盾構近接立交橋基礎安全影響三維數值分析*

賴金星，劉厚全，汪　珂，馮志華，向　陽

(1. 長安大學 公路學院，陜西 西安 710064； 2. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安710043)

0　引言

隨著城市的快速發展，地鐵成為緩解城市交通壓力的重要而有效的途徑。盾構法憑借其施工快、安全和對周圍影響小等優點，成為地鐵建設的主要施工方法[1-2]。然而，在城市進行盾構施工時，不可避免要遇到下穿或近接既有結構。其中，盾構施工對土層的擾動導致近接的樁基礎承載力降低，并且施工中的附加荷載使樁基礎產生較大的變形，從而導致樁基礎內力發生變化，因此，盾構下穿或近接既有樁基礎是城市建設中面臨的一個重要的難題[3]。

目前，在盾構近接樁基礎工程方面的研究已取得了較豐富的成果，總結起來可以分為理論分析、模型試驗與數值仿真分析3個方面。Cheng等[3]提出了一種模擬隧道開挖的DCM法，并基于此進一步探索了隧道施工對樁基的影響；Loganathan等[4]提出了計算盾構施工引起的地層位移場的解析解，并對在該位移場作用下的鄰近樁基的內力和位移進行了分析；王明年等[5]基于有限差分法和最小二乘法原理，對盾構近接高架橋樁基的影響分區進行了研究，并確定各類樁基沉降集中區；Motorn[6]最先采用常規模型試驗方法對盾構施工對鄰近樁基的影響進行研究； Jacobsz等[7-9]開始采用離心模型試驗對盾構引起的地層與樁基礎變形以及樁基承載力的變化規律等進行了研究。而國內這此方面的研究主要以數值模擬方法為主，袁海平等[10]基于有限差分方法研究了鄰近樁基的結構受力、水平變形以及地層沉降隨盾構推進過程的變化規律；郭一斌等[11]基于有限元方法研究不同盾構深度對鄰近的立交橋超長樁承載特性、變形和內力的影響；鄭熹光等[12-14]采用數值分析方法研究了盾構隧道施工對鄰近樁基的應力與位移以及承載力的影響；何海健等[15]采用數值分析對地鐵施工過程主要不確定因素對鄰近橋樁沉降的影響進行了研究；方勇等[16]在數值模擬中對盾構掘進參數對鄰近樁基位移的影響進行了研究。

上述研究對盾構鄰近樁基的施工起到了重要的指導作用。然而，隨著地鐵的發展，近期的盾構近接工程規模越來越大，而且與既有地下結構物的間距更小，穿越的樁基礎由常規的樁基礎越來越向立交橋與高架橋等超長樁基礎發展，盾構施工對鄰近樁基的影響問題越來嚴重。因此，在如此嚴峻的工程環境下，以往的研究成果遠遠不夠，對于理解盾構開挖與鄰近樁基礎之間復雜的相互作用需要做進一步的探索。鑒于上述原因，本文以天津7號線左右雙線近距離穿越中石油立交橋匝道的大規模群樁基礎的復雜工程為背景，采用有限元軟件建立三維數值分析模型，對盾構掘進的各個階段對鄰近樁基的位移以及地層沉降造成的影響進行分析，進一步豐富了盾構近接群樁基礎的研究，為該工程施工提供借鑒與依據。

1　工程概況

1.1　地質概況

1.2　近接群樁基礎概況

天津市地鐵7號線麗江道～腫瘤醫院區間穿越中石油橋匝道群樁基礎工程位于右線設計里程YDK21+134.382和左線設計里程ZDK21+224.596附近。橋梁結構為墩柱式，橋面為混凝土連續箱梁，橋面寬7 m。區間采用土壓平衡式盾構掘進，盾構直徑為6 m，管片厚度為0.3 m，管片材料采用C50混凝土，盾尾注漿采用C30混凝土材料。區段的上覆土層深度在18 m左右。盾構在中石油立交橋的匝道處從群樁基礎中穿過，距離樁基礎的最小距離僅有0.8 m，還有幾處較近距離分別為1.18 m，1.24 m與1.64 m。群樁基礎為鉆孔灌注樁，樁底位于上更新統第五組陸相沖積層的粉質黏土層中，屬于摩擦型樁，直徑為1 m，樁長40 m，樁間距為2.6 m。鉆孔灌注樁采用C25混凝土澆筑，在承臺下20 m范圍內主筋采用16φ20，承臺以下20 m范圍外采用8φ20。盾構與群樁基礎位置關系圖如圖1所示。

圖1　群樁基礎與盾構位置關系/mFig.1　Relationship between pile foundation and shield metro location/m

相比一般的盾構近接樁基礎工程，天津地鐵7號線近接立交匝道的群樁基礎工程施工難度與復雜程度更大。如圖1所示，盾構施工鄰近的樁基礎不僅數量龐大，而且距離非常近，其中最近處僅0.8 m，在該處附近的盾構施工難度驟增，施工安全難以保證。加之盾構左右線路線正好從匝道群樁基礎的正中位置穿越，而左右線施工之間相互影響，也將對整個近接工程的施工安全產生較大的影響。另一方面，該立交橋匝道高度較高，樁基礎較長，盾構施工過程中造成樁基礎的水平位移對橋梁的上部結構產生的影響較常規樁基大。因此，采用有限元軟件對鄰近樁基的位移與地層的變形進行計算分析就顯得尤為必要，結果可為該工程的施工安全提供保障。

2　有限元模型

2.1　幾何模型

三維模型的尺寸為100 m×100 m×50 m(長×寬×高)。土層從上至下共7層，各層深度分別為：2 m，6 m，8 m，11 m，5 m，8 m與10 m。盾構埋深18 m。承臺尺寸為2.4 m×2.4 m×2 m(長×寬×高)。橋墩的截面尺寸為1 m×1.5 m，橋墩高度按照橋面坡度為5%遞增。有限元模型如圖2所示。

圖2　三維有限元模型Fig.2　Three dimensional finite element model

各土層服從修正-摩爾庫侖準則，承臺、群樁基礎、橋墩、橋面、管片、盾殼和注漿體滿足彈性變形特性。其中，土層、承臺、橋墩和管片采用三維單元模擬，橋面、盾殼和注漿體采用板單元模擬，樁基礎采用梁單元進行模擬并采用樁接觸單元來模擬樁和土體之間的接觸關系。文獻[17]通過現場試驗測得粉質黏土與樁基礎的切向剛度模量在35.7～102 MPa/m之間，且隨著樁身法向壓力增大而增大。文獻[18]通過現場試驗得到接觸單元的法向剛度模量取值是切向剛度模量的10～100倍，且當剛度達到105Pa/m級時，繼續增大剛度模量，計算結果影響比較小。因此，本文法向剛度模量取值是切向剛度模量的10倍。樁側摩阻力采用7號線地勘現場測試值。樁基礎與各土層之間的接觸參數見表1。模型的上部分為自由面，在底部約束XYZ方向的位移，四周約束垂直該面的位移。模型中的地下水位位于地表以下1.5 m處，由于施工過程時間較短，因此可以忽略土自身固結的影響,不考慮地下水的滲流作用，只考慮孔隙水壓力。

表1　樁基與各土層接觸單元參數

2.2　材料計算參數

為了能夠使模型很好的與實際施工工程吻合，模型的土層參數采用天津市7號線二期工程的地質勘查資料，橋梁結構與盾構參數采用了經驗值(見表2)。各土層物理力學參數見表3。

表2　橋梁結構與盾構參數

2.3　盾構施工模擬方法

模型以土壓平衡盾構掘進為背景,考慮管片結構的橫觀各向同性性質以及盾構機和管片的相互作用,抓住實際施工中的主要因素與矛盾,對三維盾構掘進模型做適當簡化來動態模擬盾構掘進的過程,模型動態模擬了土體開挖、管片拼裝與盾尾注漿3個過程。注漿過程通過用注漿體單元屬性(剛度遷移法)替換原有的土層屬性實現。在掌子面上施加頂推力(200 kPa)來模擬掘進過程中盾構與掘進面之間的相互作用，在管片前面施加頂推力(3 500 kPa)來模擬千斤頂頂推前進的過程，在管片與土體開挖臨空面上施加均布荷載(300 kPa)來模擬注漿過程中的注漿對周圍土體造成的壓力。盾構每次掘進2 m，在掘進到第四步的時開始拼裝管片，之后每拼裝一環管片頂推一次，前進一環過程中同時注漿一次，通過力與單元的交替實現盾構動態推進過程。左右雙線管片分別為50環，先掘進左線再施工右線。盾構推進示意圖見圖3。

表3　土層物理力學參數

圖3　盾構掘進示意Fig.3　Schematic diagram of shield tunneling

3　有限元結果分析

3.1　群樁水平位移分析

由于7號線盾構穿越中石油大橋匝道群樁基礎的樁基礎數量較多，為更準確的表達模型中盾構動態施工過程對各個樁基礎影響以及與樁基的相對位置關系，將樁基礎編號見圖4。左右雙線各長100 m，并將左右雙線開挖階段各設置為25個施工步驟，其中每個施工步驟掘進4 m。

圖4　模型樁基礎分布Fig.4　Distribution of pile foundation in the model

3.1.1水平位移隨施工進程的變化規律

圖5為雙線竣工時群樁基礎的水平位移分布規律。計算結果以X軸正方向位移為正。圖中可以看出，盾構施工時，樁基礎會受擠壓產生于隧道掘進方向垂直向外的水平位移。水平位移較大的部位集中在離盾構較近的樁基上，較遠處的樁基位移很小，說明盾構施工會對鄰近的樁基產生較大水平位移，對樁基的整體穩定性影響比較大。

圖5　雙線竣工時樁基礎水平位移分布Fig.5　Horizontal displacement distribution of pile foundation after the shield tunnel construction

為進一步分析樁基水平位移隨施工步驟的變化規律，選擇樁1-1(0.8 m)，2-1(1.64 m)，11-3(1.28 m)，12-2(1.18 m)，12-3(1.20 m)在盾構中心深度(即樁基深度19 m)處的結果進行分析，得到圖6。盾構對樁基礎水平位移的影響主要分為3個階段：第1階段為盾構到達前由于開挖面掘進壓力會對鄰近樁基產生較大的擠壓力，導致樁基產生較大的水平位移，該部分壓力對樁基的水平位移影響較大，約占總水平位移的60%。第2階段為盾構穿越產生的水平位移。盾構穿越時會對周圍土體產生較大的擠壓力，對鄰近的樁基產生較大影響，造成的水平位移約占總位移的30%。第3階段為注漿階段。注漿過程會對周圍土體產生一定的壓力，通過周圍的土體傳遞到鄰近的樁基礎，而產生一定的水平位移，該部分占10%左右。這3個階段產生的水平隨施工進程疊加，當完成注漿施工后，樁的水平位移達到穩定。此外，樁2-1的水平位移在左線開挖第8步先是逐漸增加為正，在右線開挖7步時，位移逐漸減小并逐漸趨于0至負。這是由于樁2-1先受到左線盾構X軸正方的擠壓，后又受到盾構有限在X軸負方向的擠壓。這說明盾構左右雙線的影響是可以疊加的。

3.1.2水平位移沿樁身分布規律

盾構左右雙線施工完成后，選擇與盾構距離最近的4根樁1-1，2-1，11-3，12-2和較遠的2根樁7-1與7-2來分析水平位移隨樁深度分布規律，得到圖7。在盾構深度范圍(樁深度16～22 m)內樁基礎的水平位移比較大，較大的水平位移都集中分布在該區域范圍內。各樁基雖與盾構的距離不一致，且受到盾構的影響順序與程度也不一樣，但各樁水平位移隨樁深度分布規律比較一致，隨深度先增大后減小，在盾構中心線附近的水平位移達到峰值，且位移關于該中心線呈現一定的對稱性。說明樁基礎上受到的壓力隨深度變化比較均勻，不存在應力非常集中的部位。此外，圖中各個曲線隨深度的變化規律表明盾構的影響深度和范圍有限。在樁基礎10～27 m深度范圍內，即盾構上方6 m，下方5 m內的水平位移變化比較大，受盾構的影響比較明顯。說明盾構對樁基礎在豎直方向的影響范圍在1D(盾構直徑)范圍左右。樁7-1和7-2的水平位移非常小，且沿著樁深度的變化可以忽略，說明在與盾構掘進方向垂直的水平方向，盾構在該方向的影響范圍有限。

圖7　樁基礎水平位移隨樁深度分布規律Fig.7　Variation of horizontal displacement of pile foundation with the depth of pile

3.1.3水平位移隨距離分布規律

從有限元計算結果中可以看出隨著距離盾構越遠，水平位移就越小。然而，對于盾構對水平位移的影響范圍與程度的理解仍是不夠的。且由上述分析可知在與盾構中心線深度處的水平位移最大，因此選取該深度處各樁的水平位移值對群樁基礎和盾構之間距離的關系在垂直盾構方向上的影響做進一步的探討。此外考慮到左右雙線前后開挖之間會相互影響，使得水平位移隨距離的關系發生變化，因此，僅以左線開挖時的水平位移(取位移的絕對值)做討論。得到樁的水平位移與到盾構垂直距離的關系見圖8。圖中將位移數據進行擬合，得到了一個非線性的曲線。可以看出該非線性曲線的擬合度非常高，其中殘差平方和接近0，離差平方和與調整離差平方和接近1，說明該曲線可以適用于本模型的計算結果。從擬合曲線中可以看出，盾構在垂直于掘進方向對樁基礎造成的水平位移與二者的之間的距離是非線性的，且在距離較近的時候的水平位移隨距離增長的比較快。此外，在1D范圍內，整條曲線的變化趨勢比較接近于直線變化，說明在1D范圍內樁基受盾構的影響比較大。此外，在18 m(3D)左右，樁基的水平位移逐漸趨于穩定，說明盾構在該方向的影響范圍在3D范圍左右。

圖8　樁基礎水平位移和樁基盾構間距離的關系Fig.8　Relationship between horizontal displacement of pile foundation and the distance

總之，有限元結果表明樁基礎沿隧道縱向的位移最小，受到盾構的影響也是最小的，可以忽略在此方向的位移。盾構在水平方向的位移是最大的，造成的影響最大，過大的掘進壓力與注漿壓力在周圍的土體產生較大的壓力，進而使得樁基礎產生較大的水平位移。因此，在實際的施工過程中，需要合理的控制注漿壓力與掘進壓力，以此來控制樁基礎水平位移。

3.2　地面沉降分析

盾構掘進過程會造成地表發生變形，天津7號線由于穿過的群樁基礎比較多，且距離比較近，盾構施工過程中地面的變形規律會相對復雜。圖9為雙線開挖完成后的沉降分布規律。模型整體的沉降分布比較均勻，盾構底部局部范圍內出現一定的隆起，盾構頂部與橋面的沉降比較大。盾構對于地表的影響主要體現在穿越階段，穿越后地表沉降能趨于穩定。對開挖后的地表沉降的結果做進一步的分析，得到圖10。盾構開挖后，左右雙線盾構范圍內的地表的沉降比較大，有明顯的沉降槽。在距離盾構中線20 m處的地表沉降趨于0。說明盾構的影響范圍在3D左右。此外，可以看出地表的承臺位置的沉降相對比較大，這是由于下方樁基礎受到盾構的影響會產生沉降，從而導致承臺的沉降加大。此外，最大的沉降出現在2號承臺，由于該承臺處于沉降槽的中間，且距離左右雙線的盾構都比較近(受樁基礎影響比較大)，雙重作用導致該區域的沉降較其他的區域大。因此，在實際的施工過程，建議對該處的沉降進行較密集的監測。

圖10　盾構雙線完成時的地表沉降分布Fig.10　Ground surface settlement distribution after the construction completed

4　結論

1)盾構掘進過程產生的壓力會對鄰近的樁基礎產生較大的水平位移，且該水平位移的增長可分為3個階段：盾構達到前、盾構穿越時以及注漿階段。3個階段中盾構達到前產生的擠壓力對樁基造成的水平位移最大，占總水平位移的60%。注漿階段影響最小，占10%，第二階段約占30%。此外，左右雙線開挖對樁基礎的水平位移有較明顯的疊加效應，處于兩者之間的水平位移會相互抵消。

2)樁基礎的水平位移隨深度先增大后減小，在盾構中心線深度處達到最大值，且位移關于該中心線呈現一定的對稱性，盾構對樁基礎的影響范圍在豎直方向為1D。水平位移與樁基礎到盾構之間的距離是一個復雜的非線性關系，在垂直盾構掘進方向1D范圍受到盾構的影響比較大，與距離的關系比較接近線性變化，且在該方向的影響范圍在3D左右。此外，有限元結果表明，盾構施工對樁基礎在垂直于掘進方向的水平位移的影響較大，對掘進方向的位移影響較小。

3)盾構對于地表沉降的影響主要體現在穿越階段，穿越后地表沉降能趨于穩定。處于左右雙線沉降槽之間的承臺由于受到土體沉降和樁基礎沉降的雙重影響，會產生較大的位移，因此在實際施工過程中建議在處于雙線之間的橋梁結構實施較密集的監測。

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