大直徑盾構下穿房屋建筑群超前注漿數值模擬研究

馬 婷

(四川建筑職業技術學院)

大直徑盾構下穿房屋建筑群超前注漿數值模擬研究

馬 婷

(四川建筑職業技術學院)

盾構掘進過程中會對周圍土體具有擾動效應。當盾構下穿房屋建筑群時，若與樁基距離較近，使得樁基沉降較大，將導致房屋發生不均勻沉降。因此，研究盾構下穿樁基群對土體的擾動效應具有重要意義。本文通過模擬大直徑盾構穿越房屋建筑群，研究地表沉降及樁基的性能；并驗證采用超前注漿法進行加固的有效性。結果表明，樁土之間存在差異加劇了地表沉降，這種影響與樁距密切相關。通過超前注漿后，能有效改善地表沉降、樁土沉降差以及樁基的傾斜。

大直徑盾構；樁；數值模擬

1 引言

2 工程概況及模型建立

2.1 工程概況

長株潭城際鐵路綜合Ⅰ標濱-開盾構將穿越岳麓區北大橋觀沙嶺岳北社區，該小區建筑設計為框架結構，實際上為底框-磚混結構。地基土主要為魚塘填土，房屋結構設計要求基礎樁為端承樁，樁底落在強風化層上。但由于魚塘底高低不平，樁的性能很難保證是端承樁。若盾構機下穿時，極易引起地基隆起或沉陷。因此，通過數值模擬研究盾構穿越上方存在房屋建筑群的土層擾動效應，并驗證采用超前注漿法減弱盾構下穿樁群引起的地表沉降有效性。

2.2 模型的建立

本次計算模型網格劃分如圖1所示，建立21900個網格域（zones）和19100個節點（grid-points）。樁與土體之間的相互作用采用接觸面（Interface）模擬，根據樁側接觸的土層從上至下分別為填土、粘土、圓礫石，樁為端承樁，樁底直接作用在強風化板巖上，因此建立的接觸面從上至下 ID分別為 1、2、3、4的Interface。為研究樁基對盾構掘進橫向距離的影響，對樁基進行編號，如圖2為樁基與盾構的相對位置。圍巖與注漿加固區采用Mohr-coulomb理想彈塑性模型，管片和樁基采用elastic理想彈性模型。

圖1 網格模型圖

圖2 樁與盾構相對位置

盾構掘進過程的三維數值模擬關鍵是刀盤、盾殼和盾尾三部分與土體的相互作用關系的模擬。采用盾構掌子面上施加表面壓力來模擬刀盤對土體的壓力，對盾構外殼表面上施加表面壓力來模擬盾尾建筑孔隙而引起的地層損失。采用先右線后左線的開挖方式，每3m為一環，開挖左右線各12環。

2.3 計算參數的選取

根據該隧道有關地質資料及類似工程的基礎上，確定了巖土材料參數，見表1。邊界條件為模型左右前后均施加法向約束，地表為自由。初始應力條件取決于重力荷載，水平應力與垂直應力的關系為式1所示。

表1 巖土體力學參數

參考施工設計資料，通過模擬三種工況來研究盾構對樁基的影響。

需求側：近年來，隨著國內經濟增速放緩，成品油需求增長乏力。從品種來看，隨著制造業放緩、大規?；A建設和房地產開發趨穩，以柴油為主的燃料需求出現了負增長。隨著汽車走進家庭進入鄉村階段，汽車銷量以升級換代為主；主要城市汽車趨于飽和，限行限號；城市霧霾治理，大力倡導新能源電動汽車，汽油需求進入穩定緩慢增長階段。成品油需求結構（柴汽比）也發生了顯著變化，由高峰時2008 年的2.2 左右降至2016 年1.3左右。

工況1：盾構穿越無樁基地層。

工況2：盾構下穿樁基。

工況3：超前注漿盾構下穿樁基。

通過比較工況1、2，研究樁基存在的地層，當盾構穿越時對地表的擾動效應。通過比較工況2、3，研究超前注漿措施對控制地表沉降的有效性。

在隧道模型的建立中，對于位移：x向為水平方向，z向為豎向，且以重力方向為負向，y軸負向為隧道開挖方向。

3 數值模擬結果分析

3.1 數值模擬分析

豎向位移云圖如圖3所示。比較圖3（a）和圖3（b），工況2不僅豎向位移值較大，對地表的擾動范圍也較廣。說明樁基的存在使得盾構對土體的擾動效應增大。由圖3（c）可知，通過超前注漿處理后，影響范圍和最大沉降值影響明顯減小，說明超前注漿能夠有效控制盾構對土體的擾動。

圖3 豎向位移云圖

右洞開挖結束后，樁基豎向位移如圖4所示。通過比較，工況3距盾構右洞距離較近的1～6號樁基位移較小，7～8號樁基無明顯不同。說明通過超前注漿對距離盾構較近的1～6號樁基有明顯的效用，同時反映了盾構對樁基的影響范圍大約在7號樁基范圍內。3.2分析結果對比

圖4 樁體豎向位移云圖

為了進一步研究盾構對樁基的影響，超前注漿措施的有效性，對橫向地表沉降及縱向地表沉降以及樁側豎向位移等設置數值模擬監控點，如圖5所示。

圖5 特征點布設

比較樁體所在截面橫向地表沉降，如圖7所示。工況2樁基的存在使得最大沉降值為2.142mm，較工況1最大沉降值增大了6.78%。采取超前注漿措施后，其最大沉降為1.52mm。因此，樁基的存在使橫向地表沉降值增大，通過超前注漿能夠有效的控制了地表沉降。

圖7 樁體所在截面橫向地表沉降比較

（1）橫向地表沉降對比

隨著盾構的推進，地表不可避免會受到地層的擾動影響。開挖后土體固結、土體體積的損失使得地層發生變位。圖 6為盾構開挖起始面橫截面沉降曲線?？梢钥闯觯S著開挖的逐步進行，地表沉降逐漸增大。只進行右洞開挖時，右側沉降較明顯。雙洞開挖后，雙線中心處沉降最大。應對先開挖的隧道及時加強地表沉降監控。

圖8 縱向地表沉降

（2）地表縱向沉降

盾構掘進的過程中，對其進行地表縱向沉降監測不僅反映了地表隨盾構掘進的影響，而且對盾構的掘進參數的選取具有重要意義。圖 8所示為不同工況下縱向地表沉降曲線。根據對比分析，隨著盾構掘進，縱向地表沉降越來越大。由于土體水量損失以及重固結需要一段時間，前三步開挖對地表沉降影響較大，達到最大沉降值的70%～80%。因此，開挖前應做好相應的措施，加強盾構初始開挖段的地表監測。

由工況1、2對比可知，樁基的存在對地表縱向沉降影響很小。相比工況3，工況1、2縱向地表監測點之間的沉降差值略大，監測點之間的縱向地表沉降差最大發生在盾構開挖至第 7步，即盾構剛越過樁基所在下方地層，最大差值分別為0.33mm、0.27mm。工況3地表各監測點沉降差最大為0.13mm。說明超前注漿有效控制縱向地表的沉降差，即使地表各點縱向起伏較小。

（3）樁土沉降差比較

由于樁基頂承受很大的荷載，樁基與周圍土層材料性質不同，因此，樁基與土體之間存在著沉降差異，也即是樁基會發生一定的滑移。且隨著掘進的進行，滑移逐漸增大，如圖9所示。工況2樁基與土體的滑移量達到0.32mm。通過超前注漿后，樁基和土體的沉降減小，且樁土之間的沉降差減少到0.16mm。

4 結論

圖9 樁土沉降比較圖

盾構下穿房屋建筑群，樁基的存在對橫向地表沉降影響較大，通過超前注漿后，能有效改善地表沉降。先開挖隧道對整體橫向地表沉降影響較大，應對先開挖隧道加強地表沉降的監控；盾構掘進過程中，縱向地表沉降隨開挖步逐漸增大，且初始開挖面沉降最大，應提前加強對初始開挖環的監控；隨著盾構的掘進，樁與土體之間會發生沉降差以及相互擠壓或分離。超前注漿對減小樁土沉降差具有明顯效用。[1] LEE C J,JACOBSZ S W.The influence of tunneling on adjacent piled foundations[J].Tunneling and Underground Space Technology,2006,21：430

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