盾構施工對不同齡期樁基影響分析

郭 聰

(福州市城鄉建總集團有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隧道在盾構施工過程難免將對周圍環境產生不同程度影響，特別是對建筑物(構筑物)樁基產生不利的影響，甚至影響到建筑物(構筑物)的正常使用和安全。其原因在于盾構施工過程，土體的應力釋放導致隧道周圍土體應力重新分布，應力的變化導致了土體中位移的產生，而任何影響土體應力變化的因素都會引起樁基承載性狀的改變[1]。

對于隧道與樁相互作用的研究，Mair[2]對現場施工進行了監測，Bezuijen等[3]、Loganathan等[4]進行了大量的離心機模型試驗，發現隧道施工會改變臨近樁基的受力性態。Morton等[5]試驗，研究了隧道施工對樁基承載力和沉降的影響，發現隧道施工會對樁基產生嚴重的影響，軟弱土層中鄰近樁基是設計和施工中必須考慮的重要因素。文獻研究表明[6-7]，對近鄰樁基承載性狀的影響因素，有樁基離開盾構隧道的距離、土體力學性質、樁基原有荷載的大小、樁長、樁徑、襯砌支護時間、盾尾后注漿質量、盾構面水土平衡壓力和盾構機的盾構姿態等。

本文以福州市湖塘路至化工路段在建的橋梁樁基與盾構隧道同步施工過程為例，結合三維有限元分析方法，分析盾構隧道推進至橋梁樁基過程中的樁基混凝土處于不同齡期情況下的樁基內力和變形，并針對推進過程遇到的最不利區段提出合理性措施，以便于最終確保橋梁樁基的安全。

1 工程背景

該項目為福州市前橫路快速化改造工程中的一部分，設計路段為福新東路至湖塘路段、湖塘路至化工路段和化工路至塔頭路段，項目與地鐵4號線共線。以湖塘路至化工路段為例，該段共 58 根樁基，其中 56 根樁基與盾構凈距大于2m，2根與盾構凈距：1m<凈距≤2m，對于1m<凈距≤2m的樁基采取保護措施(采用深護筒施工，鋼護筒底穿過盾構底 3m，施工后不拔除)。

考慮到盾構隧道施工與橋梁樁基施工工期較為接近，在盾構推進至橋梁樁基時，樁基混凝土將可能處于不同養護齡期，為了避免盾構隧道施工對不同齡期樁基帶來不利影響，針對盾構隧道對不同齡期的樁基內力和變形進行分析，以確保橋梁樁基安全。

2 有限元分析模型構建

2.1 基本假定

三維有限元分析模型，建立在以下6個基本假定基礎：

(1)土體為各向同性的連續介質彈塑性模型，各層土均不考慮層頂或層頂的起伏，按等厚度考慮。

(2)土體在自重作用下產生的變形和應力在開挖前已經完成，計算中不予考慮，且不考慮土體變形的時間效應。

(3)盾構隧道不考慮管片之間的連接，按均勻、連續圓環管片進行模擬分析。

(4)模型重點研究土體的短期變形，僅考慮在計算域范圍內盾構掘進產生的土體變形，不考慮盾構駛出計算域后土體長期固結的影響。

(5)模型采用“剛度遷移法”來模擬盾構向前推進過程，即盾構一步一步“跳躍”式推進，推進模擬中暫不考慮管片安裝與盾構停機的影響。

(6)模型僅考慮單線盾構施工階段對樁基影響，未考慮雙線盾構下穿對樁基影響。

2.2 模型參數選取

本研究中Midas三維有限元分析模型的參數取值具體如下：

(1)土層長度取60m，寬度取50m，厚度取70m，可忽略邊界效應影響，如圖1所示。

圖1 總體模型

(2)土體采用小應變硬化土模型，土體厚度選取鉆孔獲得的土層厚度，自上而下為4.6m雜填土、17.2m淤泥、1m粉質黏土、19.7m淤泥質土、2.5m粉質黏土、6.1m卵石、10.7m砂土狀強風化花崗巖、2.5m碎塊狀強風化花崗巖。

(3)橋梁樁基采用線彈性模型進行模擬，其彈性模量依據表1分別選取7d、14d和28d強度進行考慮，泊松比取0.20，采用梁單元進行模擬，樁徑包括1.5m、1.8m。

表1 不同齡期的混凝土強度及彈性模量

(4)盾構隧道采用線彈性模型進行模擬，內徑取5.7m，厚度0.35m，彈性模量取3.45×104MPa，泊松比取0.20。

(5)樁基距隧道外邊線距離分別取1m、3m、5m。

(6)模型左、右側邊界約束土體水平位移，底部邊界約束土體豎向位移。

(7)盾構機頭錐度所產生的地層損失率按1.5%考慮，管片安裝后隧道與襯砌間隙所產生的地層損失率按1.5%考慮。

(8)掌子面壓力在盾構頂部按125kPa計算，沿深度按12.5kPa/m計算，注漿壓力按200kPa計算。

樁基的內力及變形分析計算工況具體如下：

(1)根據橋梁施工前場地標高，建立土層，形成初始地應力，并對位移清零；

(2)不同距離的橋梁樁基施工；

(3)盾構分步施工。

2.3 模型工況設計

本次樁基的內力及變形分析計算工況具體如下：

(1)根據橋梁施工前場地標高，建立土層，形成初始地應力，并對位移清零；

(2)不同距離的橋梁樁基施工；

(3)盾構分步施工。

具體如表2所示。

表2 模擬分析工況設計表

2.4 參數驗證

工程實踐表明，盾構隧道的影響分區可分為強烈影響區(Ⅰ)、顯著影響區(Ⅱ)、一般影響區(Ⅲ)，具體分區范圍如圖2所示，其中Hi表示隧道中心埋深。

圖2 盾構隧道影響分區圖

結合地鐵盾構隧道經驗，沉降槽反彎點距隧道軸線距離約0.5Hi，沉降槽主要影響范圍為距離隧道軸線與2.0Hi的范圍內。

由圖3可知，計算所得的地表沉降槽與上述盾構法隧道影響區的劃分范圍極為接近，與福州地區的盾構隧道施工引起的沉降經驗較為吻合，表明本研究模型參數的取值合理。

圖3 計算所得地表沉降曲線

3 模擬試驗結果分析

3.1 不同樁徑下樁基變形及內力分析

在養護齡期均為7d的樁基以及樁基與盾構隧道凈距均為1m的情況，不同直徑樁基條件下樁基變形如圖4所示。

(1)1.2m直徑樁基條件下樁基變形圖(最大水平位移：9.5mm) (2)1.5m直徑樁基條件下樁基變形圖(最大水平位移：9.6mm)

另一方面，養護齡期均為7d的樁基以及樁基與盾構隧道凈距均為1m的情況下，不同直徑樁基條件下盾構隧道推進引發的樁基彎矩如圖5所示。

(1)1.2m直徑樁基條件下樁基彎矩圖(遠離盾構側：676kNm；遠離盾構側：-939kNm) (2)1.5m直徑樁基條件下樁基彎矩圖(遠離盾構側：1024kNm；遠離盾構側：-1427kNm)

由圖4可知，在樁徑在1.2m～1.8m范圍內，樁基最大水平位移隨著樁徑增大呈先增后減的變化模式，樁徑達到1.8m時其最大水平位移為最小值(為7.0mm)，同時由圖4可以看出樁基的變形趨勢基本相同，呈“拋物線”形式。由圖5可知，隨著樁徑的增大，遠離盾構側所受的彎矩值也相應增加，同時在樁徑較大情況下，遠離盾構側的正負彎矩絕對值基本接近。

另一方面，根據上述分析結果可知，不同齡期、不同距隧道凈距的樁基偏位值如表3所示。

表3 樁基側向偏位最大值

由表3可以看出，當樁基距離隧道較近(最小凈距不大于 3m)時，樁基最大偏位值隨著與隧道距離的減小而增大，而隨著樁基與隧道的距離增大時，樁基的最大偏位位置逐漸由隧道標高附近轉移至地表。其主要原因在于：當樁基距離隧道較近時，隧道周邊土體水平位移最大，此時地表附近土體位移很小；而隨著與隧道距離增大，隧道周邊土體水平位移逐漸減小，地表附近土體水平位移則逐漸增大，致使樁基的偏位值及最大偏位部位發生明顯不同。

同時，隨著齡期增大，樁基最大偏位逐漸減小。這是由于砼齡期增大后，其彈性模量逐漸提高，樁基抗變形能力也逐漸增大，故其變形逐漸減小。但由于樁基的砼齡期大于14d 后，其彈性模量變化量不大，故其對變形的影響也較小。

3.2 不同樁基齡期下樁基變形及內力分析

在樁基直徑均為1.5m的樁基以及樁基與盾構隧道凈距均為1m的情況下，不同齡期樁基條件下樁基變形如圖6所示。

(1)齡期為7d的樁基條件下樁基變形圖(最大水平位移：9.6mm) (2)齡期為14d的樁基條件下樁基變形圖(最大水平位移：9.0mm) (3)齡期為28d的樁基條件下樁基變形圖(最大水平位移：9.2mm)

另一方面，在樁基直徑均為1.5m的樁基以及樁基與盾構隧道凈距均為1m的情況，不同齡期樁基條件下盾構隧道推進引發的樁基彎矩如圖7所示。

(1)齡期為7d的樁基條件下樁基彎矩圖(遠離盾構側：1024kNm；遠離盾構側：-1427kNm) (2)齡期為14d的樁基條件下樁基彎矩圖(遠離盾構側：1313kNm；遠離盾構側：-1521kNm) (3)齡期為28d的樁基條件下樁基彎矩圖(遠離盾構側：1386kNm；遠離盾構側：-1583kNm)

由圖6可知，7d齡期的樁基，其變形的最大水平位移相對較大，達到9.6mm，此后隨著齡期增長，樁基混凝土強度增強，因此到14d齡期時其最大水平位移相對變小(為9.0mm)，而隨著樁基混凝土強度繼續增強的過程中，后期出現一定的回彈，強度基本穩定時其最大水平位移為9.2mm。由圖7可知，不同齡期下，樁基混凝土的彎矩遠離盾構側的前后差值基本在200～400 kNm之間浮動，同時齡期越大，差值也相應越小。

樁基附加內力分析：

根據設計，直徑Φ1500 的樁基計算參數取值如下：系數α1=1.0，圓形截面半徑r=0.75m，縱向鋼筋重心所在圓周半徑rs=0.66m，混凝土抗壓強度fc=13.8N/mm2(C30)，鋼筋抗拉強度fy=330 N/mm2(HRB400)，樁基上部 35m 縱筋采用 30C28，下部采用 15C28。

在上部結構尚未施工情況下，樁基上部荷載及樁身自重暫不予以考慮，樁基抗彎和抗剪承載力復核如表4～表5所示。

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表4 樁基抗彎承載力復核 kN·

表5 樁基抗剪承載力復核 kN·m

由表4可知，當樁基與盾構凈距不大于2m時，盾構施工引發的樁基附加彎矩不滿足抗彎承載力；當樁基與盾構凈距大于2m時，樁基附加彎矩可滿足抗彎承載力。

由表5可知，當樁基與盾構凈距不大于3m時，樁基剪力無法滿足抗剪承載力要求；而當樁基與盾構凈距不少于3m時，樁基剪力可以滿足抗剪承載力要求。

3.3 不同樁基與盾構隧道凈距下樁基變形及內力分析

在樁基直徑均為1.5m以及養護齡期均為7d情況下，不同樁基與盾構隧道凈距條件下樁基變形如圖8所示。

另一方面，在樁基直徑均為1.5m的樁基以及養護齡期均為7d的樁基情況，不同樁基與盾構隧道凈距條件下盾構隧道推進引發的樁基彎矩如圖9所示。

(1)樁基與盾構隧道凈距為1m條件下樁基變形圖(最大水平位移：9.6mm) (2)樁基與盾構隧道凈距為2m條件下樁基變形圖(最大水平位移：6.6 mm)

(1)樁基與盾構隧道凈距為1m條件下樁基彎矩圖(遠離盾構側：1024kNm；遠離盾構側：-1427kNm) (2)樁基與盾構隧道凈距為2m條件下樁基彎矩圖(遠離盾構側：808kNm；遠離盾構側：-593kNm)

由圖8可知，樁基與盾構隧道凈距越大時，隧道盾構對橋梁樁基的影響程度就越小，因此樁基的最大水平位移值也越小，同時遠離盾構側的彎矩值也相應越小。由此可知，樁基與盾構隧道凈距越大越對橋梁樁基有利。

4 結論

為了了解盾構掘進施工對鄰近橋梁樁基內力及變形的影響，本研究分別選取不同齡期(7d、14d、28d)、不同樁徑(1.2m、1.5m、1.8m、2.0m)及不同隧道凈距(1m、2m、3m、5m)樁基進行計算，分析結果如下：

(1)當樁基距離隧道較近(最小凈距不大于3m)時，樁基最大偏位值隨著與隧道距離的減小而增大，而隨著樁基與隧道的距離的增大時，樁基的最大偏位位置逐漸由隧道標高附近轉移至地表。

(2)隨著樁基齡期的增大，樁基樁身混凝土強度和剛度不斷提高，其樁身偏位值逐漸減小，但附加內力則逐漸增大。

(3)當樁基與盾構凈距不大于2m時，盾構施工引發的樁基附加彎矩不滿足抗彎承載力；當樁基與盾構凈距大于2m時，樁基附加彎矩可滿足抗彎承載力；故，當樁基與盾構隧道距離較近時，建議按設計要求采取套管保護樁基安全。

(4)當樁基與盾構凈距不大于3m時，樁基的剪力無法滿足抗剪承載力要求；而當樁基與盾構凈距不少于3m時，樁基的剪力可以滿足抗剪承載力要求；故當樁基與盾構隧道距離較近時，建議按設計要求采取套管保護樁基安全。

結合上述分析結果可知，盾構隧道施工對鄰近橋梁樁基將產生不同程度的影響，為了確保樁基安全，建議如下：

(1)建議在樁基施工時，埋設必要的檢測設備，并按設計要求進行樁基施工質量、完整性及承載力檢測，以確保樁基安全。

(2)考慮到盾構機掌子面掘進至樁基前一定距離即對樁基產生不利影響，故，建議在掌子面推進至距樁基10m前，應確保樁基混凝土養護齡期不少于14d，以確保樁基安全。

(3)鑒于實際地層損失率可能大于計算的理論地層損失率，且模型僅考慮單線盾構施工階段對樁基影響，未考慮雙線盾構下穿對樁基的影響，故，在盾構施工期間，建議對樁基及鄰近土體布設深層水平位移監測點，以便于掌握樁基的偏位情況。

(4)本研究未考慮盾構管片的分塊安裝，且推進模擬中未考慮管片安裝與盾構停機的影響，掌子面壓力及注漿壓力等施工參數亦可能與實際情況存在一定差異，故，在盾構施工期間應及時了解盾構施工參數，當存在較大差異時，應重新評估盾構對樁基的影響。