地鐵盾構隧道近接下穿導致橋樁的變形數值模擬分析

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400000)

地鐵盾構隧道近接下穿導致橋樁的變形數值模擬分析

楊博黃陽

(重慶交通大學土木工程學院重慶400000)

本文以某市1號線地鐵隧道盾構施工下穿橋梁樁基為背景，分析隧道盾構下穿對橋梁樁基的力學行為影響性分析。采用三維數值模擬軟件GTS NX進行動態模擬分析，通過進行隧道盾構下穿橋梁樁基的三位數值模擬，主要分析了盾構施工對樁基變形的影響。該模擬能夠較為真實的反應隧道盾構下穿樁基的實際情況，并且能夠獲取參考性的數據，同時也能夠為后期隧道盾構下穿施工的安全控制措施的選擇及施工參數的控制提供一定的參考。

盾構;近接;樁基;GTS NX;數值模擬

一、引言

隨著全國軌道交通系統的快速建設，目前我國一、二線城市地鐵的建設速度正處于一個高速發展期。然而隨著城市軌道交通的建設，地鐵的建設不可避免的會與既有建構筑物出現空間上的交錯，這也將對既有建構筑物產生影響。同樣城市地鐵建設將不可避免會出現地鐵需要穿越既有橋梁樁基的情況，由于盾構施工對地層的擾動，會引發樁周土體應力狀態的改變，由于樁周土體與樁基間復雜的相互作用，從而使上部橋梁結構產生變形或沉降，當變形量或沉降值超過允許值時就會對橋梁的安全及運營產生影響，嚴重時會導致橋梁結構的失穩破壞。

目前國內外對盾構施工引起土體邊形及對周邊鄰近建構筑物影響進行了大量研究，并且在研究方面已經取得許多有價值的研究成果，如: 1987年Sagaseta[1]基于不可壓縮液體流動的解析解，研究了平面應變條件下隧道開挖引起的地層位移，該方法需要假定地層損失值； Verrnijt[2]在源匯法的基礎上，運用半彈性平面方法，得到了計算土體水平、垂直位移公式；李汶京[3]采用三維非線性有限元數值模擬方法，并結合北京地鐵10號線近距離穿越國貿站群樁基礎的工程實例，研宄了隧道施工對群樁基礎的影響方式和影響水平；徐明、謝永寧[4]采用有限元差分軟件建立隧道穿越鄰近單樁的三維模型，研究了隧道與樁處于不同相對位置時樁側摩阻力和樁端阻力的分布規律；王夢恕，董新平等[5]針對廣州地鐵2號線盾構施工的案例，采用有限元軟件模擬計算并結合現場監測數據分析，研究了盾構施工對地表沉降的影響，并總結了盾構施工對地表沉降的影響因素。

本文以某市1號線地下盾構區間的盾構施工為工程背景,利用三維數值軟件GTS NX，針對盾構開挖區域的土層，并考慮群樁-土-隧道三者相互作用、盾構注漿壓力、盾構掘進壓力、盾殼剛度、盾構千斤頂推力等因素的綜合影響，研究了平面應變條件下隧道盾構施工過程及其對臨近樁基的影響，通過分析盾構施工過程中各掘進步對鄰近樁基位移沉降的動態影響，為后期地鐵盾構施工提供參考資料。

二、盾構施工對周邊群樁變形影響的數值模擬

(一)數值模型。三維有限元模型尺寸為 125 m×120 m×60 m( X×Y×Z)，邊界約束條件為：底部為完全固定約束，側面為豎直滑動約束，表面為自由邊界。劃分好的有限元網格見圖 1，共計144024個單元，70745 個節點。

圖1 隧道與樁相互作用的三維模型

土體采用各向同性本構模型，強度準則采用修正摩爾-庫倫理論。土層(地層層序由上到下)參數見表 1。

表1 地層參數

樁體采用各向同性彈性梁單元模擬，隧道襯砌、盾構殼體均采用各向同性彈性板單元模擬，樁土間設置接觸面單元。盾構隧道的直徑為6 m，埋深20m，盾殼長3m，厚度為0.05m，壓縮模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3。隧道線路穿越地層周邊存在6根邊直徑1.2m 的圓柱形樁基礎，樁長14.0m，見圖1，樁頂作用有3000kN的均布荷載。注漿區的漿體采用各向同性本構模型，強度準則采用彈性理論，漿體彈性模量為5.0MPa，泊松比為0.3。

(二)盾構施工過程的模擬。在模型進行數值模擬施工工程時，盾構單個開挖施工步長度取盾構襯砌寬度的兩倍3m，每個開挖步的施工過程主要用3個增量步的模擬：1、首先模擬開挖步內的排水降水，計算盾構施工產生的孔隙水壓力；2、模擬盾構開挖過程，在此增量步內“鈍化”開挖步內土體模擬土體開挖，同時激活盾構外殼單元，且在盾構切削面施加掘進壓力，掘進壓力選取0.2MPa；3、在下一個開挖步開挖時，“鈍化”第一個掘進步的盾構外殼，激活第一開挖步管片單元，并同時在管片外進行注漿，激活管片外的土體，并激活改變屬性邊界條件，將土體改成注漿體模擬注漿，并施加注漿壓力0.18MPa；同時在管片端頭施加千斤頂力，選取120KN/m，方向為X軸負向。

(三)盾構近接施工對樁基位移沉降的影響性分析

1.樁基位移沉降控制標準。根據橋梁相關檢測報告，橋梁對于位移沉降敏感，根據相關設計規范及制定的近接樁基的沉降控制標準，取用允許位移值作為控制要求。根據地鐵設計規范(GB50517-2003)樁頂承臺的沉降量不能大于50mm，且相鄰樁基差異沉降不能大于20mm。因此結合相關已有工程實際經驗及本工程實際，為有效控制樁基的沉降，選取10mm作為單樁沉降允許值。另外根據建筑樁基技術規范(JGJ94-2008)，樁基的地面水平位移允許值為10mm，對控制要求高的建構筑物可取6mm，因此本工程實際中取水平位移允許值為6mm。

2.樁基變形分析。伴隨地鐵盾構的施工，土體由于受到盾構的擾動會產生縱向沉降槽，包括了地表的沉降及隆起，但在此工程盾構施工過程中我們主要關心的是樁基的沉降和位移值是否達到控制標準。因此，本文選取四種工況分別分析盾構到達三排樁基及通過樁基后的樁基位移沉降規律，分別是：工況1盾構到達第一排樁基；工況2盾構到達第二排樁基；工況3盾構到達第三排樁基；工況4盾構施工完成。根據數值計算結果，不同工況下樁基的沉降位移云圖如圖.2～圖.5所示。根據云圖可知，隧道盾構施工后對樁基的位移沉降影響不大，僅當樁基位于隧道拱頂上方時，樁基的位移沉降較大，盾構施工對樁基的位移影響較明顯；樁基的位移沉降在盾構遠離樁基超過2倍縱向樁基間距后才最終到達穩定。

圖2 工況1盾構到達第一排樁基

圖3 工況2盾構到達第二排樁基

圖4 工況3盾構到達第三排樁基

圖5 工況4盾構完成

五、結論

本文通過GTS NX三維有限元模擬，依托軌道交通1號線某盾構區間下穿橋基的工程背景，分析了隧道盾構施工對所下穿的橋梁樁基的位移沉降影響，并得出如下結論：

(1)地鐵隧道盾構施工導致橋梁樁基的位移影響主要表現為：盾構達到前，盾構施工引發樁基樁身的位移較小；當盾構到達各單樁位置時，樁身位移均達到最大值。

(2)盾構施工過程中，橋梁各單樁沿隧道軸線的位移變化規律相似，但位移值相差較大且與隧道與樁基的相對位置有關：對盾構側穿的樁基，其主要的影響表現在垂直于盾構掘進方向的位移，即水平位移，豎向位移值較水平較小；對盾構隧道正下方下穿的樁基，其位移值大于側穿樁基，且正下穿樁基在跟隨盾構掘進方向的位移更明顯。

(3)通過模擬分析，盾構隧道施工引發樁基的最大沉降值僅為1.9mm，根據地鐵設計規范以及滿足沉降控制要求。但根據盾構區間設計說明本區段隧道下穿風險等級為 I級，為保證施工的安全性，后期盾構施工前應對橋梁采取適當的加固措施，且后期施工隨時調整盾構施工參數，減少盾構的超挖和欠挖，以改善盾構前方土體的坍落或擠密現象，降低地基土變形，同時加強現場監測。

(4)盾構施工盾構下穿時應控制好土壓平衡，保證開挖面穩定，優選最佳施工參數，加強盾構的掘進參數管理和姿態控制，并及時進行同步壓漿和二次注漿。

[1]Sagaseta C. Analysis of undrained soil deforrnation due to ground loss.Geotechnique, London, England,37: 301-320.

[2]Verruiijt, J.R. Booker. Surface settlements due to deformation of a tunnle in an elastic half plane[J].Geotechnique,1996,46(4):753-756.

[3]李汶京.地鐵車站隧道群鄰近橋樁施工關鍵技術研宄[J].鐵道標準設計,2009,(10):85-89.

[4]徐明,謝永寧.盾構隧道開挖對鄰近單樁基礎的影響[J].華南理工大學學報:自然科學版,2011,39(4):149-155.

[5]王夢恕,董新平.地鐵路道盾構法施工引起的地表沉降分析[J].巖石力學與工程學報,2003,22(8):1298-1301.

楊博(1993-)，男，漢族，重慶市開州區人，研究生在讀，重慶交通大學土木工程學院，研究方向隧道及地下工程設計；黃陽(1993-)，男，漢族，四川省廣安市人，研究生在讀，重慶交通大學土木工程學院，研究方向巖土工程。