盾構隧道側穿高架橋樁基條件下群樁遮攔效應分析

汪鵬程， 邵長征， 劉 志

(1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學安徽土木工程結構與材料省級實驗室， 安徽 合肥 230009)

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盾構隧道側穿高架橋樁基條件下群樁遮攔效應分析

汪鵬程1,2， 邵長征1,2， 劉 志1,2

(1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學安徽土木工程結構與材料省級實驗室， 安徽 合肥 230009)

為了研究土體c(黏聚力)、φ(內摩擦角)和樁隧間距X對群樁遮攔效應的影響，以合肥軌道交通1號線盾構隧道近距離側穿高架橋樁基群工程為背景，采用三維數值分析方法，分析了盾構掘進過程中樁基的變形規律，得出以下結論：1)樁基的位移隨著盾構開挖面的靠近逐漸增大，當盾尾離開樁基所在平面后逐漸穩定； 2)土體的c、φ值對群樁樁基水平位移、豎向位移和軸力的遮攔效應影響比較大，c、φ值越大群樁遮攔效應越不明顯； 3)樁隧間距X對樁基水平位移和軸力遮攔效應影響較為明顯，X越小樁體變形和受力越復雜，群樁遮攔效應越明顯。

數值分析； 樁基群； 遮攔效應； 樁體變形； 盾構隧道

0 引言

由2根以上的樁組成的樁基稱為群樁基礎。樁基存在于土體中會對土體的運動起到阻力效應，所以在盾構隧道開挖條件下樁基周圍土體的位移相應減小，這種使土體位移減小的效應稱為樁基的遮攔效應。樁基的實際位移是由自由土體位移和樁基遮攔位移組成，其中，土體自由位移和樁基遮攔位移的方向是相反的。由于樁和土之間相互作用的存在，群樁的內力和位移等變化明顯不同于單樁[1]。針對群樁中樁基的遮攔效應影響問題，國內外學者進行了大量的研究。

Lee等[2]和 Mroueh等[3]采用三維數值有限元方法將樁及樁基周邊土體作為一個整體，分析了隧道施工條件下對鄰近單樁和群樁的影響。黃茂松等[4]和李早等[5]采用三維數值分析方法和兩階段解析法相結合得出遮攔效應對前排樁的影響小于對后排樁的影響，其中對軸力的影響尤為明顯，而且遮攔效應對內力的影響遠大于對位移的影響。劉敦平等[6]運用三維有限元軟件對軟土運動作用下樁之間的相互作用進行了分析，并在樁土之間設置接觸單元，發現與群樁樁基中樁側的土壓力相比單樁樁側土壓力要小。林永國等[7]運用剪切位移法分析了樁體剛度對遮攔效應的影響。郭世博[8]研究了不同樁間距對遮攔效應的影響，得出結果與文獻[4]和[5]一致。張辛未[9]運用ANSYS軟件對黃土地區樁基群分析發現，豎向荷載作用下樁間距一定時，樁數越多群樁效應系數越小，且群樁效應系數的大小與樁數的多少呈現非線性關系;在樁長增加的同時，群樁效應系數逐步降低。秦世偉等[10]運用FLAC 3D和數值解對比得出已打入樁和沉樁遮攔效應隨著深度的變化而變化，遮攔效應對樁前和樁后的土體均有影響。蔣青青等[11]運用MIDAS有限元軟件分析三心圓隧道拱頂沉降的群樁效應得出，隔離樁樁長與受荷樁樁長的比值大于1.2時能獲得最好的遮攔效果。然而對盾構隧道施工條件下被動群樁遮攔效應的研究甚少。

本文在前人研究的基礎之上以合肥市軌道交通1號線隧道側穿高架橋樁基群為背景，結合現場監測分析在盾構掘進過程中群樁樁基位移的變形規律，進一步討論了不同土體c、φ值和樁隧間距X對群樁遮攔效應的影響。

1 工程概況

合肥市軌道交通1號線一期工程是合肥市軌道交通線網中南北向骨干線路。線路里程為K4+352.181～K28+866.517，全長約為24.6 km，全部為地下線，共設23座車站、23個區間、1個車輛段、1個停車場和1個控制中心，施工主要采用盾構法，盾構多次近距離側穿高架橋和建筑物，工程地質條件和施工技術非常復雜。本文分析在1號線某段區間內穿越高架橋樁基群，樁長25 m，樁半徑為0.8 m，群樁為2×2群樁，樁間距為2.4 m，樁距離隧道中心軸線為9 m，如圖1(a)所示。

2 有限元模型

2.1 計算模型

考慮樁-土間相互作用的三維模型如圖1(b)所示，隧道直徑6.25 m，隧道中心線距離地表15 m。為了盡可能減小邊界效應造成的影響，選取的模型尺寸為60 m×45 m×60 m(x×y×z)。

(a)計算模型

(b)網格劃分模型

Fig. 1 Pile group (2×2) adjacent to shield tunnel (m)

2.2 材料參數

本文所取區間范圍內依據巖土工程勘察報告，將地層綜合歸并為土體和基巖2層材料的巖土體[12]。合肥地區土層符合Mohr-Coulomb模型的使用條件，因此建模采用Mohr-Coulomb本構模型。盾構殼體、承臺、注漿體和管片材料選用線彈性材料，樁基采用樁單元，樁與土接觸面采用無厚度的Goodman單元[13-14]，樁單元計算參數見表1，材料基本力學參數見表2。

表1 樁單元計算參數

表2 材料基本力學參數

Table 2 Mechanical parameters of materials

材料密度/(kg/m3)彈性模量/GPa泊松比黏聚力/kPa內摩擦角/(°)土體19600.050.302020基巖2600100.28210035注漿體24000.050.35管片2500350.17盾構鋼殼78502060.30樁2620350.24

2.3 盾構施工模擬

2) 判斷塞規直徑是否在激光測徑儀量程內，如果不在，抬升塞規。抬升的高度根據塞規的直徑進行調整，使塞規的輪廓最低點處于激光測徑儀的測量范圍內；

對盾構施工過程的模擬運用有限單元法[14]，不考慮土體的后期固結和流變。盾構法施工工序比較復雜，能夠較全面地模擬實際施工情況，能更真實地反應出施工過程對周邊環境的影響。單元材料隨盾構推進變化情況如圖2所示，具體階段如下：

(a)

(b)

Fig. 2 Unit material variations vs. shield advancing

2.3.1 土體開挖階段

根據經驗一般將盾構的推進力設置為總推力的1/3，對開挖土體表面施加均布荷載0.169 MPa模擬推進力。在模擬隧道開挖時，不同開挖步長對計算結果的影響較小。為了節省計算時間，本文取盾構向前推進的步長為1.5 m，開挖30步，共開挖60 m。

2.3.2 注漿階段

盾尾注漿是通過4個注漿孔把漿液注入襯砌(管片)和土層的空隙內，4個注漿孔的注漿壓力不相等。雖然底部2個注漿孔的注漿壓力比較大，但是影響范圍有限，如果對整個隧道周邊的土體施加均勻的注漿壓力，這與實際情況會有很大的差別。參考文獻[15]的取值，本文模擬中取均布注漿壓力為0.3 MPa。通過在隧道周邊施加均布荷載實現注漿壓力的模擬，支護管片時激活注漿壓力，在下一個開挖步開始時鈍化。

2.3.3 襯砌(管片)拼裝階段

3 計算結果及分析

3.1 樁基變形規律

根據布置在橋墩的監測點，分析盾構掘進對樁基沉降和側移的影響，工程實際監測中分別采用全站儀和水準儀測量樁基的水平位移和沉降值。根據實際監測要求分別對盾構到達前、盾構穿越時和盾構通過后3個階段進行重點監測，監測方案要求盾構通過時按3次/d測量。

樁基的水平位移和豎向位移隨著開挖面推進的變化情況如圖3所示。由圖3可知，樁基的水平位移和豎向位移隨著盾構開挖面逐漸靠近樁基所在平面而不斷增大，當盾構的尾部到達樁基所在橫截面時，樁基位移變形達到最大值，隨后逐漸減小直至最終穩定。這主要是因為當盾構尾部到達時，由于盾尾的卸荷作用使得土體產生相對較大的位移，從而引起樁基運動，當盾構尾部通過樁基平面后土體變形開始趨于穩定，進而樁基的變形也逐漸穩定。因此，對于樁基所在土質不好或者對樁基變形有嚴格控制要求的工程，在盾構開挖面快要到達樁基截面之前應該加大監測頻率，盾尾通過后可以適當減少。由圖3可以看出，本文模擬結果與實測結果取得了很好的一致性。

圖3 樁基變形隨盾構掘進的變化

Fig. 3 Pile foundation deformation vs. distance between pile foundation and shield head

3.2 遮攔效應分析

為了更好地探究盾構法施工條件對樁基群的影響，筆者在上述研究的基礎上，取單一土層進行分析，即只在表2中取土體的材料參數，不考慮基巖，其他參數不變，討論土體c、φ值和樁隧間距X的單個因素變化對群樁遮攔效應的影響。為了方便分析，現定義群樁遮攔效應系數公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

圖4和圖5為土體不同c值時樁基的附加位移和附加內力結果圖，圖6和圖7為土體不同φ值時樁基附加位移和附加內力結果圖。從圖5—8可以看出，樁體附加位移和附加內力隨著c、φ值的增大而減小。這是由于土的抗剪強度隨著土的黏聚力和內摩擦角的增大而增加，其抵抗變形的能力也增強，從而樁基的附加位移和附加內力也就越小。不同c、φ值時遮攔效應系數見表3，由表3可知，附加內力的遮攔效應系數幾乎全大于10%，尤其是軸力； 而附加位移幾乎全小于10%，尤其是水平位移。 這說明盾構施工條件下對位移的遮攔效應影響遠低于對內力的影響，特別是是軸力，且前排樁的遮攔效應系數總是小于后排樁的遮攔效應系數，這表明后排樁的遮攔效應比前排樁的遮攔效應明顯，這與文獻[3]和[4]得到的結果一致。由得到的遮攔效應系數可以看出，增大土體c、φ值遮攔效應系數呈現減小的趨勢，即c、φ值越大單樁和群樁中同樁位處附加位移和附加內力相差越小，遮攔效應越不明顯。由此可以推測出，當黏聚力和內摩擦角足夠大時，單樁和群樁中同樁位處樁基的附加變形位移和附加內力是幾乎一樣的。由表3可知，c從20到40時前排樁水平位移、豎向位移、彎矩和軸力遮攔效應系數分別減小了22%、19.6%、9%和22%，后排樁減小了20%、17%、8.4%和21%；c從40到60時前排樁水平位移、豎向位移、彎矩和軸力遮攔效應系數分別減小了17%、12%、5%和14%，后排樁減小了13%、9.6%、2%和11%。c值變化對水平位移、豎向位移和軸力的影響比較大，前排樁受c值變化影響大于后排樁。φ從10°到20°時前排樁水平位移、豎向位移、彎矩和軸力遮攔效應系數分別減小了45%、39%、21%和27%，后排樁減小了33%、21%、19%和24%；φ從20°到30°時前排樁水平位移、豎向位移、彎矩和軸力遮攔效應系數分別減小了45%、39%、21%和27%，后排樁減小了33%、21%、19%和24%。φ值變化對樁體的影響和c值變化對樁體的影響效果是一樣的。

(a) (b) (c) (d)

圖4c值對群樁遮攔效應的影響(前排樁)

Fig. 4 Influence ofcon shielding effect of pile group (front pile)

(a) (b) (c) (d)

圖5c值對群樁遮攔效應的影響(后排樁)

Fig. 5 Influence ofcon shielding effect of pile group (back pile)

(a) (b) (c) (d)

圖6φ值對群樁遮攔效應的影響(前排樁)

Fig. 6 Influence ofφon shielding effect of pile group (front pile)

(a) (b) (c) (d)

圖7φ值對群樁遮攔效應的影響(后排樁)

Fig. 7 Influence ofφon shielding effect of pile group (back pile)

表3 不同c、φ值時遮攔效應系數

Table 3 Shielding effect coefficient under differentcvalues andφvalues

%

圖8和圖9為樁距隧道軸線不同距離X時樁基附加位移和附加內力結果圖。由圖8和圖9可知，樁基的附加位移和附加內力都隨與隧道軸線距離的增加而減小，而且距離隧道軸線越近其樁身變形和受力越復雜。這主要是由于隧道周圍的土體距離隧道軸線越近土體受到擾動越大，變形越大，從而帶動樁基變形也就越大。不同X時遮攔效應系數見表4，由表4可知，X從2 m到9 m時前排樁水平位移、豎向位移、彎矩和軸力遮攔效應系數分別減小了74%、29%、33%和45%，后排樁減小了59%、25%、31%和47%，水平位移受到樁隧間距影響最大，其次是軸力，受影響最小的是豎向位移；X從9 m到15 m時前排樁水平位移、豎向位移、彎矩和軸力遮攔效應系數分別減小了15%、14%、16%和24%，后排樁減小了9%、11%、10%和18%，此種情況下只有軸力受樁隧間距影響相對較大。從樁體遮攔效應系數減小比例可知，樁體距離隧道軸線越近，前排樁的遮攔效應系數和后排樁的遮攔效應系數相差越大，即群樁的遮攔效應越明顯。當樁體遠離隧道軸線一定距離時，遮攔效應不再明顯，尤其是對附加位移的影響。這是因為群樁的存在會對周圍土體起到“加筋”作用，且距離隧道軸線越近“加筋”效果越明顯，從而很大程度上抑制了土體的變形，表現出來就是群樁中前排樁基的變形和內力比后排樁大很多，當距離足夠遠時“加筋”作用的遮攔效果將不再明顯。

(a) (b) (c) (d)

圖8X值對群樁遮攔效應的的影響(前排樁)

Fig. 8 Influence ofXon shielding effect of pile group (front pile)

(a) (b) (c) (d)

圖9X值對群樁遮攔效應的的影響(后排樁)

Fig. 9 Influence ofXon shielding effect of pile group (back pile)

表4 不同X時的遮攔效應系數

Table 4 Shielding effect coefficient under differentXvalues %

樁ηDηSηBηAX=2m前排樁8.87.916.426.3X=2m后排樁10.28.720.332.0X=9m前排樁2.35.611.014.4X=9m后排樁4.26.514.017.0X=15m前排樁2.04.89.211.0X=15m后排樁3.85.212.614.0

4 結論與討論

采用三維數值分析方法，結合現場監測數據分析了盾構掘進過程中群樁樁基位移的變形規律，在此基礎上分析了群樁遮攔效應系數在不同土體c、φ值和樁隧間距X時的情況，得到以下結論：

1)數值計算和模擬結果表明，在盾構隧道施工過程中，當盾構開挖面接近樁基平面時樁基稍微隆起，豎向位移減小； 當盾構尾部通過樁基平面時樁基達到最大變形，隨后逐漸穩定。

2)土體的c、φ值越大，樁隧間距X越小，樁基變形和內力越復雜。土體的c、φ值越大，群樁樁基的豎向位移和水平位移越小，當c≥60或者φ≥30°時，群樁中后排樁基的豎向變形和水平變形對樁基的影響幾乎可以忽略。樁隧間距X越小對樁基彎矩的影響越明顯，當X≤2 m時樁基彎矩越復雜。

3)土體的c、φ值越大，樁隧間距X越小，遮攔效應越不明顯，c、φ值的變動對樁體水平位移、豎向位移和軸力的影響比較大，樁隧間距X對水平位移和軸力影響較為明顯。

本文研究了不同土體c、φ值和樁隧間距X時2×2群樁的遮攔效應，對于多于2×2的群樁未做進一步研究，建議進一步對此進行后續研究。

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Analysis of Shielding Effect of A Pile Group to Shield Tunneling nearby Pile Foundation of Viaduct

WANG Pengcheng1, 2， SHAO Changzheng1, 2, LIU Zhi1, 2

(1.SchoolofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,Anhui,China; 2.AnhuiKeyLaboratoryofCivilEngineeringandMaterials,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,Anhui,China)

The deformation rules of pile foundation of viaduct induced by shield tunneling nearby are analyzed by 3D numerical analysis method, so as to learn the influences of soil cohesive strengthc, internal friction angleφand distance between pile and tunnel axial lineXon shielding effect of a pile group, by taking shield tunnel of Hefei Metro Line No. 1 crossing nearby pile foundation of viaduct for example. Some conclusions are drawn as follows: 1) The displacement of the pile foundation increases with the distance between pile foundation and shield head decreases; and the displacement of the pile foundation becomes stable when shield tail passed. 2) Thecandφof soil affect the shielding effect of pile group to horizontal displacement, vertical displacement and axial force a lot; and the shielding effect of pile group decreases with thecorφincreases. 3) The influence ofXon shielding effect of pile group to pile foundation is obvious; and the shielding effect of pile group decreases with theXdecreases.

numerical analysis; pile foundation group; shielding effect; pile deformation; shield tunnel

2015-12-07；

2016-03-09

國家自然基金面上項目(51179043)

汪鵬程(1968—),男，安徽銅陵人,2005年畢業于浙江大學，巖土工程專業，博士,副教授，主要從事巖土與地下結構工程設計方向的研究工作。E-mail: zjuwangpc@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.004

U 455

A

1672-741X(2016)07-0793-07