盾構隧道近接穿越對橋梁樁基影響的數值分析

2018-05-10 07:37:10林伯華

福建建筑 2018年4期

林伯華

(福州市地鐵建設工程質量安全監督站福建福州 350001)

0 引言

隨著國民經濟持續增長，城市地下空間和軌道交通的建設迅猛發展，新建地鐵盾構隧道近接穿越既有建(構)筑物基礎的情況已屢見不鮮[1]。如何分析新建盾構隧道對既有建(構)筑基礎附加變形與內力的影響，并提出合理的應對措施，是城市地下空間開發和地鐵建設過程中亟需要解決的重要問題[2-3]。

國內外學者通過理論解析、數值模擬和模型試驗方法，對此類問題展開了大量研究。Gonzalez[4]將隧道掘進過程中引起的隧道斷面變形分解為3個部分，并給出了在不同假設條件下這3個部分的計算方法。商厚勝[5]采用Loganathan解答，基于最小勢能原理和Winkler地基模型研究淺覆土隧道穿越對鄰近建筑樁基水平性狀的影響。Chen[6]將隧道開挖視為二維平面問題，利用邊界元分析了隧道開挖引起無受荷單樁的變形響應。Kitiyodom[7]首先利用PRAB和FLAC3D分析軟件驗證了Chen的實例，探討了隧道開挖下群樁基礎響應。阮林旺[8]從盾構、土體、樁體相互作用的角度分析了盾構施工引起相鄰樁體變形和受力的機理。張治國[9]采用三維有限元數值模擬方法揭示了軟土地區土壓平衡盾構機上下交疊穿越地鐵隧道的變形規律。Loganathan[10]利用離心模型試驗研究了隧道開挖對鄰近土層及鄰近樁基的影響。朱逢斌[11]等通過數值模擬與離心機試驗結果的對比分析，詳細分析了盾構隧道開挖對臨近樁基內力與變形的影響。

本文以福州軌道交通1號線盾構隧道近接穿越洗馬橋樁基工程為背景，在FLAC3D數值平臺上，考慮其逐步開挖的施工過程以及掌子面土壓力的實際分布，對其穿越過程進行了精細化模擬。重點關注掘削面距離樁基不同位置時，新舊橋梁樁基的橫向位移與縱向位移響應。

1 工程概況

洗馬橋位于福州市八一七中路，為左右分幅三跨簡支梁橋，橋跨布置為6m現澆實心板+16m預應力空心板+6m現澆空心板。橋梁全長29.3m，橋面全寬40m，其基礎為32根直徑1.2m的鉆孔灌注樁。該橋梁共有12根樁基與福州軌道交通1號線南門兜～茶亭盾構隧道發生空間交叉，需采用樁基托換技術鑿除此12根障礙樁。即采用4座王字型承臺梁+24根托換新樁的方式，共同承擔原橋12根舊樁的上部荷載，然后采用人工挖孔的方式將盾構隧道高程范圍內的障礙樁鑿除。該項工作已于2014年9月順利完成，盾構隧道與新舊樁基的位置關系如圖1所示[12]。

圖1 盾構隧道與橋梁樁基的位置關系

完成樁基托換后，盾構機于2014年12月由南向北(上行線)首次穿越洗馬橋，于2015年5月由北向南(下行線)再次穿越洗馬橋。以上行線為例，其穿越過程及施工參數如表1所示。

表1 盾構隧道穿越橋梁樁基的施工參數

2 精細化數值模擬

2.1 數值模型

在FLAC3D數值分析平臺上，對盾構隧道近接穿越洗馬橋樁基的施工過程(以西半幅為例)進行精細化模擬如圖2所示。地層模型的長寬高方向尺寸均為60m(內含待開挖的盾構隧道)，其頂面為河床底，取自由邊界，其側面與底面為法向位移約束邊界。需要注意的是，計算初始地應力時，首先將土層假定為彈性本構，在自重作用下計算至平衡后，再將土層調整為摩爾庫倫塑性本構，從而避免初始地應力計算過程中出現非正常塑性區的問題。

隨后，根據設計文件的實際尺寸和空間位置[12]，依次建立原橋蓋梁、原橋橋臺、原橋樁基、托換承臺、托換新樁等構件；并在原橋蓋梁與橋臺頂部施加相應的橋面荷載[13]并計算至平衡，將位移清零后完成近接穿越前的初始數值模型，如圖2所示。

圖2 數值模型網格劃分

其三維數值模型共計67 365個實體節點和62 800個實體單元，1240個樁單元節點和1211個樁單元。除土體外，各結構/構件均采用線彈性本構，其中原橋蓋梁、原橋承臺和托換承臺采用8節點實體單元，混凝土襯砌和剛盾殼采用3節點殼體單元，新舊樁基采用2節點樁單元，其物理力學參數如表2所示[12,14]。

表2 結構/構件物理力學參數

數值模型中的土體采用8節點實體單元和摩爾庫倫本構模型，根據地勘報告[15]，各土層的物理力學參數如表3所示。其中ρ、h分別為土體密度和土層厚度；c、φ和ψ分別土體的黏聚力、內摩擦角和剪脹角；E為土體彈性模量，一般取為壓縮模量Es的3～5倍(軟土取大值，砂土取小值)。

表3 土層物理力學參數

2.2 樁土接觸面本構及其參數

(1)

圖3 樁土接觸面的本構關系

上述樁土接觸面本構中的3個力學參數的取值，不僅與樁身幾何性質及材料性質有關，更與接觸土層分布及土層性質密切相關。參考前人研究成果[16]，建議將樁土間黏聚力cs取為相應土層黏聚力的50%；將樁土間摩擦角φs取為相應土層摩擦角的25%(對粘性土)或50%(對砂性土)；將樁土間剪切彈簧剛度系數ks取為相應土層基床系數cv的25%乘以樁截面周長πD。因此，根據地勘報告中給出的各土層物性值[15]，樁土接觸面上的物性值如表4所示。

表4 樁土接觸面參數

2.3 逐步開挖過程的模擬

以上行線(西半幅)為例，對其穿越施工過程進行精細化模擬，其具體過程如下。

(1)歷史施工過程：建立初始地層模型→建立橋臺、蓋梁及其下樁基模型→建立托換承臺及其下樁基模型→模擬樁基頂升托換的過程。分別計算每段歷史施工過程的應力與位移響應，并將位移置零。

(2)刀盤開挖過程：采用null模型模擬刀盤前方土體掘削，每步開挖進尺為1.2m(即管片寬度)；在掌子面上施加水平力，模擬土艙壓力；在被開挖段徑向上敷貼shell-1單元，模擬盾殼的保護作用。

(3)盾尾脫環過程：開挖段敷貼shell-1單元的同時，盾尾同步刪除shell-1單元，模擬盾殼脫出；在脫出段徑向上敷貼shell-2單元，模擬混凝土管片襯砌。

(4)重復上述開挖與脫環的過程，整個西半幅共分50步開挖，分別計算每工況步中土體與結構的位移響應、應力響應及內力響應，以模擬盾構法隧道近接穿越橋梁樁基的施工過程。

3 樁基橫向水平位移與彎矩

3.1 既有樁基的橫向水平位移與彎矩

盾構掘進過程中，既有樁基(以5#為例)橫向水平位移變化的歷程曲線如圖4所示。圖中“+”號表示樁基發生隧道外側方向(東方向)的水平位移，“-”號表示發生隧道內側方向(西方向)的水平位移。Exc表示開挖步，每步進尺1.2m，由南向北共分為50個開挖步，完成隧道近接穿越的模擬。5#樁所處斷面大致在開挖步Exc13附近，如圖4所示。

圖4 既有樁基的橫向水平位移(5#)

盾構掘進過程中，刀盤對掌子面附近土體產生明顯的擠壓作用。當掘削面位于樁基所在斷面前方約6m時，樁基上部開始緩慢發生趨向隧道外側的水平位移；當掘削面經過樁基所在斷面時，其水平位移明顯增大；當掘削面逐漸遠離樁基所在斷面約12m后，水平位移趨于穩定。最終樁基上部水平位移最大值約為0.45mm，出現在隧道中心高程附近。

由于樁頭橋臺和樁身下部土體的約束作用，同時刀盤擠壓效應僅作用在樁身上部，因此樁基位移整體上呈現出上部外凸、下部內凹的“雙向凹凸”形態。其反彎點出現在-13m高程附近，即上軟下硬的土層交界面附近。樁身橫向彎矩分布較為復雜(限于篇幅文中未給出)，其最大負彎矩約為-130kN·m，出現在樁頭連結處；其最大正彎矩約為200kN·m，出現在隧道中心高程附近。

3.2 新樁基的橫向水平位移和彎矩

盾構掘進過程中，新樁基(以X6#為例)橫向水平位移變化的歷程曲線如圖5所示。X6#樁所處斷面大致在開挖步Exc15附近，如圖5所示。

圖5 新樁基的橫向水平位移(X6#)

對比圖4與圖5可以看出，新舊樁基樁身位移的分布形態與變化趨勢基本一致。但由于新樁長度較長，樁頭承臺的約束作用更強，與隧道中心線距離更遠，因此其整體位移形態呈狹長型的“雙向凹凸”，其位移最大值約為0.4mm，略小于既有樁基。

新舊樁基樁身橫向彎矩的分布規律基本相同，其最大負彎矩約為-183kN·m，出現在樁頭連結處；其最大正彎矩約為135kN·m，出現在隧道中心高程附近。

3.3 新樁基橫向水平位移實測數據與數值分析對比

新樁基(以X6#為例)，在施工過程中埋設測斜管，測斜管延伸至王字型承臺頂，并進行保護，確保在盾構施工過程中可以對樁基的橫向水平位移進行監測。通過監測數據統計，可得出新樁基在盾構掘進過程中橫向水平位移變化的歷程曲線，如圖6所示。

圖6 新樁基橫向水平位移實測數據(X6#)

對比圖5與圖6可以看出，新樁基橫向水平位移的實測數據與數值分析結果的分布形態與變化趨勢基本一致。但由于施工過程中，對盾構近接橋梁區域進行了地基加固，加固土體減小了盾構穿越對樁基的影響，因此，新樁基橫向水平位移最大值為0.36mm，略小于數值模擬的結果。

4 樁基縱向水平位移與彎矩

4.1 既有樁基的縱向水平位移與彎矩

盾構掘進過程中，既有樁基(以5#為例)縱向水平位移變化的歷程曲線如圖7所示。圖中“-”號表示樁基發生沿盾構前進方向(北方向)的水平位移。

圖7 既有樁基的縱向水平位移(5#)

由于刀盤對掌子面附近土體的推進作用，當掘削面位于樁基所在斷面前方約12m時，樁身整體開始發生明顯的沿推進方向的水平位移。當掘削面經過樁基所在斷面時，其縱向水平位移的增速變緩，整體呈較為平緩的“單向鼓凸”形態；其最大值約為0.4mm，出現在深度-16m附近。隨著掘削面逐漸遠離，樁身縱向水平位移發生少量回彈，最終其位移最大值約為0.3mm，出現在隧道中心高程附近。

樁身縱向彎矩(限于篇幅文中未給出)較橫向彎矩大幅減小，其最大負彎矩約為-83kN·m，出現在樁頭連結處；其最大正彎矩約為73kN·m，出現在隧道中心高程附近。

4.2 新樁基的縱向水平位移和彎矩

盾構掘進過程中，新樁基(以X6#為例)縱向水平位移變化的歷程曲線如圖8所示。

圖8 新樁基的縱向水平位移(X6#)

對比圖7與圖8可以看出，新舊樁基樁身位移的分布形態與變化趨勢基本一致。當掘削面經過樁基所在斷面時，其縱向水平位移達到最大值約為0.30mm，出現在深度-16m附近。隨著掘削面逐漸遠離，樁身縱向水平位移發生少量回彈，最終其位移最大值約為0.2mm，出現在隧道中心高程附近。

新舊樁基樁身橫向彎矩的分布規律也基本相同，其最大負彎矩約為-109kN·m，出現在樁頭連結處；其最大正彎矩約為42kN·m，出現在隧道中心高程附近。

4.3 新樁基縱向水平位移實測數據與數值分析對比

新樁基(以X6#為例)，在承臺施工過程中埋設監測點，并進行保護，確保在盾構施工過程中可以對樁基的縱向水平位移進行監測。通過監測數據統計，可得出新樁基在盾構掘進過程中縱向水平位移變化的歷程曲線，如圖9所示。

圖9 新樁基縱向水平位移實測數據(X6#)

對比圖8與圖9可以看出，新樁基縱向水平位移的實測數據與數值分析結果的分布形態與變化趨勢基本一致。但由于施工過程中，對盾構近接橋梁區域進行了地基加固，加固土體減小了盾構穿越對樁基的影響，因此，新樁基縱向水平位移最大值為0.25mm，略小于數值模擬的結果。

5 結論與建議

以福州軌道交通1號線盾構隧道近接穿越洗馬橋樁基工程為背景，考慮刀盤推力和樁土相互作用，對其施工過程進行精細化模擬。重點關注掘進過程中，鄰近樁基位移與彎矩的變化規律，得到主要結論如下。

(1)由于刀盤對土體的擠壓作用，樁基橫向水平位移呈“雙向凹凸”形態，其最大值出現在隧道中心高程附近，其反彎點出現在軟硬土層交界面附近。而樁基縱向水平位移呈“單向鼓凸”形態，其最大值亦出現在隧道中心高程附近。

(2)樁身橫向彎矩最大值出現在隧道中心高程附近(正彎)和樁頭連結處(負彎)；樁身縱向彎矩的分布情況與之類似，但絕對值略小。

(3)盾構穿越過程中，樁基橫向水平位移不斷發展增大，尤其是刀盤到達樁基所在斷面時，位移增長尤為迅速。而樁基縱向水平位移則呈先增大后減小的趨勢，大部分位移在刀盤到達前樁基所在斷面前就已發生，而后隨著掌子面的遠離，其位移略微減小。

(4)通過實測數據與數值分析的結果進行對比，可以看出樁基的橫向水平位移和縱向水平位移的趨勢基本一致，數值分析較好地實現了對施工情況的模擬，且通過對盾構近接穿越橋梁樁基區域進行地基加固，可有效地控制盾構對橋梁樁基的影響。

對該工程及其他類似工程而言，建議在樁基所在斷面前后10m范圍內，應注意控制刀盤推力和掘進速度，同時做好壁后注漿、地基加固及相關監測工作。

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