證

2.1.1地表縱向沉降曲線

圖5所示為盾構掘進過程中刀盤分別位于第20環和第30環時地表縱向沉降曲線的計算值與實測值,其中數值分析過程中所施加的盾殼摩擦力是基于實測結果取其平均記錄值8.7 MN來考慮的.由于只對計算模型中部50環的地表縱向沉降進行研究,故分析土體沉降時已將先期沉降扣除.可以看出,圖5中2個時刻地表縱向沉降的計算值與實測值是基本吻合的,只是在第1環和第15環附近,實測結果與計算結果差異較大.這主要是因為實際場地監測時易受到場地周圍地面荷載及偶然荷載的影響;另外盾構掘進過程中盾構姿態的調整、盾尾注漿壓力的波動以及注漿是否及時等因素也是造成偏差的原因.

圖5　不同施工階段地表豎向位移曲線Fig.5 Vertical displacement curves on the ground during different construction stages

刀盤位于第20環時,盾構掘進導致盾構后方土體產生沉降,刀盤后方20環(第0環)處地表沉降為8.1 mm.刀盤前方3環(第23環)之前的地表土體產生約1.0 mm的輕微隆起.

刀盤位于第30環時,地表沉降規律與刀盤位于第20環時類似,且刀盤后方30環處地表沉降在8.6 mm附近.由此可見,本工程當刀盤通過地表20環(約4D,D為盾構直徑)的距離后,由于土體固結產生的地表沉降已基本完成而趨于穩定.

2.1.2地表沉降時程曲線

將對應的第20環正上方地表沉降計算點與實測結果的沉降時程發展進行對比,分析其沉降隨掘進過程的變化規律,沉降時程曲線如圖6所示.可以看出,地表沉降計算值從原點(第0天)開始,隨著盾構掘進過程的發展呈現先隆起后沉降的趨勢,在刀盤到達之前(第3天)開始沉降,盾構通過階段持續沉降,盾構脫出之后(第5天)由于盾尾注漿層壓縮變形使得沉降發展加速,隨后直至第8天基本趨于穩定.第20環上方地表實測結果與計算結果基本吻合但略有區別,該處實測結果基本表現為沉降.這是由于實際盾構掘進過程中頂推力不均勻以及刀盤超挖等因素引起土體擾動程度加大造成.

圖6　第20環上方地表測點沉降隨掘進過程變化曲線對比Fig.6 Comparison of the ground settlement-advancing process curves at measured points above ring 20

綜上所述,本文有限元模擬計算結果與實測值基本吻合,從而驗證了本文所采用的數值模擬方法及參數選取的合理性,因此在此基礎上進行以下深入的分析是可靠的.

2.2盾殼摩擦時土體變形模式

為了定性考察盾殼摩擦的存在是否會對土體的變形模式產生影響,本節只針對無摩擦和實測平均盾殼摩擦水平下(即平均記錄值8.7 MN)的結果進行比較分析,以研究不同盾殼摩擦水平下的變化規律.

圖7為刀盤到達和盾尾脫出時距隧道中心線水平距離分別為0,6,12 m的土體分層沉降.由圖7可知,刀盤到達時隧道上方土體沉降,且沉降隨土體深度增加而增加.隧道下方土體隆起,且隆起量隨深度增加而減小.盾尾脫出后由于盾尾空隙、卸荷等作用,沉降和隆起繼續發展.距離6 m的土體分層沉降與中心線位置處的變形存在著相似的規律,只是變形幅度有所減小,距中心線12 m的土體受隧道掘進影響很小,其變形基本可以忽略.

對比考慮盾殼摩擦作用和不考慮摩擦作用土體分層沉降可知,對于盾構下方土體,摩擦作用影響很小;考慮盾殼摩擦造成盾構上方土體在刀盤到達時沉降變小,這是由于盾殼摩擦產生的擠壓作用使刀盤前方土體水平向主應力提高,土體發生類似于側向加載時的豎向膨脹造成盾構上方土體隆起所致.盾尾脫出后,土體繼續固結沉降,沉降值變大并趨于穩定,這是由于盾尾脫出后盾殼摩擦可以減小盾尾周圍土體的圍壓使得土體的水平向主應力減小,土體發生類似于側向卸載時的豎向壓縮所致.

此外還可根據土體分層沉降將盾構開挖對土體影響分為沉降區、隆起區和弱影響區,如圖7所示.若隧道掘進范圍附近有樁基礎處于隆起區和沉降區內,則樁基礎上部會受到土體向下的變形傳遞,下部會受到土體向上的變形傳遞,故對樁基礎的正常工作狀態產生不利影響.

圖7　土體分層沉降Fig.7 Subsurface ground vertical movement

由圖8所示,掌子面前方土體沿掘進方向最大水平位移uy出現在掌子面正前方,地表最大水平位移發生在掌子面斜上方.考慮盾殼摩擦造成的掌子面前方土體最大位移為7 mm比不考慮摩擦的3 mm增大了約133%,故可以得出盾殼摩擦是造成土體沿掘進方向水平位移的主要因素.

圖8　掌子面前方縱斷面掘進向水平位移uy等值線Fig.8 Contours of horizontal movement uyahead tunnelling face along advance direction

由圖9所示,掌子面前方土體垂直于掘進方向最大水平位移ux出現在隧道兩側,最大值發生在距隧道邊緣約1倍盾構直徑處(x=10 m).由圖9(a)、(b)對比可知,考慮盾殼摩擦時比不考慮盾殼摩擦時的ux最大幅值增大了約64%,但隨著與隧道距離的增大,考慮盾殼摩擦時ux變化與不考慮盾殼摩擦的差異逐漸減小.盾殼摩擦會使土體產生更大的沿垂直于掘進方向的水平變形,并會傳遞到鄰近樁基使其產生撓曲變形,使樁基處于偏心受力的不利工作狀態.

綜上,當在盾構掘進的較近范圍內存在對正常使用要求較高的樁基礎時,需要考慮盾殼摩擦對其產生的不利影響.

圖9　掌子面前方橫斷面土體垂直于掘進向水平位移ux等值線Fig.9 Contours of horizontal movement uxahead tunnelling face perpendicular to advance direction

3 不同盾殼摩擦對單樁的影響

由于實際掘進地層存在變異性會導致盾殼摩擦突變,比如局部存在細砂層,施工中會通過中盾盾殼的徑向孔注入膨潤土潤滑,如圖10所示.盡管如此,盾構施工記錄表明盾構掘進中的盾殼摩擦波動仍較大.根據圖4所示該區間盾構掘進的施工參數記錄,分別計算了盾殼摩擦力為3種工況.由于覆土厚度不變,故盾殼所承受土體的法向壓力是固定的,對應的摩擦系數可根據差值法得到,即依次為0.22,0.17,0.11,用來對比分析不同盾殼摩擦時盾構掘進對鄰近單樁9.6,7.2,4.8 MN工作性狀的影響.

圖10　徑向孔注入膨潤土示意圖Fig.10 Sketch of the bentonite injection from radial hole

3.1對樁頂沉降的影響

圖11為樁頂沉降隨掘進過程的變化曲線,可見樁頂沉降在盾構機通過樁身之后盾殼摩擦的影響較明顯,盾殼摩擦越大,樁頂的最終沉降越大.盾殼摩擦較大時最終沉降(2.1 mm)比盾殼摩擦較小時最終沉降(1.5 mm)增大了約40%.這是由于較大的盾殼摩擦更大程度地減小了盾尾后方土體的圍壓,導致土體更易被豎向壓縮而沉降變大,從而土體帶動樁身下沉使其沉降也變大.這也說明了盾殼摩擦對周圍土體及單樁影響具有滯后性,當盾構機脫離樁基礎以后,對其變形影響更需要嚴格控制.

圖11　不同盾殼摩擦時樁頂位移曲線對比Fig.11 Comparison of the settlement curves of pile top with different skin friction

3.2對水平位移的影響

樁身2個方向的水平位移與土體水平位移規律相同,最大水平位移均產生在隧道埋深附近.不同盾殼摩擦下樁身2個方向水平位移的變化見圖12.不同盾殼摩擦下垂直于盾構軸線方向樁身水平位移沿深度分布曲線變化不大,與圖9所示的土體變形規律相似.平行于盾構軸線方向樁身產生沿掘進方向水平變形,且隨著盾殼摩擦的增大,樁身水平位移也增大,位移增幅最大的位置仍處于隧道埋深附近,如圖12(b),其原因是盾殼摩擦的方向是沿隧道掘進方向的,盾殼摩擦增大造成土體沿掘進方向產生增大的水平附加應力,進而帶動樁身位移增大.

3.3對樁身受力的影響

3.3.1樁身側摩阻力

圖13為樁身側摩阻力沿深度分布曲線,由圖13 (a)可見盾構開挖引起的隧道以上樁身側摩阻力先增大后減小,最終產生負摩阻力;隧道下方樁身側摩阻力先減小后增大,這是由于盾構掘進造成上方土體先隆起后沉降,樁土之間產生相對滑移所致.不同盾殼摩擦對樁身最終側摩阻力的分布影響很小,只是在隧道埋深范圍內側摩阻力有輕微降低,即對樁的承載力影響不明顯,如圖13(b),這是因為盾殼摩擦對樁身的法向壓力影響并不大.

圖12　不同盾殼摩擦時樁身水平位移Fig.12 The horizontal displacement curves of the pile with different skin friction

圖13　側摩阻力隨樁深度變化Fig.13 The side friction changed with the depth of pile

3.3.2樁身彎矩

圖14為樁身彎矩沿樁深度方向的變化,其中彎矩值是由數值計算所得到的應力進行積分后導出的. 圖14(a)中彎矩My主要是通過隧道-樁間土的壓應力傳遞,由樁身產生沿垂直于盾構掘進方向的撓曲變形所引起的,My以樁遠離隧道側受拉時為正.隧道埋深處正彎矩最大,下方負彎矩最大,這是由于樁身受到隧道側向變形和隧道下方土體約束作用所致;埋深9 m附近樁身正彎矩也較大,是由于該處土層剛度較大,對樁約束較強,而上方土層剛度較小,在樁頂荷載下,樁發生側向變形所導致.可以看出,考慮不同盾殼摩擦時樁身My的幅值變化不大,這主要也是因為盾殼摩擦的方向與其相垂直所致.

沿盾構掘進方向的樁身彎矩Mx主要是通過隧道-樁間土的剪應力傳遞產生,其最大值小于My,并以樁身外法線指向掘進方向側受拉為正,其分布如圖14(b)所示.由于掌子面壓力和盾殼摩擦使得盾構直徑范圍內的樁產生沿掘進方向的位移,同時由土體對樁身的約束作用使其彎矩分布呈“M”型.盾殼摩擦越大,樁身產生沿掘進方向的撓曲變形越大,故Mx也隨之增大.

圖14　不同盾殼摩擦下樁身彎矩圖Fig.14 Bending monment diagranms of piles in different skin friction

綜上所述,盾殼摩擦的增大對鄰近單樁樁頂沉降、沿盾構掘進方向的樁身水平位移和樁身彎矩Mx影響較大,而對樁身側摩阻力和垂直于掘進方向的樁身彎矩My影響較小.過大的樁身水平位移和樁身彎矩會使混凝土樁開裂、鋼筋銹蝕等,因此當盾構掘進的鄰近區域存在樁基時,需要重點評估盾殼摩擦對樁基的不利影響.

4 結 論

本文利用有限元模擬了考慮盾殼摩擦的盾構隧道掘進過程,并與工程實測結果進行了對比驗證.在此基礎上分析了不同盾殼摩擦對土體變形的影響模式,討論了盾殼摩擦對于鄰近單樁位移和受力的影響,主要有以下結論:

1)盾殼摩擦對周圍土體的變形影響模式為使地表下土體產生平行于掘進方向水平位移,且位移值隨著盾殼摩擦的增大而增大;平行于掘進方向的土體最大水平位移發生在盾尾脫出時,盾構埋深附近;盾殼摩擦對垂直于掘進方向的土體水平位移影響較小.

2)考慮盾殼摩擦的盾構掘進過程中,土體受到盾殼摩擦的影響產生變形,并傳遞給鄰近單樁使其產生更大的沉降和沿掘進方向的水平位移;盾殼摩擦的方向是沿隧道掘進方向的,盾殼摩擦的增大對鄰近單樁沿掘進方向樁身彎矩Mx的增大影響較大,而對樁身側摩阻力和垂直于掘進方向樁身彎矩My影響較小.

3)盾殼摩擦對單樁工作性狀的影響主要表現在對樁身變形的影響,且盾殼摩擦對樁頂沉降的影響具有滯后性,當盾構機脫離樁基礎后,對其變形影響更需要嚴格控制.

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Study on the Influence of Shield Skin Friction on Adjacent Single Pile

ZHENG Gang,LU Ping*,ZHANG Wenjun
(Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety(Tianjin University),Ministry of Education, School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Abstract:The skin friction induced compression and shear in the soil will significantly increase the bending moment and deformation of adjacent piles.A three-dimensional finite element model is established to investigate the impact of changing skin friction during the process of shield tunneling on the adjacent single pile.The predicted data are compared with the measured counterpart of the section between Dongnanjiao Station and Jianguo Road Station in Tianjin Metro in terms of driving parameters and ground settlement.The study shows that the horizontal movement of the soil along the advance direction will greatly increase when the skin friction is taken into account.The increase in the skin friction largely increases the calculated settlement,horizontal deflection,and bending moment of the single pile along the advance direction,while the contribution of the skin friction to the pile side friction,the horizontal deflection, and bending moment perpendicular to the advance direction is negligible.Meanwhile,the skin friction exerts a lagging effect on the settlement of pile top.Therefore,stricter deformation-control measures should be taken after the shield departs from the pile.

Key words:shield tunneling;skin friction;single pile;deformation;bending moment

*通信作者:paul1986612@126.com

基金項目:國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2010CB732106);海南大學科研啟動基金(KYQD1565)

收稿日期:2015-03-28 錄用日期:2015-06-12

doi:10.6043/j.issn.0438-0479.2016.02.025

中圖分類號:TU 91

文獻標志碼:A

文章編號:0438-0479(2016)02-0297-08

引文格式:鄭剛,路平,張穩軍.盾殼摩擦對鄰近單樁工作性狀影響的研究[J].廈門大學學報(自然科學版),2016,55(2): 297-304.

Citation:ZHENG G,LU P,ZHANG W J.Study on the influence of shield skin friction on adjacent single pile[J].Journal of Xiamen University(Natural Science),2016,55(2):297-304.(in Chinese)