先后掘進盾構間距對下穿既有立交橋樁基影響分析

馮 勇 （中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

1 引言

伴隨城市的發展，市內交通擁堵日趨嚴重，目前解決城市交通擁堵現象的主要方法是修建地鐵與高架，兩者大都在不同的時期建設，且高架建設大都早于地鐵建設。后期建設地鐵對前期建設的高架難免產生影響，甚至影響其安全運行，對其結構安全進行分析非常必要。

R.B.Peck通過對單孔隧道施工所產生的地表沉降數據進行研究，提出地表沉降凹槽近似于正態分布曲線；1975年，劉建航院士通過對上海地鐵監測數據進行研究分析，提出了“欠地層損失”概念，并對Peck公式進行了修正。2002年Mroueh和Shahrour等人根據地鐵經過單樁和樁群基礎引起的偏移量和沉降量，運用數值計算方法進行分析研究，他們提出隨著盾構的推動，樁基的彎曲力矩和剪切應力都將得到增加，并且樁基的位移量和豎直應力也會隨著樁身與隧道之間的水平和縱向間距的變化而發生變化。2011年張恒、陳壽根等對隧道盾構下穿公路立交橋分析，發現樁基主要是水平方向上的變形，并且上半部分朝向隧道一側，下半部分背離隧道一側。

2 模型建立

2.1 模型概況

本文以合肥地鐵2#線下穿五里墩立交橋為研究對象，并選取其相關數據建立數值模擬模型，依據圣維南計算原理，規定左、右隧道軸線向外5D（D為隧道直徑）距離作為此模型的X軸，距離為78m；規定沿隧道軸線方向作為模型的Y軸，長度為60m；規定豎向作為模型的Z軸，長度為45m。土體厚度為39m，拱頂至地表取其覆土厚度為25.5m；盾構掌子面直徑為6.28m；模型選取寬度為1.5m厚度為0.3m的管片；注漿層厚度為0.14m。立交橋橋樁長度為16.5m，樁徑1.2m，樁體與拱頂距離為7.5m。左隧道與右隧道中心相距18m，左樁體中心在兩隧道之間三分之一位置處，距左側隧道中心線12m；右樁體中心距右側隧道中心線為9m。隧道與樁體相對位置如圖2所示。

圖1 有限元建立的數值模型

圖2 盾構區間隧道與樁基的位置關系圖

2.2 模型參數

依據地質勘查報告的相關數據，確定所建立模型中的地層分布自上而下分別為：人工土覆蓋層、粘土層、全風化泥質砂巖層、強風化泥質砂巖層及中等風化泥質砂巖層，厚度分別為1.2m、5.9m、2.1m、4.7m、24.5m。采用實體單元來進行有限元數值模擬。土體選用M—C本構模型，管片、樁基、承臺和注漿均選用線彈性本構模型。盾構掘進過程利用FLAC進行數值模擬，按掘進順序激活管片和注漿體，其中注漿凝固可分為兩步驟進行，開始注入漿體時候，漿體彈性模量較小，往后隨著漿體的凝固，漿體彈性模量逐漸增加。由于存在微小裂縫，混凝土實際值與理論值存在一定誤差，故取實際彈性模量的90%作為理論計算值，均設31.5GPa。

材料物理力學參數見下表。

材料參數表

2.3 接觸面作用

樁—土接觸面分成若干個三角形單元，由兩個三角形單元構成四邊形單元，繼而組合成接觸面。樁—土接觸面如圖3所示，接觸面法向剛度與剪切剛度由下式求解得出：

圖3 樁—土接觸面的模型示意圖

K—體積模量

G—剪切模量

ΔZ—接觸面最小連接尺寸

體積模量和剪切模量可根據下式計算得出：

E—彈性模量

V—泊松比

樁土接觸面參數中，粘聚力c和摩擦角φ的取值為樁基周圍土層相關參數的0.7倍，橋墩自重和橋板承受荷載取為1800kN。

3 數值模擬結果分析

滯后距離分別設定為 0m、12m、24m、36m和60m，根據五種工況進行分析對比。

3.1 滯后距離對水平位移影響分析

1-4號樁基的水平側向位移，如圖4～圖7所示。

圖4 樁1在各種滯后距離下的樁身水平位移

圖5 樁2各種滯后距離下的樁身水平位移

圖6 樁3在各種滯后距離下的樁身水平位移

圖7 樁4在各種滯后距離下的樁身水平位移

由圖4～圖7可以看出：在0～60m各種間距下樁身的水平變形規律基本一致，右線先行掘進，且距離樁基較近，隧道掘進造成樁基一側側壓減小，四個樁基水平位移基本是向先行隧道偏移的。樁1、樁2下部分距離先行隧道僅為2.3m，受土層擾動及損失率影響，樁身附加彎矩和軸力增加，導致樁1、樁2自樁頂向下到2/3樁長范圍之間水平位移逐漸減小，而自2/3樁長到樁段，其水平位移變形量逐漸增加。樁1、樁2的樁頂水平偏移量與滯后距離呈正相關，其水平位移增加約27%；而樁3、樁4水平位移僅增加約6.8%。

3.2 間隔距離對豎向位移影響分析

1、2、3和4號樁基的豎向位移，見圖8所示。

圖8 樁1、2和樁3、4在距離0m 時每根樁基豎向位移變化云圖

圖8～圖13中可得出：在五種工況下，四個樁基的樁頂沉降變化趨勢基本相同，盾構開挖樁底引起了少量的撓曲變形，導致樁頂的豎向位移比樁底的豎向位移略微偏大；隨著間隔距離的增大，樁頂部沉降有所降低，超過6倍樁徑后沉降趨于穩定，樁1、樁2的沉降減小約28%，樁3、樁4減小約5%；在滯后距離為60m時，樁1～4的樁頂沉降量分別為 3.50mm、3.43mm、2.42mm和2.40mm。

圖9 樁1、2和樁3、4在距離12m 時每根樁基豎向位移變化云圖

圖10 樁1、2和樁3、4在距離24m 時每根樁基豎向位移變化云圖

圖11 樁1、2和樁3、4在距離36m 時每根樁基豎向位移變化云圖

圖12 樁1、2和樁3、4在距離60m 時每根樁基豎向位移變化云圖

圖13 距離60m時樁頂豎向位移變化曲線

3.3 間隔距離對地面沉降影響分析

在Y=30處地表各監測點沉降變化如圖14所示，從圖14可以看出，地表沉降曲線為“W”形。隨著間隔距離的增加，先行隧道的地表沉降不斷減小，后行隧道的表面沉降程度相對較小。在先行線和后行線隧道開挖的整個過程中，對地面沉降的主要危害范圍分別是中線兩側的3D和2.25D。多線隧道關鍵危險區的沉淀池容積約占沉淀池總容積的3/4。左右線間距為60m時，先行線隧道中心最大沉降量和后行線隧道中心最大沉降量3.18mm、3.01mm；不同間隔距離下先行線隧道中心位置地表沉降要比后行線隧道約大6%～17%。先行線隧道的表面沉降最大值位于兩個隧道中間的樁基右側，距離約0.25D處，并且靠近先行開挖隧道的側面。

圖14 Y=30m處地表橫斷面各監測點縱向沉降變化圖

4 結論

通過分析可以得到以下主要結論。

①不同盾構掘進間隔距離，高架橋樁基水平變形規律基本一致，右線先行掘進，且距離樁基較近，隧道掘進造成樁基一側側壓減小，四個樁基水平位移基本是向先行隧道偏移的。

②由于樁1和樁2下部分距離先行隧道凈距僅為2.3m，土層受到擾動，損失率產生變化后，樁身附加彎矩和軸力增加，進而導致樁1和樁2自樁頂向下到2/3樁長范圍之間水平位移逐漸減小，而自2/3樁長到樁段其水平變形逐漸增加。樁1、樁2的頂部水平偏移量與樁間距的大小呈正相關，其水平移動距離增加約27%；而樁3、4水平方向位移僅增加約6.8%左右。

③盾構開挖樁底產生極小的撓曲變形，從而會導致樁頂的豎向位移比樁底的豎向位移略微偏大；隨著間隔距離的增大，樁頂部沉降有所降低，超過6倍洞徑后趨于穩定，樁1和樁2的沉降減少約28%，樁3和樁4減少約5%。

④表面沉降曲線為“W”形，并且表面沉降量與間隔成反比。在隧道開挖的整個過程中，破壞地面沉降區域的關鍵是中心線的兩側，即3D和2.25D左右。在不同距離下，先行線隧道中心的地表沉降量比后行隧道大6%～17%。先行隧道的地表沉降最大值位于兩條隧道之間的樁基右側，距離約為0.25D，且靠近第一個基坑的隧道開挖側面。