高鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近樁基影響數(shù)值分析

張 杰

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津市300251）

1 概 述

隨著城市交通網(wǎng)的快速發(fā)展，可接入交通樞紐的地面用地越發(fā)緊張，城市地下空間不斷地被開發(fā)利用，不可避免地出現(xiàn)盾構(gòu)隧道穿越市政橋梁樁基的情況。

盾構(gòu)施工會(huì)導(dǎo)致周圍地層地應(yīng)力損失，從而引起地表沉降，進(jìn)而打破既有橋梁樁基原有的穩(wěn)定，橋墩產(chǎn)生位移，過大的位移會(huì)給橋梁的正常使用帶來了潛在風(fēng)險(xiǎn)[1]。很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)地鐵隧道施工過程中對(duì)既有橋梁的影響問題通過多種方法做了一系列研究[2-9]。但對(duì)高鐵雙線盾構(gòu)斷面這種較地鐵盾構(gòu)斷面大的多的盾構(gòu)施工對(duì)橋梁的影響分析較少。本文以天津至濰坊高鐵工程為背景，利用有限元軟件進(jìn)行分析模擬，研究高鐵盾構(gòu)穿越施工對(duì)既有橋梁的影響。

2 工程概況

天津至濰坊鐵路工程線路自天津?yàn)I海站引出后并行中央大道海河隧道，上跨規(guī)劃B3 線后向南以隧道形式下穿海河、天津大道橋等。天津大道橋穿越段上部結(jié)構(gòu)為30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，高鐵雙線盾構(gòu)隧道外徑13.3 m，穿越天津大道橋下行線處埋深約為39.6 m，1# 橋墩下為9 根樁徑1.0 m 的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)42 m，樁端埋深約44 m，樁基與隧道最小凈距5.0 m，樁端高于隧底9.05 m；2# 橋墩下為4根樁徑1.5 m 的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)60 m，樁端埋深約62.3 m，樁基與隧道最小凈距6.3 m，樁端低于隧底9.96 m。隧道穿越橋梁和規(guī)劃B2 線范圍采用二次深孔注漿控制地層變形。高鐵盾構(gòu)隧道與既有市政橋梁位置關(guān)系見圖1。

圖1 隧道與既有橋梁位置關(guān)系（單位：m）

3 高鐵隧道下穿市政橋梁數(shù)值模擬

3.1 模型的規(guī)模

計(jì)算模型中，為確保計(jì)算的精度，土體的選取范圍擬定為：沿隧道方向，在天津大道上行線和規(guī)劃B2線下行線距離的基礎(chǔ)上各向外擴(kuò)一個(gè)隧道埋深的距離，合計(jì)取190 m；沿隧道橫向，一側(cè)外擴(kuò)一倍隧道埋深，一側(cè)外擴(kuò)30 m，合計(jì)取120 m；豎向土體厚度取100 m。根據(jù)津- 維高鐵隧道結(jié)構(gòu)與天津大道橋樁基、規(guī)劃B2 線的空間位置關(guān)系，建立三維數(shù)值模型，見圖2。

圖2 三維數(shù)值模型

3.2 模型的參數(shù)

（1）力學(xué)模型

依據(jù)地層特性及埋深，土體的材料特性采用Modified Mohr-Coulomb 模型模擬土體的彈塑性；橋墩、承臺(tái)和樁基等結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。土體、橋梁結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬；樁基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧M；盾構(gòu)管片采用板單元模擬。

（2）地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)

地層參數(shù)根據(jù)實(shí)際地勘資料取值，并假定不同地層均按照相應(yīng)厚度水平層狀分布。數(shù)值模擬過程中所采用的工程地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 巖土及結(jié)構(gòu)參數(shù)

（3）邊界條件

地表取為自由邊界，模型底部完全固定約束，四周取為豎向滑動(dòng)約束，橋墩、承臺(tái)和樁基剛接。

（4）計(jì)算荷載

計(jì)算模型中的計(jì)算荷載除箱梁自重簡(jiǎn)化為同等質(zhì)量的荷載施加到橋墩上外，其余荷載作用由程序自行考慮。

3.3 模型的施工階段

施工階段采用結(jié)構(gòu)單元的激活與鈍化來模擬土層的注漿加固、土體的開挖及盾構(gòu)管片的施作，通過在施工階段中改變注漿范圍的參數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)土層加固的過程。同時(shí)為了避免模型模擬隧道開挖過程中不收斂，將隧道開挖引起的應(yīng)力釋放分為2 部分，即隧道開挖且未施作管片之前應(yīng)力釋放25%，施作管片后釋放其余部分。

高鐵隧道施工階段設(shè)置初始應(yīng)力場(chǎng)分析、位移清零及20 個(gè)開挖步，各開挖步詳見表2。

表2 開挖步情況

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

3.4.1 地層變形分析

隨著高鐵隧道的掘進(jìn)，打破了原有土層的地應(yīng)力平衡，主要表現(xiàn)為地層的豎向沉降，同時(shí)也會(huì)引起隧道鄰近樁基礎(chǔ)的變形，見圖3。

圖3 盾構(gòu)開挖過程中地層形變?cè)茍D

圖3 為第12 個(gè)開挖步，掘進(jìn)至橋墩后4 m 時(shí)的地層變形云圖，從圖中可知：在盾構(gòu)開挖過程中，地層整體呈下沉趨勢(shì)，地表出現(xiàn)典型的沉降槽，下沉最大值出現(xiàn)在隧道掘進(jìn)面后隧道頂部某一范圍，最大值為16.13 mm；在隧道掘進(jìn)面后隧道底部某一范圍土體由于應(yīng)力釋放導(dǎo)致土體回彈，最大回彈量為5.03 mm。

圖4 和圖5 分別為沿市政橋梁中心線方向和隧道中心線方向在隧道掘進(jìn)過程中奇數(shù)施工步的地表沉降值曲線圖。

圖5 隧道中心線方向地表沉降（單位：mm）

從圖4 可以看出:地表沉降呈V 形分布，地表最大沉降區(qū)域在隧道中心線附近，且隨著開挖的進(jìn)行最大沉降呈增長(zhǎng)趨勢(shì); 隧道開挖通過橋墩過程中，地表沉降速率呈現(xiàn)慢- 快- 慢的趨勢(shì)，開挖至橋墩附近時(shí)地表沉降速率最大；隧道貫通后地表沉降最大值為14.45 mm。

圖4 橋梁中心線方向地表沉降（單位：mm）

從圖5 可以看出:隨著開挖的進(jìn)行，橋墩中心線附近的地表沉降呈增長(zhǎng)趨勢(shì);隧道入口位置的沉降最早趨于穩(wěn)定，出口位置最晚趨于穩(wěn)定；隧道貫通后地表沉降最大值為15.03 mm，位于橋墩中心線前40 m左右，并不是在橋梁樁基附近；從圖中開挖步序13～19 可以看出隧道貫通后在入口附近隧道底部土體發(fā)生回彈。

3.4.2 既有橋梁結(jié)構(gòu)變形分析

為獲得盾構(gòu)施工對(duì)既有橋梁樁基的影響，以1#橋墩和2# 橋墩下部樁群為例進(jìn)行樁基的位移分析。橋墩的樁基編號(hào)見圖6。

圖6 樁基編號(hào)

圖7 是隧道貫通后市政橋梁1# 樁基和2# 樁基每根基樁的水平位移值。從圖中可以看出：由于隧道在1# 和2# 樁基之間穿過，同時(shí)隧道埋深基本處于樁端位置，樁群受到地層擾動(dòng)以及橋梁結(jié)構(gòu)荷載的直接作用，隧道上方地應(yīng)力得以釋放，兩側(cè)土體受到擠壓，呈現(xiàn)樁端向隧道外側(cè)移動(dòng)，樁頂向內(nèi)側(cè)靠攏的傾向；同一個(gè)墩臺(tái)下的前排樁和后排樁水平位移基本一致，輕微差別是由于隧道軸線方向與橋梁軸線方向不是絕對(duì)垂直引起的；隧道右側(cè)樁基位移相對(duì)于左側(cè)樁基位移偏大，是由于樁長(zhǎng)、基樁數(shù)量和隧道距離綜合因素引起的；由于高鐵隧道開挖斷面大且埋深基本處于樁端位置，導(dǎo)致土體對(duì)樁端的擾動(dòng)更大，樁端的水平位移大于樁頂，且同一個(gè)墩臺(tái)下的前排樁的水平位移小于后排樁。

圖7 水平位移值（單位：mm）

圖8 是隧道貫通后市政橋梁1# 樁基和2# 樁基每根基樁的豎向位移值。從圖中可以看出：前排樁的豎向位移大于后排樁，這是由于前排樁的土體豎向位移更大，承臺(tái)發(fā)生向內(nèi)傾斜的因素導(dǎo)致的；基樁的最大沉降位置在樁頂，且隨樁身逐漸減小至不發(fā)生變化，這是由于樁體的軸向剛度大于土體剛度導(dǎo)致的；同一個(gè)墩臺(tái)下的前排樁和后排樁豎向位移基本一致，輕微差別同樣是由于隧道軸線方向與橋梁軸線方向不是絕對(duì)垂直導(dǎo)致的。

圖8 豎向位移值（單位：mm）

4 結(jié)論及建議

（1）高鐵隧道開挖過程中，地表出現(xiàn)沉降槽，開挖至市政橋梁附近時(shí)地表沉降速率變大，即地面有附加荷載時(shí)會(huì)加快地表的沉降速率。建議在施工至橋梁附近時(shí)應(yīng)對(duì)隧道周圍土層進(jìn)行加固處理、放緩隧道開挖速度并及時(shí)對(duì)隧道進(jìn)行支護(hù)。

（2）地表沉降量最大的位置并不是橋梁樁基附近，說明隧道兩側(cè)的樁基對(duì)地層的擾動(dòng)有約束作用。

（3）由于穿越樁端位置的隧道對(duì)樁端的擾動(dòng)大，樁基礎(chǔ)在地質(zhì)條件不好的情況下容易發(fā)生向內(nèi)的傾斜；同一排樁的位移值基本一致，樁端的水平位移大于樁頂，且同一個(gè)墩臺(tái)下的前排樁的水平位移小于后排樁、前排樁的豎向位移大于后排樁。建議隧道在穿越地質(zhì)較差的樁基時(shí)，對(duì)樁基附近的土層進(jìn)行加固處理。