盾構施工參數對地鐵穿越公路橋梁樁基的影響

蘇 寶

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300000)

隨著人民生活水平的不斷提高和城市化建設的快速發展，能夠提高人們出行便捷程度的地鐵施工在全國陸續開展起來，然而，由于前期公路或者橋梁規劃過程中，未涉及有新興地鐵等交通工具的規劃，因此，在地鐵施工過程中往往會出現需要穿越公路橋梁等工程的施工[1-2]。其中，盾構施工技術作為一種將盾構機械在地中推進，通過盾構外殼和管片支承四周圍巖防止發生往隧道內的坍塌，同時在開挖面前方用切削裝置進行土體開挖，通過出土機械運出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進，并拼裝預制混凝土管片[3-4]，形成隧道結構的一種機械化施工方法在現代化地鐵穿越公路橋梁施工中得到了廣泛應用。實際盾構施工過程中的盾構施工參數對地鐵穿越公路橋梁樁基的影響方面的研究尚未見報道[5-7]，本文考察開挖步數、掌子面推力和注漿壓力對樁基變形的影響，結果可為現代化地鐵穿越施工技術提供必要的支撐。

1 模型建立與處理

采用三維建模的方法來分析地鐵穿越公路橋梁樁基的變形行為，主要針對隧道、樁基和土體3個部分，立體模型采用ANSYS建立 SOLID45模型(60 m×60 m×45 m，單元總數83 168個)[8]，圖1為地鐵穿越隧道與樁基平面位置示意圖，其中，隧道中心線距離地表和隧道內徑分別為14、7.8 m，樁基與隧道的距離為1 m，圓形樁直徑為1.8 m。

圖1 地鐵穿越公路橋梁與樁基平面位置示意圖 (單位：cm)

三維模型中涉及到的管片、注漿層和樁的線彈性參數包括彈性模量、泊松比和重度，其中，襯砌管片的彈性模量、泊松比和重度分布為27 600 MPa、0.2和25 kN/m3，注漿層的彈性模量、泊松比和重度分布為1 000 MPa、0.17和21 kN/m3，樁的彈性模量、泊松比和重度分布為32 000 MPa、0.3和25 kN/m3。三維模型中X軸的邊界條件為±30，Z方向的邊界為-45～0，Y方向的邊界為-46，模型Y方向的上表面為自由面[9]。樁基頂部的均布載荷為1.58 MPa。

由于盾構施工過程中的樁基與土體物性參數有較大不同，因此在建模過程中需要考慮樁土接觸處理情況，這里主要考慮摩擦系數，結合以往實際工程經驗，設置樁基與土體之間摩擦系數μ=0.45[10]。

2 結果與分析

圖2為地鐵穿越公路橋梁的樁基橫向水平位移與樁身埋深之間的關系，分別列出了開挖第1步、第4步、第7步、第8步、第11步和第15步時的對應關系，每步開挖3 m。對比分析可知，在開挖第1步時，樁基橫向水平位移隨著埋深的變化較小；隨著開挖步數的增加，樁基橫向水平位移與樁身埋深關系曲線逐漸轉變為“鼓凸”狀，且隨著開挖步數增加，樁基橫向水平位移呈現逐漸增大的趨勢，在開挖步數為7、8、11、15時，樁基橫向水平位移分別為1.44、2.25、3.57、3.64 m，可見，當開挖步數增加至11步及以上時，繼續增加開挖步數對樁基橫向水平位移的影響不大。

圖2 地鐵穿越公路橋梁的樁基橫向水平位于與樁身埋深之間的關系

圖3為地鐵穿越公路橋梁的樁身豎向位移與樁身深度的關系曲線。在未開挖時，地鐵穿越公路橋梁的樁頂沉降和樁底沉降分別為16.23、10.92 m，這主要是因為樁側摩擦阻力和樁端土承載力影響所致[11]；在開挖過程中，土體會發生回彈效應，因此不同開挖步數下的樁頂沉降和樁底沉降有所減小，并在開挖15步時的樁頂沉降和樁底沉降分別達到14.90、10.28 m。在相同的樁身深度下，開挖步數越小則對應的樁身豎向位移變化越小，且都小于未開挖時地鐵穿越公路橋梁的樁頂沉降和樁底沉降距離。

圖3 地鐵穿越公路橋梁的樁身豎向位移與樁身深度的關系曲線

圖4為地鐵穿越公路橋梁的樁基縱向水平位移與樁身埋深的關系曲線，分別列出了開挖第1步、第4步、第7步、第8步、第11步和第15步時的對應關系。在開挖第1步時，樁基縱向水平位移相對較小，而隨著開挖步數從4增加至15步時，樁基縱向水平位移呈現先增加后減小特征，在開挖第8步時的樁基縱向水平位移最大，達到3.22 m。這主要是因為在開挖步數8步及以下時，在注漿壓力、樁側摩擦力等因素下樁基縱向水平位移會呈現逐漸增大的趨勢，但是當開挖步數超過8步時，掌子面在施工過程中會慢慢遠離樁基，樁體變形減小的同時使得樁基縱向水平位移反而有所減小。

圖4 地鐵穿越公路橋梁的樁基縱向水平位移與樁身埋深的關系曲線

在實際地鐵穿越公路橋梁樁基的盾構施工過程中，盾構推力和注漿壓力都是影響施工的重要參數，有必要進行盾構推力和注漿壓力對樁基變形的影響行為研究。在進行掌子面推力分析時，設定盾構施工過程中掌子面推力分別為0.2、0.3、0.4、0.5 MPa，注漿壓力為0.25 MPa；在進行注漿壓力分析時，設定盾構施工過程中掌子面推力分別為0.15、0.25、0.35、0.45 MPa，注漿壓力為0.3 MPa。圖5為不同掌子面推力的樁體埋深與橫向位移的關系曲線，對比分析可知，在不同的掌子面推力下，樁基橫向位于與樁體埋深的關系曲線基本重合，這也就說明掌子面推力不會對樁基橫向位移造成明顯影響[12]。

圖5 不同掌子面推力的樁體埋深與橫向位移的關系曲線

圖6為不同掌子面推力的樁體埋深與縱向位移的關系曲線。當掌子面推力為0.2 MPa時，樁基縱向位移變化幅度較小(最大變形約0.62 mm)，而隨著掌子面推力逐漸增大，樁基縱向位移呈現逐漸增大的趨勢，在掌子面推力為0.5 MPa時，樁基縱向位移的最大變形可達5.87 mm。在盾構施工過程中，樁基縱向位移始終保持負數，這主要是因為在盾構施工過程中，樁基會朝著開挖方向發生變形的緣故，而掌子面推力的增加會對縱向位移有一定影響，且表現為推力越大則縱向位移越大的特征。

圖6 不同掌子面推力的樁體埋深與縱向位移的關系曲線

圖7為不同注漿壓力的樁體埋深與橫向位移的關系曲線。對比分析可知，注漿壓力會對樁體埋深-橫向位移產生明顯影響。當注漿壓力分別為0.15、0.25、0.35、0.45 MPa時，樁體最大橫向位移分別為2.08、3.66、5.08、6.62 mm，可見，樁體最大橫向位移會隨著注漿壓力增加而逐漸增大，究其原子，這與不同埋深處的變形會隨著注漿壓力的最大而增加有關，從而使得樁頂位置會出現向外移動的特征。

圖7 不同注漿壓力的樁體埋深與橫向位移的關系曲線

圖8為不同注漿壓力的樁體埋深與縱向位移的關系曲線。當注漿壓力為0.15 MPa時，縱向位移最大處約-2.86 mm，而樁頂也由于在盾構施工中未加約束而發生了-2.17 mm的變形；當注漿壓力為0.25 MPa時，樁體的縱向位移最大處約-2.43 mm，樁頂的縱向位移約為-1.32 mm；當注漿壓力為0.35 MPa時，樁體的縱向位移最大處約-1.81 mm，樁頂的縱向位移約為-1.27 mm；當注漿壓力為0.45 MPa時，樁體的縱向位移最大處約-1.22 mm，樁頂的縱向位移約為-0.78 mm。可見，隨著注漿壓力從0.15 MPa增加至0.45 MPa，樁體和樁頂的縱向位移都呈現逐漸減小特征，樁體埋深-縱向位移曲線的鼓凸程度逐漸區域平緩。注漿壓力對樁體橫向位移和縱向位移的影響明顯不同，隨著注漿壓力增加，樁體橫向位移逐漸增大而縱向位移逐漸減小。綜合不同注漿壓力的樁體埋深與橫向位移的關系曲線可知，在對地鐵穿越公路橋梁樁基進行盾構施工過程中，可以通過調整注漿壓力來對樁體變形進行控制，從而最大限度的保證樁體的穩定。

圖8 不同注漿壓力的樁體埋深與縱向位移的關系曲線

3 結論

a.隨著開挖步數的增加，樁基橫向水平位移與樁身埋深關系曲線逐漸轉變為“鼓凸”狀，且隨著開挖步數增加，樁基橫向水平位移呈現逐漸增大的趨勢，在開挖步數為7、8、11、15時，樁基橫向水平位移分別為1.44、2.25、3.57、3.64 m。

b.在不同的掌子面推力下，樁基橫向位于與樁體埋深的關系曲線基本重合，這也就說明掌子面推力不會對樁基橫向位移造成明顯影響；隨著掌子面推力逐漸增大，樁基縱向位移呈現逐漸增大的趨勢，在掌子面推力為0.5 MPa時，樁基縱向位移的最大變形可達5.87 mm。

c.注漿壓力對樁體橫向位移和縱向位移的影響明顯不同，隨著注漿壓力增加，樁體橫向位移逐漸增大而縱向位移逐漸減小。