盾構隧道施工對鄰近橋梁群樁基礎的影響分析

郝卓佳

(柳州鐵道職業技術學院,廣西 柳州 545616)

0 引言

城市地鐵盾構隧道建設過程中,不可避免地會穿越鄰近橋梁群樁基礎。隧道施工會導致周圍土體發生卸荷和變形,從而影響鄰近樁基的安全,因此,研究盾構隧道施工對鄰近橋梁群樁基礎的影響具有重要的意義。近年來,國內學者對此進行了一些研究,主要有:張福強、鄭熹光等[1-2]通過有限元數值模擬分析盾構隧道施工對鄰近群樁基礎的影響,以實際工程為依托建立三維數值仿真模型,研究結果表明在隧道開挖完成后,鄰近橋梁樁基礎極限承載力下降了5.7%,對鄰近建筑物有一定影響,由隧道掘進施工引起的樁基礎的附加沉降較小,不會引起橋梁上部結構內力明顯的變化;李光偉、曹鵬等[3-4]以城軌線盾構隧道近距離下穿京滬高速鐵路橋梁的實際工程為背景,分析盾構隧道施工對既有橋梁基礎的影響,采用大型有限元軟件ABAQUS建立鐵路橋群樁基礎,隧道及周圍土體的三維有限元模型,模擬盾構隧道開挖過程,并對鐵路橋基樁的位移,傾斜及內力的變化情況進行分析;王栓、劉喆等[5-6]以某城市地鐵2號線近接魁奇二路人行天橋樁基礎不同工況,建立三維有限元數值模型,研究盾構施工順序對鄰近橋梁群樁基礎的影響,結果表明盾構施工會引起樁基礎偏向開挖側的水平位移,盾構施工對樁基礎變形和彎矩的影響較小,為了減小盾構施工對樁基礎變形的影響,施工時建議先掘進右線后掘進左線。本文主要以某隧道側穿橋梁群樁基礎為例,采用FLAC 3D建立數值模型,重點分析了隧道施工對群樁基礎的豎向位移、水平位移、軸向應力以及切應力的影響,研究結果可為類似工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某隧道工程側穿某橋梁樁基工程,隧道直徑為6 m,埋深為17 m,研究斷面處樁基埋深為20 m,樁基的端部與隧道底部同高,樁基承臺高度為1.0 m,長和寬均為8 m,每個承臺有4根樁基支撐,樁基之間距離均為4 m,樁的直徑為1.0 m,其中承臺采用C40混凝土,樁基采用C30混凝土。圖1所示為隧道與群樁之間的正面圖和俯視圖,其中隧道距離樁基最近距離為8.0 m。

(a)正面圖

(b)俯視圖

2 數值建模

下頁圖2所示為采用FLAC 3D有限元軟件建立的數值模型,圖2中模型的長、寬、高均為50 m,隧道的中心埋深約為17.0 m,隧道直徑為6.0 m,除模型上邊界外,模型左右、前后邊界以及底部均進行位移和邊界約束。研究區域內主要土質包括有填土、粉質黏土、強風化巖層和弱風化巖層,其從上至下厚度依次為10.5 m、5.2 m、10.4 m和23.9 m。土體的本構模型均采用摩爾-庫侖本構模型,建模時各部件均采用實體單元。隧道襯砌采用C60混凝土,襯砌厚度取50 cm。樁基埋深為20 m,樁基承臺高度為1.0 m,長和寬均為8 m。表1所示為從上至下的土體的物理力學參數,表2為襯砌、樁基和承臺的相關參數。

表1 土體的物理力學參數表

表2 隧道結構力學參數表

3 數值結果分析

本文在分析過程中分為兩個工況,工況一為隧道開挖一半,開挖至與承臺中心水平位置;工況二為開挖完成。

3.1 樁基豎向位移分析

圖3所示為隧道開挖對樁基豎向位移影響曲線。由圖3 (a)可知,隧道開挖至一半時,靠近隧道一側1#樁和2#樁豎向位移明顯大于遠離隧道軸線側的3#樁和4#樁;盾構已穿越的2#樁和4#樁的豎向沉降又大于未穿越的1#樁和3#樁;最終1#～4#樁的最大豎向位移依次為-1.54 mm、-2.27 mm、-0.38 mm和-1.12 mm,2#樁最大豎向位移是1#樁的1.47倍,是4#樁的2.03倍。由圖3 (b)可知,隧道開挖完成時,靠近隧道一側1#樁和2#樁豎向位移大于遠離隧道軸線側的3#樁和4#樁;2#樁和4#樁以及1#樁和3#樁的豎向沉降基本相同,且樁頂沉降量最大;最終1#～4#樁的最大豎向位移依次為-3.49 mm、-3.52 mm、-1.48 mm和-1.51 mm,2#樁最大豎向位移是4#樁的2.33倍。綜上可知,樁基離隧道軸線越近,其豎向位移受到的影響越大。

(a)工況一

(b)工況二

3.2 樁基水平位移分析

圖4所示為隧道開挖對樁基水平位移影響曲線。由圖4 (a)可知,隧道開挖至一半時,靠近隧道一側1#樁和2#樁水平位移略大于遠離隧道軸線側的3#樁和4#樁;盾構已穿越的2#樁和4#樁的水平位移又略大于未穿越的1#樁和3#樁,樁底水平位移最大。由圖4 (b)可知,隧道開挖完成時,靠近隧道一側1#樁和2#樁豎向位移略大于遠離隧道軸線側的3#樁和4#樁;2#樁和4#樁以及1#樁和3#樁的豎向沉降基本相同,且樁底水平位移最大。綜上可知,樁基離隧道軸線越近,其水平位移受到的影響越大,且隨著樁基埋深的增大,樁基水平位移增大,樁底水平位移最大。

(a)工況一

(b)工況二

3.3 樁基軸向應力分析

后頁圖5所示為隧道開挖對樁基軸向應力影響曲線。由圖5 (a)可知,隧道開挖至一半時,盾構已穿越的2#樁和4#樁的軸向應力大于未穿越的1#樁和3#樁;且相比于3#樁和4#樁,隧道施工對1#樁和3#樁的影響更大;最終1#～4#樁的最大軸向應力依次為-622 kPa、-1 058 kPa、-391 kPa和-602 kPa。由圖5 (b)可知,隧道開挖完成時,2#樁和4#樁以及1#樁和3#樁的軸向應力曲線基本相同,靠近隧道一側1#樁和2#樁軸向應力大于遠離隧道軸線側的3#樁和4#樁,且1#樁和2#樁的最大軸向應力發生在埋深14 m左右,3#樁和4#樁的最大軸向應力發生在埋深16 m左右。綜上可知,隧道開挖過程中,樁基離隧道軸線越近,其軸向應力受到的影響越大。

(a)工況一

(b)工況二

3.4 樁基切應力分析

圖6所示為隧道開挖對樁基切應力影響曲線。由圖6 (a)可知,隧道開挖至一半時,盾構已穿越的2#樁和4#樁的和未穿越的1#樁和3#樁的切應力變化趨勢基本相同,差別基本不超過5%。由圖6 (b)可知,隧道開挖完成時,1#～4#樁的切應力曲線也比較接近,隨著樁基埋深的增大,切應力有沿負方向增大的趨勢,在樁底部位切應力最大。觀察圖6可以發現樁基后排切應力略大于前排,這與后排樁受前排屏蔽效應有關。此外,樁頭與承臺連接部位出現切應力突變,這與承臺與上部橋梁連接帶動有關。

(a)工況一

(b)工況二

4 結語

本文主要以某隧道側穿橋梁群樁基礎為例,采用FLAC 3D建立數值模型,重點分析了隧道施工對群樁基礎的豎向位移、水平位移、軸向應力以及切應力的影響,得到以下結論:

(1)樁基離隧道軸線越近,隧道開挖時樁基的豎向位移越大,且隨著樁埋深的增大,樁基豎向沉降減小。

(2)樁基離隧道軸線越近,其水平位移受到的影響越大,且隨著樁基埋深的增大,樁基水平位移增大,樁底水平位移最大。

(3)隧道開挖過程中,樁基離隧道軸線越近,其軸向應力受到的影響越大;群樁的切應力曲線比較接近,隨著樁基埋深的增大,切應力有沿負方向增大的趨勢,在樁底部位切應力最大。此外,樁基后排切應力略大于前排,這與后排樁受前排屏蔽效應有關。