盾構隧道近接鐵路橋梁樁基施工影響分析

汪海波，楊永慶，盧文東，羅柯柯，徐才厚

(1.中鐵十局集團城市軌道交通工程有限公司 廣州市 511493；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室 成都市 613000)

0 引言

隨著城市基礎設施建設的發(fā)展，地鐵施工環(huán)境條件也變得復雜多變，尤其是在盾構隧道近接施工既有建筑物時，施工安全顯得更加重要。王宏宇[1]依托于數(shù)值模擬技術分析了隧道穿越樁基礎時樁基沉降變化趨勢，為工程安全提供技術驗證。劉歡[2]分析盾構隧道下穿施工對高鐵橋梁的影響，并對盾構下穿施工對高鐵橋梁的風險防護措施進行研究。徐前衛(wèi)等[3]提出了在靠近橋梁一側的左線盾構隧道周圍采取局部注漿的加固方案和對盾構掘進參數(shù)管理的控制措施，確保工程的順利進行。郭波[4]建立結構-高鐵橋墩基礎-土體有限元模型，結果表明穿越過程中能夠保證結構安全穩(wěn)定。孫雪兵[5]研究表明盾構隧道的施工會使樁基產(chǎn)生以沉降為主的附加變形，最大沉降發(fā)生在樁頂處。既有運營鐵路橋梁對擾動變形控制嚴格，研究盾構施工時對樁基的影響變形具有重要的意義。

依托于成都地鐵13號線一期工程穿越成昆鐵路貨運專線橋工程，采用有限差分軟件FLAC3D分析在盾構隧道穿越過程中樁基與地層的位移與應力變化，分析對既有運營鐵路的影響。

1 工程地質(zhì)概況

成都地鐵13號線一期工程在掘進過程中交叉穿越成昆鐵路貨運專線橋。鐵路貨運專線橋全長1655.70m，為簡支梁橋。主跨采用68m系桿拱跨越成龍路，橋臺采用雙線T形空心橋臺，采用摩擦樁基礎。1號墩橋樁長35m，樁徑1.5m，2號橋墩樁長37m，樁徑1.5m，隧道埋深約為11.6m，隧道距離鐵路橋樁最小凈距為2.86m。圖1表示的盾構隧道穿越橋梁基礎的平面示意圖，圖2表示的縱斷面相對位置示意圖。

圖1 隧道與貨運專線橋平面相對示意

隧道斷面外徑8.3m，內(nèi)徑7.5m，襯砌厚度0.4m，管片混凝土強度等級C50，抗?jié)B等級P12，管片采用七分塊方案，采用1.5m寬管片，區(qū)間管片采用1.5m幅寬，管片采用錯縫拼裝。

圖2 隧道與貨運專線橋縱斷面示意

2 數(shù)值模型的建立

FLAC3D軟件的理論基礎是有限差分法，其中的連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日法是基于顯式差分法來求解偏微分方程的。FLAC3D中提供了許多結構模型，比如在本文中采用Pile單元，該單元除了梁單元的特性，還賦予了與網(wǎng)格的法線方向和剪切方向所發(fā)生的交互摩擦作用，適合于模擬法向和軸向都有摩擦作用的樁基礎。

2.1 數(shù)值模型簡介

為減弱模型計算過程中的邊界效應，模型的X方向長度150m，Y方向的寬度為60m，左側Z方向高度為55m，右側Z方向的高度為50m。圍巖變形服從摩爾庫倫本構模型，管片、橋梁基礎等混凝土結構為彈性本構模型，盾殼采用shell單元模擬。在模型的底部與四周施加法向約束，模型的上表面自由。圖3表示的是數(shù)值模擬盾構隧道穿越樁基礎流程，第一步初始化地應力并清除位移；第二步施加樁單元，計算后位移清零；第三步施加隔離樁，并清除地層位移，最終得到結構相對位置示意圖。隨后按照實際開挖過程，先開挖右側樁基礎，再開挖左側樁基礎，并在樁基礎所在位置處施加壁后注漿加固以保證結構的安全，注漿半徑為1m。

圖3 數(shù)值模型施工過程

2.2 材料參數(shù)

表1中表示的是盾構隧道穿越圍巖物理參數(shù)詳細信息。表2中表示的是盾殼、管片、注漿層以及橋梁結構的物理力學參數(shù)。

2.3 結構樁單元簡介

表1 圍巖物理參數(shù)表

表2 隧道、橋梁物理參數(shù)表

計算采用的是pile單元模擬，通過具有彈簧性能的link單元和周圍土層連結，以模擬樁土耦合效應[6]。在樁基礎與承臺之間需要刪除pile單元的原始連接，并將嵌入樁基礎部分更改為固接狀態(tài)。pile單元接觸面切向耦合彈簧黏結力cs和切向摩擦角Φs以及切向剛度ks的計算方法為：

cs=fc·c·p

(1)

φs=fφ·φ

(2)

ks=[fc·c+K0γZ·tan(fφ·φ)]·p/s

(3)

式中：fc表示樁土黏著力系數(shù)；fφ表示樁土外摩擦角系數(shù)；c為土的粘聚力；p為樁的周長；K0為靜止側壓力系數(shù)；Z為覆土高度。

pile單元接觸面法向摩擦角、法向耦合彈簧黏結力以及法向剛度的計算方法為：

(4)

kn=10max[(K+4/3G)/Zmin]

(5)

式中：Kα為主動土壓力系數(shù);Kp為被動土壓力系數(shù)；γ為上覆土加權重度。

3 計算結果分析

3.1 地層豎向位移

在右線隧道施工完成后左線隧道開始施工，在隧道施工完成后，截取在斷面上地層在豎向上的位移云圖，如圖4所示。

圖4 隧道施工完成后縱斷面沉降云圖

從圖4中可以看出，在盾構隧道拱頂以上的土體表現(xiàn)為沉降運動，最大沉降量發(fā)生在拱頂位置，最大量級為7.4mm；拱底位置則表現(xiàn)為隆起運動，最大的隆起量為1.78cm。地表位置處形成由盾構隧道開挖引起的“W”形狀的沉降槽，在盾構隧道穿越正上方沉降量最大，在中夾巖的正上方沉降量相比較小。同時，可以發(fā)現(xiàn)“0”位移線距離右線隧道更遠，這是因為右線隧道開挖后對周圍地層存在初始擾動，在左線隧道再次開挖時，已產(chǎn)生擾動的地層區(qū)域更易發(fā)生位移變形。

3.2 承臺位移分析

圖5表示的是在施工完成后橋梁承臺在豎向上的位移云圖。可以看出橋梁承臺在豎向上的最大隆起量為1.53mm，在豎向上的最大沉降量為0.76mm。因為2號橋臺位于左右線隧道的兩側，受到隧道開挖的影響最大，在開挖完成后表現(xiàn)為向右側傾斜的不均勻沉降。

圖5 橋梁墩臺豎向位移云圖(單位：m)

3.3 樁基位移分析

圖6展示的是在施工完成后樁基礎在X橫向上的位移云圖。1號墩樁基因為雙線盾構隧道的開挖向左側偏移運動，2號墩臺的兩側的樁基礎均向中間位置運動，且可以發(fā)現(xiàn)右側的樁基位移變形量更大，3號墩臺受到隧道開挖的影響較小，基本無變化。

圖6 樁基橫向位移云圖(單位：m)

為了更加清晰地分析在樁基礎在開挖完成后橫向位移的變化情況，選擇2號墩臺第二排橫向連續(xù)的3根樁基為研究對象，分別提取樁基隨埋深的橫向位移變化數(shù)據(jù)，繪制如圖7所示。

圖7 樁基橫向位移隨埋深分布曲線

從圖7中分析可知，A、B、C樁的橫向位移呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，這是因為A樁基礎位于最左側，受到右線隧道開挖的影響減小，在左側隧道開挖完成后，向反向擠壓使其橫向位移表現(xiàn)在0.5mm附近。C樁的橫向位移最大，最大值接近于3.5mm，最大值位于盾構隧道所在平面，C樁因為距離右線隧道最近，且距離左線隧道最遠，受到右線隧道的影響最大，因此表現(xiàn)為橫向位移最大。

3.4 樁基彎矩分析

圖8表示的是在施工完成后2號墩臺樁基礎Y方向上的彎矩云圖。因為右線隧道距離樁基礎右側距離僅為2.86m，位移變形更加明顯，在此位置Y方向的彎矩最大。

圖8 樁基Y向彎矩云圖(單位：Pa)

同樣地，為了直觀地分析樁基礎的彎矩隨著埋深的變化情況，提取上述A、B、C樁基礎Y方向上的彎矩隨著埋深的變化曲線，如圖9所示。

從圖9中可以看出，在樁頂位置，因為樁基礎嵌入承臺中，在土體橫向位移的作用下，其彎矩表現(xiàn)很大，隨著埋深的增加，樁基礎的Y向彎矩逐漸減小并反向。在隨著埋深增加過程中，經(jīng)過兩次反彎點，在樁基礎樁端位置減小為0。其中，樁基礎的彎矩在隧道埋深平面表現(xiàn)最大，與橫向位移曲線相對應，且A、B、C樁的彎矩呈現(xiàn)依次增大的趨勢，A樁表現(xiàn)在100kPa，C樁的彎矩接近900kPa。彎矩的大小反映的是樁基礎產(chǎn)生彎曲變形，為了減小C樁的彎矩，在施工過程可采取加強措施。

圖9 樁基Y向彎矩隨埋深分布曲線

4 結論

采用有限差分軟件FLAC3D分析在盾構隧道穿越過程中樁基與地層的位移與應力變化，分析對既有運營鐵路的影響，得出如下結論：

(1)雙線隧道開挖完成后地表呈現(xiàn)“W”形沉降槽，且在拱頂位置沉降最大，在拱底位置隆起量最大；周圍地層受到右線隧道影響更大，其中“0mm”沉降線距離右線隧道相較更遠。

(2)在盾構隧道穿越橋梁樁基礎的工程中，橋梁的承臺表現(xiàn)為輕微的隆起，變形量在允許范圍內(nèi)；盾構隧道對2號墩樁基橫向位移影響最大，其次為1號墩樁基與3號墩樁基，且樁基橫向位移最大值發(fā)生在2號墩樁基右側與盾構隧道同一平面位置基礎處。

(3)選擇2號橋墩中的連續(xù)3根樁基作為監(jiān)測樁基，樁基距離右線隧道越遠，其橫向位移和Y方向的彎矩越小；右線隧道的開挖對橋梁樁基的影響最大，在實際右線開挖施工時，應注重監(jiān)測樁基變形并針對性地對盾構機掘進參數(shù)做出調(diào)整。