盾構(gòu)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(tuán)城市軌道交通工程有限公司 廣州市 511493；2.西南交通大學(xué)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，地鐵施工環(huán)境條件也變得復(fù)雜多變，尤其是在盾構(gòu)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(shù)分析了隧道穿越樁基礎(chǔ)時樁基沉降變化趨勢，為工程安全提供技術(shù)驗證。劉歡[2]分析盾構(gòu)隧道下穿施工對高鐵橋梁的影響，并對盾構(gòu)下穿施工對高鐵橋梁的風(fēng)險防護(hù)措施進(jìn)行研究。徐前衛(wèi)等[3]提出了在靠近橋梁一側(cè)的左線盾構(gòu)隧道周圍采取局部注漿的加固方案和對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)管理的控制措施，確保工程的順利進(jìn)行。郭波[4]建立結(jié)構(gòu)-高鐵橋墩基礎(chǔ)-土體有限元模型，結(jié)果表明穿越過程中能夠保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。孫雪兵[5]研究表明盾構(gòu)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(yùn)營鐵路橋梁對擾動變形控制嚴(yán)格，研究盾構(gòu)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(yùn)專線橋工程，采用有限差分軟件FLAC3D分析在盾構(gòu)隧道穿越過程中樁基與地層的位移與應(yīng)力變化，分析對既有運(yùn)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(jìn)過程中交叉穿越成昆鐵路貨運(yùn)專線橋。鐵路貨運(yùn)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(chǔ)。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(gòu)隧道穿越橋梁基礎(chǔ)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(yùn)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(qiáng)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(yùn)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(chǔ)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(jié)構(gòu)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(chǔ)。

2.1 數(shù)值模型簡介

為減弱模型計算過程中的邊界效應(yīng)，模型的X方向長度150m，Y方向的寬度為60m，左側(cè)Z方向高度為55m，右側(cè)Z方向的高度為50m。圍巖變形服從摩爾庫倫本構(gòu)模型，管片、橋梁基礎(chǔ)等混凝土結(jié)構(gòu)為彈性本構(gòu)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(gòu)隧道穿越樁基礎(chǔ)流程，第一步初始化地應(yīng)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(jié)構(gòu)相對位置示意圖。隨后按照實際開挖過程，先開挖右側(cè)樁基礎(chǔ)，再開挖左側(cè)樁基礎(chǔ)，并在樁基礎(chǔ)所在位置處施加壁后注漿加固以保證結(jié)構(gòu)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(gòu)隧道穿越圍巖物理參數(shù)詳細(xì)信息。表2中表示的是盾殼、管片、注漿層以及橋梁結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)。

2.3 結(jié)構(gòu)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(jié)，以模擬樁土耦合效應(yīng)[6]。在樁基礎(chǔ)與承臺之間需要刪除pile單元的原始連接，并將嵌入樁基礎(chǔ)部分更改為固接狀態(tài)。pile單元接觸面切向耦合彈簧黏結(jié)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(cè)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(jié)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(quán)重度。

3 計算結(jié)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(gòu)隧道拱頂以上的土體表現(xiàn)為沉降運(yùn)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(yùn)動，最大的隆起量為1.78cm。地表位置處形成由盾構(gòu)隧道開挖引起的“W”形狀的沉降槽，在盾構(gòu)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(yuǎn)，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?？梢钥闯鰳蛄撼信_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(cè)，受到隧道開挖的影響最大，在開挖完成后表現(xiàn)為向右側(cè)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(chǔ)在X橫向上的位移云圖。1號墩樁基因為雙線盾構(gòu)隧道的開挖向左側(cè)偏移運(yùn)動，2號墩臺的兩側(cè)的樁基礎(chǔ)均向中間位置運(yùn)動，且可以發(fā)現(xiàn)右側(cè)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(chǔ)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(chǔ)位于最左側(cè)，受到右線隧道開挖的影響減小，在左側(cè)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(gòu)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(yuǎn)，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(chǔ)Y方向上的彎矩云圖。因為右線隧道距離樁基礎(chǔ)右側(cè)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(chǔ)的彎矩隨著埋深的變化情況，提取上述A、B、C樁基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)樁端位置減小為0。其中，樁基礎(chǔ)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(yīng)，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(chǔ)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(qiáng)措施。

圖9 樁基Y向彎矩隨埋深分布曲線

4 結(jié)論

采用有限差分軟件FLAC3D分析在盾構(gòu)隧道穿越過程中樁基與地層的位移與應(yīng)力變化，分析對既有運(yùn)營鐵路的影響，得出如下結(jié)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(yuǎn)。

(2)在盾構(gòu)隧道穿越橋梁樁基礎(chǔ)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(gòu)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(cè)與盾構(gòu)隧道同一平面位置基礎(chǔ)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(yuǎn)，其橫向位移和Y方向的彎矩越??；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(yīng)注重監(jiān)測樁基變形并針對性地對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)做出調(diào)整。