盾構掘進對U形槽和橋梁樁基的影響分析

周 劍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

隨著地鐵施工技術的不斷發展，盾構掘進已成為城市軌道交通建設的常規手段，但同時也會受到既有建筑物和地表環境條件的影響和制約[1-8]，這就導致部分新建的地鐵線路只能沿立交線路延伸，交錯穿行于立交橋的基礎樁群之間[9]。盾構開挖掘進必然會引起附近地層受擠壓擾動，導致一定距離內的橋梁樁基以及上部結構發生擠壓損傷[10]。目前，盾構施工所導致的城市地表坍塌開裂等安全事故數量呈顯著上升趨勢[11-15]。因此，研究盾構掘進引起的土層擠壓損失理論及其對地面沉降和橋梁樁基位移的應力變化具有非常重要的工程意義。以下通過公式推導和數值模擬，研究盾構雙線掘進施工對地面U形槽和鄰近群樁基礎的沉降影響及控制技術。

2 工程概況

成都地鐵4號線東三環站區間YDK38+640.258～YDK38+791.162段雙線盾構隧道下穿鐵路群，分別為成綿樂客運專線、動4線、東環線、動2線、動3線、達成線、動1線共10股鐵路線。其中，東環線、成綿樂客運專線、動2線、動3線、達成線均為雙線，其余為單線。雙線盾構在橋梁樁基中間和U形槽下部掘進，圖1和圖2分別為盾構與U形槽和橋梁樁基相對位置關系的現場示意和設計示意。

圖1 實際示意

圖2 設計示意(單位：m)

3 盾構掘進誘發土體豎向變形公式推導

3.1 正面推力導致的土體豎向變形

圖3為盾構-土體受力模型，土體圓截面內的微分面積為rdrdθ。對其進行積分，得到圓形在均布荷載作用下，周邊土體中任一點位置引起的豎向位移為

圖3 盾構-土體受力模型

(1)

以盾構初始工作面位置為基點，x為開挖面與基點在推進方向的投影距離；y為開挖面與基點垂直于推進方向的水平距離；z為開挖面距地面的豎向距離；P為盾構機的正面推力；D為盾構機的直徑；G為土體剪切彈性模量；h為隧道至地面的距離。

3.2 盾構摩擦力引起的土體豎向變形

盾構掘進過程中其外殼與土體產生較大摩擦，如圖3所示。取盾構表面的微分面積Rdldθ，利用彈性力學積分，可推導出盾構機在掘進過程中由摩擦力引起的土體豎向位移為

(2)

式(2)中，

3.3 土體損失引起的豎向變形

將土體損失看作為圓柱體，土體不排水和不可擠壓，沿盾構縱向均勻分布，如圖4所示。地面沉降槽體積相當于土體損失的體積。因此，土體損失導致的地面沉降計算公式為

圖4 土體豎向變形

(3)

式(3)中，y為開挖面與基點在推進方向的投影距離；x為開挖面與基點垂直于推進方向的水平距離；當z=0時，可擬合得到非等量橢圓形的豎向土體荷載移動的平面土體損失V1為

(4)

考慮到橢圓形不同等量的徑向土體位移狀態，土體損失引起的地面沉降可表示為

(5)

將盾構機正面擠推力、盾構機與周邊土體摩擦以及掘進過程中土體損失等導致周邊豎向土體變形的計算結果進行疊加，可得到盾構在掘進施工過程中引起的豎向變形公式為

w=w1+w2+Sz=0

(6)

4 模型建立

結合成都4號線雙線盾構隧道穿越工程實際情況，建立盾構-U形槽-橋墩的地層-盾構三維實體模型，采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型進行計算。

4.1 整體模型

計算模型范圍為：模型底部(Z向)距隧道中心43 m，左右兩側(X向)距雙線盾構中線50 m，上部(Z向)為地表，考慮隧道施工過程對樁基的動態影響，模型縱向(Y向)取45 m。

采用的周圍約束條件為：底面(Z=-43)，限制在Z方向位移變形；側面(X=-50和X=50)，限制其X方向土體位移變形；平面(Y=0和Y=45)，限制其Y方向土體位移變形；表面(Z=32)為地面，表示自由邊界；在橋墩表面(Z=40)施加豎直向下的應力(-9.296 MPa)，模擬鐵路橋梁上部結構可能出現的荷載組合及部分橋墩的自重。計算模型如圖5和圖6所示，開挖過程如圖7所示。

圖5 計算模型整體示意

圖6 各種結構相對位置示意

圖7 開挖過程

4.2 計算模型參數的選取

本次地層結構模型中主要考慮到橋墩、土層、盾構管片、U形槽、承臺和同步注漿層等，各土層和結構的模型參數如表1～表2所示。

表1 各土層模型參數的選取

地質勘察報告中只給出了雜填土和全風化泥巖土體側限條件下的壓縮模量Es，但在實際模擬計算中，需采用巖土材料的彈性模量E0。因此，采用土力學理論換算公式(7)來計算土體材料的彈性模量E0

有

(7)

表2 各結構模型參數的選取

盾構管片參數取值時，考慮到隧道襯砌由管片與管片之間通過螺栓剛性連接，有限元模擬時將其考慮成連續體，剛度折減系數可取0.8。

4.3 雙線盾構隧道開挖對地面U形槽的影響

(1)盾構隧道開挖周邊土體豎向位移分析

盾構隧道掘進過程中，不可避免地會造成周圍地層的擾動，開挖、周圍的圍巖松動擠壓和孔隙水壓力消散產生土體體積損失，引起地層位移和地表沉降。

隧道的豎向位移云圖如圖8所示，從圖8可以看到，隧道上方土體向下運動，最大向下位移量為4.7 mm。

圖8 隧道豎向位移云圖

(2)盾構隧道開挖地表沉降分析

選取距橋墩3 m的橫截面為研究對象，地表沉降云圖和橫向沉降曲線如圖9和圖10所示，從圖10中可以看出，該沉降曲線成“W形槽”狀，隨著盾構的掘進開挖，地表沉降逐漸增大。盾構開挖曲線正上方的地表沉降最大，開挖曲線正上方兩邊沉降逐漸減小，左線盾構領先右線盾構3 m。因此，地表最大沉降值發生在左線隧道拱頂附近；隨著右線隧道的開挖，地表最大沉降值發生的位置不斷向右線拱頂附近移動，當左、右線隧道臨近貫通時(即隧道開挖面距研究橫斷面33 m時)，地表沉降值幾乎不再發生變化。數值模擬得到其地表最大豎向位移為14 mm，公式計算得到其最大沉降為25 mm。由于數值模擬考慮因素較少，其地表沉降小于公式計算沉降，但其變化趨勢一致。

圖9 地表沉降云圖

圖10 盾構掘進開挖引起的地表變形沉降

4.4 雙線盾構隧道開挖對鄰近群樁的影響

由于樁基礎、樁承臺和土的相互作用，群樁的工作形態較為復雜，會形成群樁效應。群樁的沉降明顯大于單樁的沉降，隨道開挖對附近群樁工作性能的影響與樁基在外荷載作用下的工作性能有所不同。隧道開挖前，土體在長期的固結狀態以及外荷載作用下，橋梁群樁處在一個相對平衡狀態；隧道開挖時，地層損失造成樁基周圍土體的移動，進而引起樁基產生附加內力變化和變形，使得樁基產生向下的拖拽力，嚴重時將會引起樁基的不均勻沉降，對上部橋梁結構的安全造成威脅。

以下對雙線盾構隧道鄰近動2線、動3線鐵路施工最近的樁基開展數值模擬計算，分析樁的水平與豎向位移。

(1)群樁水平位移

盾構隧道動態開挖時，距離盾構較近的前排樁基水平方向受到一定程度擠壓而發生水平位移和內力變化。成都地表下砂卵石分布較多，由于砂卵石具有擠壓蠕動減震效果，因此群樁水平位移很小，其水平位移云圖如圖11所示。

圖11 盾構隧道開挖橋墩水平位移云圖

(2)群樁豎向位移

盾構機前進到群樁附近時，在同一個群樁承臺下，前、后排樁基的豎向沉降分布形態和形式較為相似，但因為前排樁有隔開和阻擋作用，后排的樁基豎向沉降值明顯小于前排。取離盾構正向掘進最近的樁基進行研究，隨著盾構不斷掘進，最近的樁基開始沉降，前期沉降較為明顯，尤其是盾構正好經過樁基時，沉降急劇增大。隨后樁基沉降趨于平穩。當盾構距離樁基30 m左右時，其數值模擬沉降值約為13 mm，公式計算沉降值約為21 mm。盾構隧道開挖墩樁基豎向位移云圖和盾構隧道開挖周邊樁基豎向位移如圖12和圖13所示。

圖12 盾構隧道開挖墩樁基豎向位移云圖

圖13 盾構掘進開挖周邊樁基豎向變形位移

5 控制技術

結合以往研究經驗和實際工程狀況，在盾構隧道鄰近橋梁樁基施工控制方面，常用的加固措施主要從隧道空間與橋梁樁基之間位置(包括縱向和橫向)、隧道施工工法效應對橋梁樁基周邊土的擠壓擾動、盾構隧道和橋梁樁基之間的土體作用力以及隧道周邊土體和樁基周邊土體的加固等方面考慮，以此來保護鄰近橋梁樁基在盾構隧道掘進時的穩定與安全。采取的主要沉降控制措施為在隧道與樁基之間設置隔斷(即在隧道與樁基之間采用地表注漿的方法加強地層結構)，并進行了數值模擬分析。

采用在隧道與樁之間進行地表注漿的方法來減小盾構施工對橋梁樁基的影響，其實質是對巖土體的充填與加固、膠結、增強，注漿對巖土的加固效果主要表現在巖土體黏聚力c值和內摩擦角φ值的提高。因此，在數值模擬分析時，鑒于加固區位于中風化泥巖中，根據相關文獻，可將加固區材料的黏聚力c值、內摩擦角φ和彈性模量E值均提高20%。

圖14 在隧道與樁之間設置隔斷示意(單位：m)

如圖14所示，在距承臺1 m靠近隧道側進行地表注漿，加固區頂部距地表17 m，加固區尺寸為：厚3 m(X向)，高19 m(Z向)，縱向22 m(Y向)。根據上述加固措施，在FLAC3D軟件中建立如圖15所示的加固區，來模擬在隧道與樁之間設置隔斷時，盾構隧道掘進施工對附近樁基產生的沉降影響。注漿加固后，靠近隧道一側的橋墩樁基沉降降低了約58%；最大沉降值由13 mm(未注漿加固)減少到2.4 mm(采用注漿加固)，效果較為顯著。

圖15 在FLAC3D中模擬隧道與樁之間隔斷的示意

6 結論與建議

(1)通過建立盾構-土體受力力學模型，得到盾構在掘進施工過程中引起地面豎向變形的計算公式，其變形主要由盾構正面推力、盾構機與周圍土體之間的摩擦力等引起。

(2)盾構掘進軸線方向的上方地表沉降最大，兩邊沉降逐漸減小，其對稱性使得雙向盾構掘進時地面U形槽沉降呈現“W”形。

(3)數值模擬得到其地表最大豎向位移為14 mm，公式計算得到其最大沉降為25 mm。其數值相差大的原因是數值計算考慮因素較公式計算少，但總趨勢較為一致。

(4)可采用注漿的方法來減小盾構施工對樁基的影響。注漿后，鄰近隧道施工側的樁基沉降降低了約58%；最大沉降值由13 mm(未注漿加固)減少到2.4 mm(采用注漿加固)，效果較為顯著。

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