盾構隧道側向穿越樁基時對樁體土體及地面變形的影響

侯玉偉

(中鐵十三局集團有限公司華東工程指揮部,201601,上海∥高級工程師)

盾構隧道側向穿越樁基時對樁體土體及地面變形的影響

侯玉偉

(中鐵十三局集團有限公司華東工程指揮部,201601,上海∥高級工程師)

以某地鐵盾構從近距離樁基側面穿越為背景,通過有限元數值模擬,選取隧道與樁基凈間距較小一側進行計算,分析盾構隧道穿越樁基引起的樁體、周圍土體及地面的變形。

地鐵;盾構;樁基;側面穿越;土體變形

Author's addressEast China Engineering Depatment,The 13th Engineering Bureau Group Co.,Ltd.of China Railway,201601,Shanghai,China

盾構法施工具有效率高、機械化程度高、對地層適應能力強及有效控制地面變形等優點,故在城市地鐵隧道建設中得到廣泛應用。由于城市的高層建筑、高架橋梁等密布云集,其建筑結構一般都設有樁基礎,故盾構隧道施工往往需要從樁基之間穿過。隧道施工會引起周圍土體的變形,土體的變形則會影響樁周土體的應力狀況,對樁的變形和內力會產生一定的影響,如不能采取有效措施減小施工對樁基的影響,往往會影響建筑結構的安全使用。

針對盾構施工對樁基影響的研究主要是通過理論分析、數值模擬等。文獻[1]通過試驗,研究了盾構施工對樁基承載力和沉降的影響,認為盾構在軟弱土層中側穿與下穿樁基施工時對其的影響可能是設計和施工中要考慮的主要或控制因素。文獻[2]利用彈性力學開爾文解及彈性地基梁理論,導出盾構推進對相鄰樁體內力及撓曲影響的計算公式。文獻[3]通過有限元程序研究了隧道施工對樁基的影響,并進行了主要參數的研究。文獻[4]通過離心模型試驗研究了隧道施工對端承樁基的影響,認為當樁與隧道的凈間距在0.25 D(隧道直徑)到1.00 D之間時,樁的沉降受施加體積損失的大小及樁與隧道距離的影響較大。

本文以某地鐵盾構側向穿越樁基為背景,通過建立有限元數值模型,分析盾構掘進對樁基、周圍土體及地面變形的影響,并給出相關的研究分析結論。

1 工程背景

本工程為某地鐵盾構隧道從兩樁基之間穿過。兩樁基之間的中心間距為35 m。上行線隧道與樁基的最小凈距為3 m,下行線隧道與樁基的最小凈距約4.6 m。隧道頂覆土厚度為13.2 m。盾構隧道穿越的土層主要為④層淤泥質黏土和⑤1a層黏土。地鐵隧道與樁基的相互關系如圖1所示。

圖1 盾構隧道與樁基相互關系圖(單位:m)

2 盾構隧道施工對樁基影響的數值模擬

2.1 計算對象選取

考慮到工程的對稱性,在本文中僅取單個隧道和樁基進行計算分析。隧道與樁基的凈間距取3 m,隧道埋深為13 m,由此建立相應的三維有限元模型。主要分析1#樁基及斷面1-1土體(位置關系如圖2所示)所受的影響。

2.2 模型建立

采用Plaxis有限元軟件,建立三維模型。隧道襯砌和樁基采用梁單元模擬;土體采用彈塑性模型、摩爾-庫侖屈服準則,不考慮土體的后期固結變形;梁單元和實體單元之間自由度的協調性通過程序提供的自由度間的耦合功能實現。數值模擬圖如圖2所示。

2.3 襯砌與土層參數的選擇

計算參數選用該工點的實際地層參數,土體的本構模型采用摩爾-庫侖模型。土層及結構的參數分別如表1、表2所示。

圖2 有限元模型圖

表1 土層參數

表2 結構物參數

3 模擬計算的結果分析

3.1 盾構掘進對樁基及周圍土體的影響

為明確盾構掘進對樁基和周圍土體的影響,在隧道與樁基之間取1-1斷面(距隧道1 m)的土體和1#樁基進行分析。圖3為盾構掘進引起1#樁基的水平變形曲線,圖4為盾構掘進刀盤處于不同位置時引起1-1斷面處土體的水平變形曲線。從圖3、4可看出:由于土倉壓力的擠壓和盾殼與周圍土體的摩擦作用,刀盤前方3 m處的樁基和土體都有向遠離隧道方向的變形趨勢,其最大值分別為0.7 mm和1.0 mm;在刀盤位置的樁基則有向隧道方向的變形,但量值較小,僅0.6 mm左右,而土體依然發生遠離隧道方向變形,為1.2 mm。造成兩者區別的原因是:盾構土倉壓力的擠壓影響范圍是以刀盤為起始點按45°-φ/2的角度向外呈輻射狀擴散的區域,經計算可知在刀盤斷面的位置,土體處于擠壓擾動區,樁基則處于松動卸荷區,因此樁基向隧道方向變形;而1-1斷面的土體則向遠離隧道方向變形。由于建筑空隙的存在以及注漿填充不充分等原因,刀盤后方5 m位置的樁基和1-1斷面的土體都向隧道方向發生較大的變形,其最大值分別為4.4 mm和7.4 mm。此時可能會減少樁基與土體的接觸壓力,進而影響到樁基的承載能力。在盾構掘進整個過程中,樁基和周圍土層在平行盾構掘進方向始終發生向前的變形,其最大值分別為2.0 mm和3.0 mm。

圖3 1#樁基的水平變形

圖4 1-1斷面土體的水平變形

圖5為盾構掘進引起1-1斷面土體的分層隆沉曲線。由圖5可知:樁基對隧道側土體的豎向變形規律有一定影響,即有樁基時側面土體以沉降為主,無樁基時側面土體的沉降和隆起都較大;且豎向變形量值也有一定區別,如有樁基時側面土體的最大沉降和隆起量分別為-9.0 mm和+2.4 mm,而無樁基時側面土體的最大沉降和隆起量分別為-20 mm和+16.6 mm。

3.2 盾構掘進對地面變形的影響

圖6為盾構掘進引起的不同位置處地面沉降曲線。從圖6中可看出,由于既有樁基的阻隔作用,盾構施工引起地面的橫向沉降槽寬度有一定的減少。刀盤后方7.2 m處的橫向沉降影響范圍為30 m(該處沒有樁基)。在刀盤后方5 m、刀盤位置及刀盤前方3 m時的影響范圍均為25 m左右(該處都有樁基),影響范圍減少約20%。由此可見,樁基對周圍地層起到了加固作用。

圖5 1-1斷面土體的分層隆沉曲線

圖7為盾構施工引起的地面縱向變形曲線。通常盾構前方土體受到擠壓時有向前、向上的移動,從而使地表有微量的隆起;而當開挖面土體因支護力不足而向盾構內移動時,則盾構前方土體發生向下向后的移動,從而使地面沉降。另外,開挖面的上方土體,還會發生沉降;由于施工過程中對周圍土體的擾動、土中的孔隙水壓力的變化等因素還會使盾構周圍產生后續沉降。可見,盾構掘進所致地層變形可分為3個階段:盾構前方隆起或沉降,開挖面沉降,及固結沉降[4]。由圖7可知,盾構近距離側穿樁基引起地面的縱向變形也可以分為前方隆起段、開挖面沉降段以及固結穩定段。由于樁基數量較少,根據影響分析,這與無樁基正常掘進時的情況基本一致。

圖6 盾構掘進引起的地面橫向沉降曲線

圖7 盾構掘進引起的地面縱向變形

4 實測數據

為確保盾構穿越施工安全,對盾構穿越過程中15號墩的沉降和水平位移進行監測(條件所限,未對樁本身進行監測)。盾構穿越后,15號墩的最終沉降為0.5 mm,水平位移為0.8 mm,影響均較小。但水平向位移明顯大于豎向,說明盾構側穿時對樁基水平向的影響大于豎向。

5 結語

本文通過有限元模擬,針對盾構隧道側向穿越樁基情況,分析盾構掘進對樁體、周圍土體及地面變形的影響,得出以下的結論。

1)在刀盤前方的樁基和土體都有遠離隧道方向的變形趨勢;在刀盤位置附近的土體產生遠離隧道方向的變形,樁基產生向隧道方向的變形;在刀盤后方的樁基、土體都產生向隧道內的較大變形,且樁基變形小于土體的變形。

2)有樁基時盾構隧道的側面土體以沉降為主,沉降量比無樁基時小。無樁基時側面土體的沉降和隆起都較大。

3)樁基對周圍地層起到了加固作用,減小了盾構施工所引起地面橫向沉降槽的寬度,但加大了隧道與樁基之間土體的不均勻沉降量。

4)由于樁基數量較少,盾構側向穿過樁基引起的地面縱向變形與無樁基時基本一致。

[1]Morton J J,King K H.Effects of tunneling on the bearing capacity and settlement ofpiled foundations[C].Proc T unnelling'79,IMM,London,1979:57.

[2]李永盛,黃海鷹.盾構推進對相鄰樁體力學影響的實用計算方法[J].同濟大學學報:自然科學版,1997,25(3):274.

[3]Mroueh H,Shahrour I.T hree-dimensional analysis of the interaction between tunneling and pile foundations[C].Numerical M odels in Geomechanics-NUMOG VII,Pande,1999:397.

[4]Hergarden H J A M,J S van der Schrier.G round movements due to tunneling:Influence on pile foundations[C].Geotechnical Aspects of Underground Construction in soft Ground,1996:519.

[5]易麗萍.現代隧道設計與施工[M].北京:中國鐵道出版社,1997.

[6]郭慶昊,原文奎,張志勇.盾構法隧道下穿既有地鐵車站影響分析[J].城市軌道交通研究,2008(11):50.

Influence of Shield Lateral Crossing on Soil Deformation

Hou Yuwei

Based on a project in which a shield passed laterally the pile foundation in close distance,this paper simulates the tunneling by finite element method,and calculates the closer distance between the tunnel and the pit foundation,thus attains the deformations data of the pile,soil and land surface caused by shield crossing through the pile foundation.

metro;shield;pile;crossing laterally;deformation of soil

TU 433:U 455.43

2010-01-06)