隧道位置對(duì)原有鄰近橋梁樁基的影響分析

姜貴彬

（申成路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北保定 071000）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市軌道交通建設(shè)的進(jìn)步， 我國(guó)地鐵的總里程數(shù)也在不斷增加。 與此同時(shí)，我國(guó)大部分城市都建設(shè)了許多高架橋和立交橋等設(shè)施，方便了人們的出行[1]。 盾構(gòu)法作為地鐵施工的主要方法之一，具有不影響地表交通、不受氣候條件的制約、施工快速等優(yōu)勢(shì)[2]。然而，隨著地鐵線路的逐漸增加，許多地鐵盾構(gòu)隧道鄰近城市原有的高架橋等設(shè)施，對(duì)原有鄰接的橋梁樁基產(chǎn)生影響。 因此，對(duì)盾構(gòu)隧道對(duì)原有鄰近橋梁樁基的影響進(jìn)行分析就顯得格外重要。 本文采用三維有限元法對(duì)盾構(gòu)隧道的施工過(guò)程進(jìn)行模擬， 并對(duì)不同隧道位置對(duì)原有鄰近橋梁樁基的影響進(jìn)行了分析。

2 盾構(gòu)隧道施工的工程數(shù)值模型構(gòu)建

為了研究隧道位置對(duì)原有鄰近橋梁樁基的影響， 選取了某市的地鐵建設(shè)作為工程背景， 并采用有限元軟件Midas GTS NX 來(lái)對(duì)盾構(gòu)隧道的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。 該地鐵線路采用兩臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工， 隧道軸線埋深約16.1 m，隧道和兩側(cè)橋梁樁基的最短距離為1.7 m。 該地鐵線路附近的橋梁是上下部結(jié)構(gòu)，且主要以摩擦樁為主。 該地鐵施工現(xiàn)場(chǎng)的土層主要包含了中風(fēng)化砂巖和強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖。 因此， 研究選取了隧道施工穿過(guò)全風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖時(shí)的斷面來(lái)作為整體施工建設(shè)的代表斷面。 項(xiàng)目地區(qū)的地表水徑流量較大，因此，需要留意地表水對(duì)工程建設(shè)的影響。 工程數(shù)值模型的構(gòu)建步驟如圖1 所示。

圖1 工程數(shù)值模型的構(gòu)建步驟

從圖1 可以看出，在對(duì)工程數(shù)值模型進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，第一步是先選擇材料參數(shù)，第二步是材料性態(tài)的模擬，第三步是計(jì)算主要的施工荷載， 第四步通過(guò)有限元軟件來(lái)構(gòu)建最終的工程數(shù)值模型[3]。材料參數(shù)的選擇主要涉及土體物理力學(xué)參數(shù)和橋梁結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)。 參數(shù)選擇的主要依據(jù)是巖土勘察報(bào)告、橋梁施工的設(shè)計(jì)圖以及類似研究選取的參數(shù)。 為了對(duì)土體材料的性態(tài)進(jìn)行模擬，采用了修正莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。 該模型屬于復(fù)合材料模型，可以對(duì)土體的力學(xué)特性進(jìn)行較好的模擬。此外，該模型需要對(duì)卸載彈性模量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。 針對(duì)橋梁材料性態(tài)的模擬，采用了線彈性本構(gòu)模型。 對(duì)于橋梁摩擦樁和端承樁的模擬，利用樁界面單元和樁端單元，對(duì)樁-土的相對(duì)位移等情況進(jìn)行了模擬。 摩擦樁的剪切及法向剛度模量分別為143 798 kN/m3和143 798 kN/m3，最終剪力為373 kPa。端承樁的樁土界面參數(shù)和摩擦樁的一致。 此外，摩擦樁和端承樁的樁端承載力分別為821 kN 和20 451 kN， 樁端彈簧剛度分別為67 935 kN/m 和1 141 112 kN/m。 此外。 樁基采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，而管片和盾殼采用板單元模擬。

在對(duì)材料參數(shù)和性態(tài)進(jìn)行選擇和模擬之后，需要對(duì)施工荷載進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)施工荷載的計(jì)算，主要從6 個(gè)方面進(jìn)行分析，分別為樁頂荷載、土倉(cāng)壓力、刀盤與土體摩擦力、盾殼與土體摩擦力、注漿壓力和千斤頂推力。 對(duì)于樁頂荷載的求解，需要以JGJ 94—2018《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》為依據(jù)。 土倉(cāng)加壓可以保持開(kāi)挖面的穩(wěn)定，而土倉(cāng)壓力的計(jì)算主要是依據(jù)開(kāi)挖面處的水土壓力。刀盤與土體摩擦力的計(jì)算主要涉及刀盤開(kāi)口率和摩擦系數(shù)等。 盾殼與土體摩擦力也是由水土壓力造成的，其計(jì)算主要涉及水平土壓力和盾殼直徑等。 注漿壓力通過(guò)會(huì)在0.1～0.3 MPa進(jìn)行選取。 千斤頂推力由不同分力的和構(gòu)成。

為了對(duì)最終的工程數(shù)值模型進(jìn)行構(gòu)建， 選取地鐵建設(shè)的重要施工階段， 一共有4 個(gè)， 之后再對(duì)工程數(shù)值模型進(jìn)行建立。 第一個(gè)階段為土體開(kāi)挖階段，該階段需要對(duì)盾殼承擔(dān)開(kāi)挖荷載進(jìn)行激活，且主要利用了Midas 軟件。 此外，該階段還需要施加土倉(cāng)壓力和摩擦力。 第二個(gè)階段為管片拼裝階段，該階段需要對(duì)襯砌管片進(jìn)行激活， 并對(duì)開(kāi)挖面上的土倉(cāng)壓力進(jìn)行鈍化。 壁后注漿是第三個(gè)階段，該階段需要對(duì)盾構(gòu)外殼進(jìn)行鈍化，并對(duì)還沒(méi)有硬化的注漿材料、管片的收縮荷載、外側(cè)及內(nèi)側(cè)注漿壓力進(jìn)行激活。 第四個(gè)階段為盾尾脫離階段，該階段注漿材料的硬化程度會(huì)增強(qiáng)。 通過(guò)上述4 個(gè)重要的施工階段，可以對(duì)盾構(gòu)隧道施工的全過(guò)程進(jìn)行模擬。

構(gòu)建好的工程數(shù)值模型的長(zhǎng)度為62 m， 寬度為78 m，高度為44 m。模型的底部加入了固定約束，而模型的側(cè)面加入了相應(yīng)的法向位移約束。 此外，模型中的土體一種包含6 種，其中厚度最大的是強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖， 厚度最小的是淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)粉砂。 地下水被設(shè)置在-3 m 的位置，隧道直徑為6.5 m，盾構(gòu)機(jī)的刀盤直徑為6.8 m，盾殼厚度為7 mm。樁基的樁徑和樁長(zhǎng)分別為1.3 m 和21 m， 管片的厚度和幅寬分別為0.4 m 和1.6 m。 單樁承臺(tái)尺寸的長(zhǎng)和寬皆為2.3 m，高為2.1 m。雙樁承臺(tái)尺寸的長(zhǎng)為5.5 m，寬為2.3 m，高為2.1 m。

3 盾構(gòu)隧道不同位置在橋梁樁基上的影響分析

在使用盾構(gòu)機(jī)來(lái)對(duì)地鐵隧道進(jìn)行挖掘時(shí)， 原有鄰近橋梁樁基會(huì)受到地層變形的影響。 為了分析盾構(gòu)隧道不同位置對(duì)橋梁樁基的影響，對(duì)二者的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行分析。 具體的相對(duì)位置關(guān)系如圖2 所示。

圖2 具體的相對(duì)位置關(guān)系

在圖2 中， 圓形代表隧道，D 表示隧道和樁基的水平距離。 D 和隧道埋深的取值分別各有4 種，代表了盾構(gòu)隧道和樁基之間不同的相對(duì)位置關(guān)系。 因此，隧道位置對(duì)橋梁樁基的影響主要從水平距離和隧道埋深兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析。 在水平距離上的影響主要可以從兩個(gè)層面展開(kāi)， 分別為在樁基變形上的影響和在樁基內(nèi)力上的影響。 在進(jìn)行影響分析之前，需要先對(duì)樁基的沉降和水平變形進(jìn)行控制， 并將工程數(shù)值模型的寬度和高度分別調(diào)整為90 m 和50 m。 不同位置關(guān)系下隧道盾構(gòu)施工對(duì)橋梁樁基沉降和水平位移的影響如圖3 所示。

圖3 不同位置關(guān)系下隧道盾構(gòu)施工對(duì)橋梁樁基沉降的影響

通過(guò)圖3a 可以看出，當(dāng)盾構(gòu)隧道和橋梁樁基之間的水平距離為5.55 m 時(shí)，樁身沉降的最大值為-6.21 mm，最小值為-7.43 mm。 隨著沿樁身深度的增加，樁身沉降的值在逐漸變小。當(dāng)水平距離為9.7 m 時(shí)，樁身沉降的最大值為-3.99 mm，最小值為-4.75 mm。隨著沿樁身深度的增加，樁身沉降的值也在逐漸變小，但是變小的速度已經(jīng)放緩。 當(dāng)水平距離為12.9 m 時(shí)，樁身沉降的最大值為-2.56 mm，最小值為-2.82 mm。 此時(shí)，樁身沉降的變小速度有了進(jìn)一步的放緩。 當(dāng)水平距離為16.1 m時(shí)，樁身沉降的最大值和最小值皆為-1.78 mm，且此時(shí)樁身沉降沒(méi)有隨著沿樁身深度的增加而發(fā)生變化。 由此可知，當(dāng)水平距離越大時(shí)，橋梁樁基沉降最大值和最小值之間的差值最小。由圖3b 可知，當(dāng)水平距離為5.55 m 時(shí)，樁身橫向水平位移的最大值為6.73 mm，最小值為-0.65 mm。當(dāng)水平距離為9.7 m時(shí)，樁身橫向水平位移的最大值為6.01 mm，最小值為-1.51 mm。當(dāng)水平距離為12.9 m 時(shí)，樁身橫向水平位移的最大值為5.03 mm，最小值為-1.22 mm。 當(dāng)水平距離為16.1 m 時(shí)，樁身橫向水平位移的最大值為3.73 mm，最小值為-1.02 mm。 由此可知，當(dāng)水平距離越大時(shí)， 橋梁樁基橫向水平位移最大值和最小值之間的差值最小。 綜上分析，隧道和樁基之間的水平距離越大，樁基受到的影響便越小。 為了分析不同水平距離對(duì)樁基內(nèi)力的影響， 本文對(duì)隧道盾構(gòu)施工后的樁身軸力分布和樁身橫向彎矩分布進(jìn)行了分析。

當(dāng)水平距離為5.55 m 時(shí)，樁身軸力的最大值為2 750 kN，最小值為308 kN。 當(dāng)水平距離為9.7 m 時(shí)，樁身軸力的最大值為2 115 kN，最小值為213 kN。 當(dāng)水平距離為12.9 m 時(shí)，樁身軸力的最大值為1 507 kN， 最小值為105 kN。 當(dāng)水平距離為16.1 m 時(shí)，樁身軸力的最大值為1 248 kN，最小值為32 kN。當(dāng)水平距離越大時(shí)，樁身軸力最大值和最小值之間的差距最小。當(dāng)水平距離為5.55 m 時(shí)， 樁身彎矩的最大值為216 kN·m，最小值為-182 kN·m。 當(dāng)水平距離為9.7 m 時(shí)，樁身彎矩的最大值為126 kN·m， 最小值為-50 kN·m。 當(dāng)水平距離為12.9 m時(shí)，樁身彎矩的最大值為63 kN·m，最小值為-37 kN·m。 當(dāng)水平距離為16.1 m 時(shí)，樁身彎矩的最大值為45 kN·m，最小值為-31 kN·m。樁基初始狀態(tài)下樁身彎矩的最大值為25 kN·m，最小值為-21 kN·m。可以看出，水平距離越大時(shí)的樁身彎矩和初始狀態(tài)下樁身彎矩是最為接近的， 表明此時(shí)樁基受到的影響較小。 為了對(duì)不同隧道埋深對(duì)橋梁樁基的影響進(jìn)行分析，從樁基變形和樁基內(nèi)力兩個(gè)層面進(jìn)行分析。

當(dāng)隧道埋深為13 m 時(shí)，樁身沉降的最大值和最小值分別為-3.72 mm 和-5.01 mm。 當(dāng)隧道埋深為17 m 時(shí)，樁身沉降的最大值和最小值分別為-6.28 mm 和-7.50 mm。 當(dāng)隧道埋深為23 m時(shí)，樁身沉降的最大值和最小值分別為-12.89 mm 和-13.77 mm。當(dāng)隧道埋深為27 m 時(shí)，樁身沉降的最大值和最小值皆為-6.98 mm。當(dāng)隧道埋深為13 m、17 m、23 m 和27 m 時(shí)，樁身橫向水平位移的最大值分別為5.0 mm、5.23 mm、6.76 mm 和1.82 mm， 最小值分別為-0.12 mm、-0.51 mm、1.53 mm 和0.08 mm；樁身縱向水平位移的最大值分別為4.48 mm、3.92 mm、4.61 mm 和1.62 mm， 最小值分別為-0.25 mm、-0.37 mm、0.50 mm 和0.17 mm。 隧道埋深變化會(huì)對(duì)橋梁樁基的沉降、橫向及縱向水平位移造成較大的影響。

當(dāng)隧道埋深為13 m、17 m、23 m 和27 m 時(shí)， 樁身軸力的最大值分別為3 382 kN、2 748 kN、2 776 kN 和1 875 kN，最小值皆為325 kN；樁身彎矩的最大值分別為149 kN·m、223 kN·m、218 kN·m 和43 kN·m，最小值分別為-152 kN·m、-191 kN·m、-112 kN·m 和-25 kN·m。 當(dāng)隧道埋深越大，樁身彎矩的變動(dòng)范圍最小。 可以看出，當(dāng)隧道埋深越大時(shí)，隧道施工對(duì)橋梁樁基的影響最小。

4 結(jié)論

為了對(duì)隧道位置在原有鄰近橋梁樁基上的影響進(jìn)行分析，本文采用了三維有限元軟件來(lái)對(duì)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程的數(shù)值分析。結(jié)果顯示，當(dāng)水平距離為5.55 m、9.7 m、12.9 m 和16.1 m 時(shí)，樁身沉降的最大值分別為-6.21 mm、-3.99 mm、-2.56 mm 和-1.78 mm，最小值為-7.43 mm、-4.75 mm、-2.82 mm 和-1.78 mm；樁身橫向水平位移的最大值分別為6.73mm、6.01mm、5.03mm 和3.73mm，最小值分別為-0.65 mm、-1.51 mm、-1.22 mm 和-1.02 mm。 由此可知，隧道和樁基之間的水平距離越大，樁基受到的影響便越小。當(dāng)隧道埋深為13 m、17 m、23 m 和27 m 時(shí)，樁身沉降的最大值分別為-3.72 mm、-6.28 mm、-12.89 mm 和-6.98 mm， 最小值分別為-5.01 mm、-7.50 mm、-13.77 mm 和-6.98 mm； 樁身彎矩的最大值分別為149 kN·m、223 kN·m、218 kN·m 和43 kN·m，最小值分別為-152 kN·m、-191 kN·m、-112 kN·m 和-25 kN·m。由此可知， 當(dāng)隧道埋深越大時(shí)， 隧道施工對(duì)橋梁樁基的影響最小。研究主要分析了盾構(gòu)隧道施工在樁基上的影響，對(duì)其他隧道施工方法在樁基上的影響考慮較少， 未來(lái)的研究可以在這個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。