盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近斜樁的影響研究

邱紅勝 符傳邦

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

斜樁在橋梁、海上鉆井平臺(tái)、大型輸變電塔及建筑物等各個(gè)工程領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用.隨著隧道工程的快速發(fā)展，隧道近距離側(cè)穿樁基礎(chǔ)的現(xiàn)象備受關(guān)注.

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究并取得了豐碩成果.路平等[1]針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地表沉降影響進(jìn)行參數(shù)化分析，提出風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估方法及相應(yīng)的精細(xì)化控制措施.王云崗等[2-3]對(duì)斜樁的受力性狀及承載特性進(jìn)行了研究.顧明等[4]利用離心機(jī)模型試驗(yàn)，對(duì)比了直樁群樁和斜樁群樁抵抗水平及偏心荷載的不同特性.周立朵等[5]基于群樁p-y曲線(xiàn)法和剪切位移法，分別計(jì)算獲得荷載-位移關(guān)系曲線(xiàn)、樁身彎矩分布規(guī)律曲線(xiàn)等規(guī)律.王麗等[6-7]采用有限元法研究隧道盾構(gòu)對(duì)樁基礎(chǔ)的影響.呂凡任等[8]通過(guò)模型試驗(yàn)研究豎向荷載作用下斜樁的承載特性.

Loganathan等[9]通過(guò)離心模型試驗(yàn)分別研究了隧道盾構(gòu)施工對(duì)鄰近樁基的影響及單斜樁在水平荷載作用下的承載力.Hanna等[10]采用模型試驗(yàn)對(duì)不同傾斜度的斜樁在均質(zhì)砂土中的側(cè)摩阻力進(jìn)行了一定研究.武林等[11]利用有限元法研究了隧道掘進(jìn)對(duì)樁的影響.

上述研究針對(duì)斜樁工作性狀和隧道盾構(gòu)對(duì)樁基的影響，實(shí)際工程中也會(huì)遇見(jiàn)隧道盾構(gòu)側(cè)穿斜樁的案例，然而，大多學(xué)者主要針對(duì)盾構(gòu)施工對(duì)直樁基礎(chǔ)的影響，很少涉及盾構(gòu)施工對(duì)斜樁基礎(chǔ)影響的研究.本文通過(guò)有限元法模擬隧道盾構(gòu)對(duì)斜樁工作性能的影響.

1 有限元模型

1.1 模型參數(shù)

以天津地鐵2號(hào)線(xiàn)為為工程背景，土質(zhì)主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂.采用修正摩爾-庫(kù)倫模型，該模型能較好體現(xiàn)隧道掘進(jìn)過(guò)程土體的沉降變形.土層類(lèi)別及物理學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 模型參數(shù)

模型為三維模型，考慮到模型的邊界效應(yīng)，取長(zhǎng)64 m、寬64 m(隧道中心線(xiàn)距兩側(cè)土體邊界各32 m，約為4倍隧道直徑)、高55.5 m.土體頂部不受任何約束，4個(gè)側(cè)面限制兩個(gè)水平方向位移，底部限制豎向及兩個(gè)水平方向的位移.

隧道埋深18 m，地下水位-1.8 m，管片外徑6.6 m，隧道軸線(xiàn)距地面13.9 m.注漿層厚度0.15 m，注漿壓力接近實(shí)際工程取200 kPa.管片厚度0.3 m，考慮到實(shí)際隧道襯砌連接方式會(huì)對(duì)襯砌剛度產(chǎn)生一定影響，對(duì)管片彈性模量折減0.15，采用彈性材料進(jìn)行模擬，管片彈性模量E=25 900 000 kPa，泊松比υ=0.2.

樁長(zhǎng)為30 m、樁徑0.8 m，樁身混凝土強(qiáng)度為C30，采用彈性材料進(jìn)行模擬，樁身彈性模量E=31 500 000 kPa.研究隧道盾構(gòu)施工對(duì)斜樁傾角的影響時(shí)，隧道和斜樁的相對(duì)位置見(jiàn)圖1，斜樁傾角分別為7°、3°、0°(直樁)、-3°、-7°(以樁頂為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，樁身逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，順時(shí)針為負(fù)).

圖1 地層橫斷面圖

1.2 盾構(gòu)施工

盾構(gòu)機(jī)每步掘進(jìn)的長(zhǎng)度對(duì)研究本身產(chǎn)生的影響較小，本次隧道盾構(gòu)盾構(gòu)分為16個(gè)施工步，每步掘進(jìn)長(zhǎng)度為4 m.在掘進(jìn)的過(guò)程中對(duì)前方開(kāi)挖面上的土體施加200 kPa的均布?jí)簯?yīng)力以模擬土倉(cāng)壓力.盾構(gòu)機(jī)每推進(jìn)4 m相應(yīng)的在盾尾拼裝管片并進(jìn)行注漿，注漿對(duì)管片及土體產(chǎn)生的作用力用200 kPa的壓應(yīng)力進(jìn)行模擬.

在模擬開(kāi)挖過(guò)程時(shí)，運(yùn)用軟件賦予的鈍化和激活功能對(duì)開(kāi)挖的土體進(jìn)行鈍化.在每步開(kāi)挖時(shí)將對(duì)應(yīng)盾殼、管片網(wǎng)格組及相應(yīng)的掘進(jìn)應(yīng)力、管片壓力及注漿壓力激活，同時(shí)鈍化開(kāi)挖部分土體.在進(jìn)行管片拼裝及注漿時(shí)，可以用改變屬性的功能將管片及盾殼網(wǎng)格組屬性轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的管片和注漿層屬性.

1.3 天津地鐵2號(hào)線(xiàn)模擬

天津地鐵2號(hào)線(xiàn)隧道埋深18 m.為簡(jiǎn)化計(jì)算，將工程性質(zhì)相近的土層并為一層，各參數(shù)按層厚進(jìn)行加權(quán)平均.地層、埋深、測(cè)點(diǎn)位置等按文獻(xiàn)[1]取.ST1-9,SL1-5分別為橫向及縱向沉降測(cè)點(diǎn)，為便于表述清楚，文中僅對(duì)文獻(xiàn)[1]中盾尾通過(guò)ST5后4 d及刀盤(pán)接近SL3測(cè)點(diǎn)時(shí)進(jìn)行模擬.

圖2為橫向沉降槽及縱向沉降槽曲線(xiàn)圖.由圖2a)可知，除ST3測(cè)點(diǎn)外，其余橫向沉降測(cè)點(diǎn)與本文計(jì)算結(jié)果較為接近，最大沉降差在1 mm以?xún)?nèi)，整體較文獻(xiàn)[1]及實(shí)測(cè)結(jié)果偏大變，但變化趨勢(shì)較為一致，符合peck沉降曲線(xiàn)趨勢(shì).這是由于本文所采用的有限元軟件及土體模型與文獻(xiàn)[1]不同.

由圖2b)可知，文中計(jì)算結(jié)果較文獻(xiàn)[1]及實(shí)測(cè)結(jié)果偏大，其中與文獻(xiàn)[1]實(shí)測(cè)值最大偏差在2 mm以?xún)?nèi)，整體上曲線(xiàn)變化趨勢(shì)一致.綜上，可以驗(yàn)證本文通過(guò)模型反算所得參數(shù)是可靠的，能較好模擬隧道盾構(gòu)施工過(guò)程.

圖2 測(cè)點(diǎn)沉降曲線(xiàn)

2 盾構(gòu)施工對(duì)鄰近斜樁的影響

2.1 隧道掘進(jìn)對(duì)斜樁變形的影響

以樁長(zhǎng)30 m、樁徑0.8 m、傾角3°的斜樁為例，分析隧道掘進(jìn)施工對(duì)斜樁的變形及內(nèi)力的影響.

以X坐標(biāo)軸作為為橫向，樁身水平位移以沿X軸方向?yàn)檎捶较驗(yàn)樨?fù)；以隧道軸線(xiàn)作為縱向，掘進(jìn)方向?yàn)檎荒Ｐ妥鴺?biāo)Z軸方向作為豎向，樁身沉降為負(fù).

樁身的橫向位移以向洞為正，背洞為負(fù).2D為開(kāi)挖面通過(guò)樁身所在位置2倍隧道直徑，-2D為開(kāi)挖面未經(jīng)過(guò)樁身位置，距樁身2倍隧道直徑，其余同理.

隧道向前開(kāi)挖時(shí)，斜樁水平位移變化見(jiàn)圖3.由圖3a)可知，開(kāi)挖面距樁身所在位置-2D之前，開(kāi)挖對(duì)樁身水平位移影響很小，此后影響逐漸變大.其中，影響最大范圍主要集中在-D～2D，且在隧道軸線(xiàn)處達(dá)到最大值，開(kāi)挖后期樁身整體向洞側(cè)傾斜.這是由于隧道開(kāi)挖時(shí)，拱頂土體產(chǎn)生沉降，拱底則隆起，近洞側(cè)樁體受到洞側(cè)土體的推擠效應(yīng)而產(chǎn)生較大背洞橫向位移，而拱頂土體的沉降則帶動(dòng)樁身上部朝向隧洞移動(dòng).在-2D～2D，樁身在隧道軸線(xiàn)處橫向位移增長(zhǎng)2.888 mm，占總位移的84.10%，可見(jiàn)隧道軸線(xiàn)處樁身橫向位移發(fā)展較為迅速.

圖3b)為不同工況下樁身沉降曲線(xiàn)圖，開(kāi)挖面達(dá)到樁身所在處前樁身各處沉降量基本相同，即樁身整體下沉.開(kāi)挖面通過(guò)樁身位置后，樁頂沉降量逐漸大于樁底，最大沉降差為0.573 mm，樁體受到壓縮.這是由于拱底土體隆起所引起的.

圖3 樁身橫向位移與沉降

2.2 斜樁內(nèi)力變化

樁身彎矩以背洞側(cè)受拉為正.圖4為不同開(kāi)挖面位置樁身彎矩曲線(xiàn).由圖4可知：樁身彎矩沿樁長(zhǎng)呈S形分布，樁身在隧道拱頂至拱底段(18～24 m)主要承受正彎距控制，其余部分主要為負(fù)彎矩.-D～2D樁身正彎矩發(fā)展迅速，在隧道軸線(xiàn)處彎矩達(dá)到最大值，其中最大正彎距約130 kN·m，為最大負(fù)彎矩的2.95倍.開(kāi)挖面通過(guò)2D處后對(duì)樁身彎矩影響很小.整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中，樁頂以下8 m范圍內(nèi)彎矩較小且變化不大.

圖4 樁身彎矩

圖5為樁身摩阻力曲線(xiàn).由圖5可知，摩阻力變化規(guī)律：開(kāi)挖面在-D前樁身受到較小正摩阻力且變化不大.開(kāi)挖面通過(guò)-D后，樁身上半部摩阻力由正轉(zhuǎn)負(fù)且負(fù)摩阻力逐漸增大，同時(shí)樁身下半部正摩阻力增長(zhǎng)迅速，開(kāi)挖到4D處時(shí)正摩阻力達(dá)到84.347 kN/m，負(fù)摩阻力達(dá)-31.307 kN/m.

圖5 樁身摩阻力

開(kāi)挖面通過(guò)樁身所在位置后，中性點(diǎn)以上負(fù)摩阻力沿樁身先增大后減小，中性點(diǎn)以下正摩阻力快速增長(zhǎng)，在樁底達(dá)到最大值.隨著開(kāi)挖面的前推，中性點(diǎn)向隧道軸線(xiàn)緩慢下移.此外，距樁頂18 m(隧道拱頂埋深)附近，各工況下的摩阻力十分接近，幾乎不受開(kāi)挖影響.

3 傾角變化對(duì)斜樁的影響

隧道盾構(gòu)施工對(duì)斜樁的影響與樁身的傾角有關(guān)，傾角不同，樁身的內(nèi)力及變形也不同，本文對(duì)不同傾角斜樁進(jìn)行研究.以直樁傾斜角為0°，樁身繞直樁樁頂逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，順時(shí)針為負(fù)，各斜樁傾角分別為7°(傾角為7°時(shí)隧道外沿與樁身水平凈距約為0.68 m)、3°、直樁(與隧道水平凈距為3.7 m)、-3°、-7°.

3.1 不同傾角斜樁的變形

隧道盾構(gòu)施工對(duì)不同傾角斜樁的變形影響見(jiàn)圖6，由圖6可知，各傾角斜樁樁頂橫向位移均隨開(kāi)挖面前推而逐漸增大，在5～11步區(qū)間增長(zhǎng)速率較快，而后趨于穩(wěn)定.開(kāi)挖至-2D前對(duì)樁頂橫向位移影響不大.此外，正斜樁樁頂橫向位移均小于直樁和負(fù)斜樁且樁頂橫向位移隨傾角增大而減小，負(fù)斜樁則相反.傾角為-7°時(shí)樁頂橫向位移最大值為1.604 mm，較7°(0.996 mm)情況下增長(zhǎng)61.04%.由此可看出，斜樁傾角的正負(fù)性對(duì)其樁頂橫向位移的影響較大且正負(fù)傾角差值越大位移差越大.

圖6 橫向位移曲線(xiàn)

圖7a)為各傾角斜樁樁頂?shù)某两登€(xiàn)圖，由圖可知正斜樁樁頂沉降均小于直樁和負(fù)斜樁且傾角越大沉降量越小，負(fù)斜樁則反之.傾角3°斜樁樁頂沉降量與直樁十分接近，在不考慮其他因素的前提下，傾角在0°～3°的斜樁樁頂沉降可按直樁計(jì)算.

圖7b)為不同傾角正斜樁樁底和樁頂沉降曲線(xiàn)，由于篇幅限制，僅對(duì)直樁，3°和7°正斜樁進(jìn)行分析.從圖中可看出開(kāi)挖面距樁身所在位置前12 m(-2D)處，樁頂和樁底沉降量幾乎一致，此前樁身整體下沉，此后樁頂沉降逐漸大于樁底且沉降差逐漸增大，傾角越大樁身壓縮作用越強(qiáng)，沉降差從0.348 mm(直樁)增大至0.672 mm(7°斜樁).

圖7 樁頂、樁底沉降曲線(xiàn)

3.2 傾角不同對(duì)內(nèi)力的影響

圖8a)為樁身軸力變化曲線(xiàn)，由圖可知負(fù)斜樁樁身軸力小于直樁和正斜樁，軸力沿樁長(zhǎng)先增大后減小，增長(zhǎng)或衰減速率小于后兩者，但變化趨勢(shì)一致.負(fù)斜樁軸力最大值出現(xiàn)在距樁頂16 m處，而正斜樁在隧道埋深(18 m)附近達(dá)到最大值，其中7°斜樁最大軸力為-685.397 kN為-7°斜樁(-388.294 kN)的1.765倍，直樁(-466.865 kN)的1.468倍.

圖8b)中，各樁彎矩曲線(xiàn)呈“S”型分布，負(fù)斜樁樁身彎矩正負(fù)性與直樁和正斜樁恰好相反且彎矩值均小于后兩者，三者彎矩均在隧道軸線(xiàn)處達(dá)到最大值.其中，7°斜樁最大194.665 kN·m、-7°和-3°斜樁彎矩較為接近，最大值為-72.204 kN·m.正斜樁傾角變化對(duì)彎矩的影響主要體現(xiàn)在距樁頂18～24 m區(qū)間樁段(近洞樁段)，該段樁身彎矩受傾角變化影響明顯，傾角越大彎矩增長(zhǎng)或衰減越快.負(fù)斜樁彎矩受傾角變化影響不大.

圖8 樁身內(nèi)力曲線(xiàn)

圖9為不同傾角斜樁樁側(cè)摩阻力曲線(xiàn)，從圖中可觀(guān)察到各斜樁摩阻力沿樁身變化趨勢(shì)較為一致，負(fù)斜樁摩阻力隨傾角增大略有減小且中性點(diǎn)逐漸上移，正斜樁摩阻力則隨傾角增大而增大，其中性點(diǎn)逐漸向隧道埋深(18 m)處移動(dòng).這是由于負(fù)斜樁樁身較直樁和正斜樁遠(yuǎn)離隧道，其受隧道影響小于后兩者，而正斜樁上部樁身距地表沉降槽中心較近，傾角越大樁身受地表沉降槽影響范圍越大，該區(qū)段土體沉降較樁體快，因而樁身上半部受負(fù)摩阻力控制且隨傾角增大負(fù)摩阻力分布范圍越大，因而中性點(diǎn)產(chǎn)生下移，而下半部則距隧道較近，受洞側(cè)土體推擠效應(yīng)和拱底土體隆起的影響，樁土接觸面產(chǎn)生較大壓力且樁體相對(duì)樁側(cè)土體下移，由此在樁身下半部產(chǎn)生較大正摩阻力.

圖9 樁側(cè)摩阻力

各樁在樁底處摩阻力達(dá)到最大值，以7°斜樁96.879 kN/m最大.總體上看，負(fù)斜樁樁側(cè)摩阻力小于直樁和正斜樁.

4 結(jié) 論

1) 在開(kāi)挖面距樁身所在位置前后2倍隧道直徑范圍內(nèi),盾構(gòu)施工對(duì)斜樁的影響較大.側(cè)穿施工會(huì)引起近隧道側(cè)樁身產(chǎn)生較大背洞位移及較大附加正彎矩，其中最大背洞位移及最大正彎矩分別為-3.434 mm和130 kN·m，應(yīng)對(duì)該區(qū)域加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè).

2) 盾構(gòu)開(kāi)挖使得樁側(cè)摩阻力發(fā)生改變，開(kāi)挖面距樁身所在位置-D以前樁身受較小正摩阻力控制.隨著開(kāi)挖面不斷推進(jìn)，樁身上半部正摩阻力逐漸發(fā)展為負(fù)摩阻力，下半部樁身正摩阻力則繼續(xù)增大.

3) 斜樁傾角的正負(fù)性對(duì)其樁頂橫向位移和沉降的影響較大且正負(fù)傾角差值越大位移差越大.其中，負(fù)斜樁樁頂橫向位移及沉降量均大于直樁和正斜樁.

4) 對(duì)于0°～7°斜樁，開(kāi)挖面距樁身所在位置前12 m(-2D)處，樁頂和樁底沉降量幾乎一致，此前樁身整體下沉，此后樁頂沉降逐漸大于樁底且沉降差逐漸增大，傾角越大樁身壓縮作用越強(qiáng)，沉降差從0.348 mm(直樁)增大至0.672 mm(7°斜樁).

5) 負(fù)斜樁樁身受力較直樁和正斜樁小且隨傾角增大有減小趨勢(shì)，正斜樁則相反，7°斜樁最大軸力可達(dá)-685.397 kN為直樁(-466.865 kN)的1.468倍.正負(fù)斜樁樁身彎矩的正負(fù)性相反，兩者在隧道軸線(xiàn)處彎矩值最大，分別為194.665 kN·m(7°斜樁)和-72.204 kN·m(-3°斜樁).傾角在-3°～-7°的負(fù)斜樁彎矩對(duì)其傾角變化不敏感，與之對(duì)應(yīng)的正斜樁則較敏感.

6) 正負(fù)斜樁樁側(cè)摩阻力變化趨勢(shì)一致，正斜樁樁側(cè)摩阻力較直樁和負(fù)斜樁大，最大值為96.879 kN/m，其中性點(diǎn)隨傾角增大有下移趨勢(shì)，負(fù)斜樁則相反.-7°～0°斜樁摩阻力變化不明顯.