大直徑盾構隧道近距離穿越橋梁樁基擾動分析

邱金亮

(撫州贛東公路設計院有限公司,江西 撫州 344000)

隨著城市化進程的發展,城市交通負擔越來越重,為了滿足人們的出行需求,減輕城市的交通壓力,許多城市修建了地鐵線路。因盾構法具有安全性高、施工快捷等優點,許多城市內的地鐵線路都是采用盾構法進行修建。但城市內有著眾多的大型結構物,其中就包括高層建筑、橋梁等,在城市內修建地鐵線路時,不可避免地會穿越這些結構物。尤其是當盾構隧道穿越大型結構物的樁基礎時,很有可能會使樁基礎產生較大的變形,從而導致結構物發生損壞,造成巨大的經濟損失,更嚴重時會造成人員傷亡。對此,相關學者做了大量的研究[1-5]。李文舉等[6]依托于上海軌道交通7號線,模擬出簡化后的盾構隧道施工過程,分析盾構施工對鄰近樁基產生的影響。趙方彬[7]對上軟下硬地層、存在溶洞等復雜施工條件下的盾構下穿橋梁工程進行研究,運用綜合分析、數值模擬、現場實測等方法對盾構施工影響下的隧道和樁基以及控制措施進行了分析。張明等[8]結合區間盾構穿越橋梁樁基工程進行研究,對盾構施工引起的地表和樁基的變形以及樁基的內力進行模擬計算。張博陽[9]對不同空間位置分布的橋隧進行研究,并結合各類結構橋梁樁基在盾構施工過程中受到的影響,提出了有效的控制措施。岳志坤[10]依托具體工程,采用數值模擬和現場監測的分析手段,對盾構穿越高鐵橋梁的變形影響以及減小變形的關鍵技術進行了研究。

雖然相關學者對盾構穿越橋梁樁基工程做了大量的研究,但是目前對于樁-隧極近距離下的大直徑盾構施工擾動分析依然較少。依托于大直徑盾構穿越鳧州大橋工程,分析樁-隧極近距離下的盾構隧道施工樁基變形和內力的變化規律,可為盾構穿越橋梁工程提供理論支持,并為類似工程提供參考。

1 工程概況

依托的大直徑盾構隧道穿越鳧州大橋工程為雙向六車道,設計時速60 km/h,總長4 200 m,其中跨越水道總長為2 774 m。雙向橋面設計寬度31 m,主橋下部結構主墩采用薄壁箱型墩身,墩身截面采用單箱單室結構,承臺厚度為2.5 m,橫橋箱寬由3.5 m漸變至墩頂5.5 m。每個主墩采用2根Φ2 000 mm鉆孔灌注樁,采用摩擦樁設計,樁長分別為74 m(5#、6#、7#、8#樁)、69 m(1#、2#、3#、4#樁),隧道設計底標高61 m左右。

盾構隧道掘進到DK51+167.35開始側穿大橋至DK51+125.285結束,總長度42 m,隧道外徑達到了14.1 m,內徑為13.1 m。側穿過程中盾構機距離1#橋樁最近距離為3.16 m,距離8#樁基最近距離為3.85 m,相鄰橋跨度均為40 m,隧道側穿橋梁角度為56°。盾構側穿區間地層依次為:淤泥、淤泥質土、粉質黏土、細砂(粗砂)、全風化片巖、強風化片巖。洞身范圍內地層為:全風化片巖、強風化片巖。

2 計算模型和參數

2.1 數值模型

以隧道前進方向為x軸方向,隧道寬度方向為y軸方向建立數值模型,模型大小為80 m×100 m×120 m。計算過程中需要對模型施加邊界條件:固定模型的底部位移,限制模型四周x軸和y軸方向上的位移,模型頂部為自由邊界。由于主要是考慮盾構施工給樁基帶來的影響,故在建模過程中重點模擬出了樁基,而將橋墩、橋面等結構轉化為等效荷載施加在樁基頂部。

2.2 模型參數

在模型中將土體和結構單元視為各向同性單元,土體遵循摩爾庫倫本構原則,物理參數如表1所示。盾殼和管片視為線彈性材料,注漿層采用增加剛度來模擬,當進行注漿操作時,提高盾構外圍土體彈性模量,盾構隧道結構的物理參數如表2所示。

表1 土體物理參數

表2 結構物理參數

2.3 工況模擬

有限元模擬過程與實際施工存在一定程度的差異,需要對施工過程進行一定的簡化,簡化后的施工過程為以下幾步。

(1)激活除樁基外所有的單元,添加模型邊界條件,添加單元自重荷載。清除盾構施工前的初始位移,模擬初始地應力平衡。

(2)添加橋梁樁基,在樁基頂部施加橋梁荷載,模擬橋梁建成階段,同時清除模型的位移。

(3)模擬隧道掘進階段。鈍化隧道范圍內的土體,激活盾殼單元,在盾殼單元表面施加盾殼摩擦力,在前方掌子面施加掌子面推力。在盾殼單元前進后,激活盾殼單元后的管片單元,并進行注漿加固(改變注漿范圍內土體的彈性模量),沿管片徑向施加注漿壓力。

3 數值計算結果分析

3.1 樁基變形

(1)水平位移變形分析。

當盾構隧道掘進完成后,1#～8#樁基水平方向上的水平位移如圖1～圖7所示。

圖1 左側樁基(1#～4#樁)y軸方向水平位移

圖2 左側樁基(1#～4#樁)x軸方向水平位移

圖3 右側樁基(5#～8#樁)y軸方向水平位移

從圖1～圖4可以看出:

圖4 右側樁基(5#～8#樁)x軸方向水平位移

①在y軸方向上,當盾構隧道掘進完成后,左右側樁基受到盾構施工的擾動產生盾構隧道徑向向外的水平位移,尤其是盾構隧道深度范圍內的樁基部分產生了較大的y軸方向位移。這是由于盾構隧道掘進時會對前方土體產生擾動,破壞了原有的土體平衡,盾構機切削擠壓掌子面前方的土體,使得隧道周圍的土體向四周擴散,導致樁基發生較大的y軸方向水平位移。而施工擾動在土體內傳播時,會隨著距離的增加逐漸減弱,因此樁基最上部和最下部的位移較小。1#～8#樁與盾構機的水平距離不同,受到盾構施工的擾動影響也不相同,其中盾構隧道左側1#和2#樁基、盾構隧道右側7#和8#樁基與盾構隧道的距離最近,產生的y軸方向水平位移也最大,達到了17.6 mm。剩余樁基隨著與盾構隧道距離的增加,產生的位移在不斷的減小,最小位移值為7.4 mm。兩者之間最大的位移差距達到了10.2 mm。較大的位移差距可能會引起橋梁面板發生y軸方向上的錯位,橋梁面板發生開裂的可能性增加,對橋梁結構穩定性的影響較大。

②在x軸方向上,樁基的變形也集中在盾構隧道深度范圍內,但由于空間位置的關系,盾構向前掘進過程中,1#～8#樁基都有沿隧道掘進方向發生變形的趨勢。同樣地,距離盾構隧道較近的1#、2#、7#和8#樁基產生的變形較大,3#～6#樁基產生的x軸方向上的位移較小。8根樁基x軸方向上的最大位移為4.8 mm。相較于y軸方向上的位移變化,x軸方向上樁基受到的影響較小。

樁基在y軸方向上產生的位移較大,選取樁基在y軸方向隨盾構掘進的位移變化進行分析。左右側樁基在y軸方向上產生的最大位移隨盾構掘進的變化曲線分別如圖5和圖6所示。

圖6 右側樁基(5#～8#樁)隨盾構掘進產生的最大變形

從圖5和圖6可以看出:隨著盾構掘進距離的增加,樁基產生的位移先平緩增加,接著變化劇烈,最后趨于平穩。但是由于樁基與盾構隧道之間水平距離不同,樁基的位移變化過程也有不同。水平距離較近的樁基產生的位移變化量大,并且在盾構隧道掘進較短距離內就產生了更大程度的位移;而水平距離較遠的樁基在盾構機掘進較長距離內會產生較低程度的位移。這是因為樁基與盾構機之間距離越近,樁基受到的擾動影響越大,產生的位移越大,但隨著盾構機不斷地遠離樁基,樁基受到的擾動程度在降低,樁基產生的位移趨于平穩。在盾構機通過樁基的過程中,樁基產生的位移變化劇烈,且距離較近的樁基由于受到的擾動更大,會在較短掘進距離內產生較大的位移。

(2)沉降位移變形分析。

盾構掘進完成后,1#～8#樁基產生的沉降云圖如圖7所示。

圖7 樁基沉降變化云圖

從圖7可以看出:1#、2#、7#和8#樁基產生的沉降非常明顯,最大沉降量達到了4.7 mm。3#～6#沉降較小,最大沉降量為3.3 mm。不僅是樁基的水平位移,樁基的沉降位移也與樁-隧道之間的相對位置關系有關。樁-隧距離越近,樁基產生的沉降位移越大;樁-隧距離越遠,樁基產生的沉降位移越小。樁基的樁頂和樁底處產生的沉降位移大小有所不同,這是因為盾構隧道開挖后,隧道上部土體產生沉降,使樁基隨土體一起發生沉降位移,但隧道下部會發生隆起,使得樁基下部產生向上的位移變化,但由于樁基上部的自重以及土體摩擦力的影響,相較于樁基的隆起,樁基的沉降變化更為明顯,使得樁基整體產生沉降。

3.2 樁基內力

盾構掘進完成后,樁基受到Mises應力云圖如圖8所示。

圖8 樁基Mises應力云圖

從圖8可以看出:當盾構掘進完成后,距離盾構隧道越近的樁基,樁基受到的應力越大,最大應力為31.4 MPa,尚未達到樁基的應力破壞極限,但值得注意的是,樁基受到的應力已接近于極限,且橋梁使用多年,樁基混凝土的強度有所下降,樁基有較大的概率會發生一定程度的破壞。因此,對樁基周圍進行注漿加固是非常必要的。盾構施工影響下,樁基受到較大影響的部位位于下部靠近盾構隧道處,在進行注漿加固時,需要著重向隧道四周進行注漿加固,并且適當擴大注漿加固范圍以提高加固效果。

4 施工控制建議

(1)在盾構穿越橋梁樁基過程中,加強監控測量。監控測量作為預警預報的關鍵手段,在盾構穿越橋梁樁基區段,應當加強對樁基頂端水平和豎直方向的位移變化監測,在樁基的位移變化超過或即將超過限值時,及時停止掘進,對周圍地層、盾構隧道和橋梁進行加固。

(2)對盾構隧道周圍地層進行注漿加固。由于盾構隧道與樁基之間的距離非常接近,為保證施工的安全,采取注漿加固是不可避免的。值得注意的是,注漿加固范圍需要集中在盾構隧道深度且向外擴散。

(3)調整盾構掘進參數。盾構掘進過程中,盾構推力、注漿壓力、掘進速度等都會對樁基的變形和內力產生較大的影響。在盾構穿越橋梁樁基過程中,減小盾構推力和注漿壓力,放緩掘進速度,并及時根據不同掘進參數下的樁基位移變化數據調整盾構參數,實現信息化施工。

5 結 論

(1)樁基與盾構隧道的距離極大程度上影響著樁基的變形和內力。樁基與隧道的距離越近,樁基的內力和變形越大,且樁基受到影響的最大范圍位于樁基下部52～67 m范圍內。

(2)隨著盾構隧道的掘進,樁基的變形在不斷增加,但在盾構隧道穿越樁基時,樁基的變形增加速度最快;在盾構接近前和遠離后,樁基產生的變形增加速度平緩。盾構施工最危險的區間在于盾構穿越樁基過程中。

(3)樁基的水平位移變化中,y軸方向上的位移變化較x軸方向上的位移變化更大。且在各個方向的位移和應力大小上,有較大位移和應力的樁基為1#、2#、7#和8#樁基,較小位移和應力的樁基為3#、4#、5#和6#樁基。

(4)為保證盾構施工安全進行,需要對樁基周圍進行注漿加固,并且加強監控測量,根據檢測數據及時調整盾構掘進參數。