不同加固方式下盾構(gòu)施工對橋梁樁基影響的研究

胡雄玉

(西南交通大學(xué)地下工程系，四川成都 610031)

盾構(gòu)法修建地鐵隧道具有對周圍環(huán)境影響小、施工快速安全等優(yōu)點，已成為城市地鐵修建的主要施工方法。由于城市建筑物密集，地鐵修建過程中必然會出現(xiàn)近接施工。盾構(gòu)施工中由于超挖、頂推力、盾尾空隙、注漿等因素的影響，不可避免地引起地層變位。地層變位可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物發(fā)生開裂、沉降、傾斜等現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響。

擬建中的某城市地鐵2號線區(qū)間盾構(gòu)隧道近距離穿越城市立交橋樁基，最小凈距僅1.56 m。研究樁基的內(nèi)力和位移隨盾構(gòu)掘進(jìn)的變化規(guī)律，并提出有效的加固方法對立交橋的保護(hù)和地鐵的順利掘進(jìn)具有重要意義。

1 工程概況

根據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果，隧道鄰近地層由上至下為人工填土、粉土、中密卵石、密卵石、細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化泥巖等，隧道穿越地層主要為密卵石地層。計算所采用的地層和結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)物性指標(biāo)取相應(yīng)混凝土類型和強(qiáng)度等級的規(guī)范值，考慮管片接縫的存在對隧道的剛度進(jìn)行折減，折減系數(shù)為0.8。區(qū)間隧道與樁基位置剖面如圖1所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 三維有限元模型

采用三維數(shù)值模擬方法進(jìn)行計算分析。土體、樁基、注漿層采用 Solid45單元模擬，二襯單元采用Shell43單元模擬，模型長(z向)54 m，寬(x方向)61.21 m，高(y方向)34.57 m，共有46 968個單元。有限元模型如圖2所示。

表1 計算采用地層及襯砌材料參數(shù)

圖1 區(qū)間隧道與樁基位置剖面(單位:mm)

2.2 樁—土接觸

圖2 有限元模型示意

土與結(jié)構(gòu)共同作用有其特殊性，因兩者剛度相差很大，一般在兩者的界面上不滿足變形協(xié)調(diào)條件，此時就需要采用接觸單元予以處理。處于接觸狀態(tài)的表面具有不相互穿透、能傳遞法向壓力和切向摩擦力、不傳遞法向拉力的特點，因此接觸表面可以自由地相互分開并相互遠(yuǎn)離。接觸是一種高度非線性行為，能真實地反映樁—土間的相互作用。由于樁基僅對立交橋的橋面結(jié)構(gòu)提供豎向支撐，在側(cè)向則主要存在摩擦力，為簡化計算，忽略該摩擦力對樁基頂端的約束作用。本次數(shù)值模擬中的樁為摩擦型樁，其承載能力主要由樁側(cè)摩阻力構(gòu)成，該摩阻力為樁—土之間相互作用的結(jié)果。為了更加真實地模擬樁—土間的相互作用，采用了面—面接觸單元，在樁—土接觸中，樁是剛性體，土是柔性體，因而將樁表面設(shè)為目標(biāo)面，土表面設(shè)為接觸面。樁基與土體間采用Targe170、Conta174接觸單元組成的接觸對進(jìn)行模擬，樁身和土體均采用六面體八節(jié)點Solid45實體單元，每個節(jié)點具有x、y、z三個方向自由度，具有塑性、流變、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變的能力，樁的本構(gòu)模型為線彈性，土的本構(gòu)模型為摩爾—庫倫模型。土體和樁的摩擦系數(shù)取0.4。

3 不同加固方式下結(jié)果分析

3.1 加固方式

比較相同注漿壓力、頂進(jìn)力，不同加固方式時考慮以下三種工況:

1)工況一:沒有進(jìn)行任何加固措施。

2)工況二:對距離隧道較近且靠近隧道側(cè)的樁基進(jìn)行花管注漿加固，在樁邊0.5m范圍內(nèi)間隔1.2 m采用鋼花管垂直打入樁基下2 m的地層中，對樁基礎(chǔ)進(jìn)行注漿加固，注漿斷面圖見圖3。

3)工況三:對盾構(gòu)隧道穿越地層進(jìn)行加固，注漿加固區(qū)域如圖4所示。

3.2 樁x方向的位移

圖3 花管注漿加固示意(單位:m)

圖4 隧道穿越地層加固示意(單位:mm)

選取1#樁進(jìn)行分析，盾構(gòu)隧道施工對樁x方向位移的影響如圖5所示。盾構(gòu)施工時，在地層變形、頂進(jìn)力及注漿壓力等影響下，1#樁頂部產(chǎn)生水平向左的位移，1#樁底部產(chǎn)生水平向右的位移。當(dāng)左洞施工到樁基前2D(D為隧道直徑)時，對樁基影響較小，工況一與工況二1#樁底部位移相同，為0.9 mm。工況一1#樁頂部位移為 -0.3 mm，工況二和工況三1#樁頂部位移相近。從左洞施工到達(dá)樁基至右洞施工到樁基前2D范圍內(nèi)，樁基頂部和底部位移的絕對值不斷增大，即樁的傾角不斷增大，工況一最大傾角為76″，工況二最大傾角為64″，工況三最大傾角為13″。由此可知，工況一樁基傾角最大，工況二樁基傾角比工況一略小，工況三樁基傾角明顯小于前兩種工況。從右洞施工到樁基以后，樁基頂部和底部位移的絕對值開始減小，右洞貫通后工況一最大傾角為38″，工況二最大傾角為32″，工況三最大傾角為 4″。

4 應(yīng)力分析

4.1 第一主應(yīng)力分析

盾構(gòu)施工引起的1#樁第一主應(yīng)力變化情況為:工況一最大拉應(yīng)力1.6 MPa，出現(xiàn)在左洞通過樁基2D時。右洞開始修建時，最大拉應(yīng)力逐漸減小，最終最大拉應(yīng)力為0.9 MPa;工況二最大拉應(yīng)力為1.5mPa，出現(xiàn)在左洞通過樁基2D時。右洞開始修建時，最大拉應(yīng)力的值逐漸減小，最終最大拉應(yīng)力為0.7 MPa;工況三左洞通過樁基2D時，最大拉應(yīng)力為0.5mPa，其后隨著盾構(gòu)施工，最大拉應(yīng)力基本穩(wěn)定。

圖5 盾構(gòu)隧道施工對1#樁x方向位移的影響

4.2 第三主應(yīng)力分析

盾構(gòu)施工引起的1#樁第三主應(yīng)力變化情況為:工況一最大壓應(yīng)力1.5mPa，出現(xiàn)在左洞通過樁基2D時;右洞開始修建時，最大壓應(yīng)力逐漸減小，最終最大壓應(yīng)力為0.9 MPa。工況二最大壓應(yīng)力為1.5mPa，出現(xiàn)在左洞通過樁基2D時;右洞開始修建時，最大壓應(yīng)力的值逐漸減小，最終最大壓應(yīng)力為0.7 MPa。工況三左洞通過樁基2D時，最大壓應(yīng)力為0.5mPa，其后隨著盾構(gòu)施工，最大壓應(yīng)力基本穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1)盾構(gòu)隧道近距離穿越立交橋樁基對橋梁樁基的內(nèi)力和位移產(chǎn)生一定影響。未加固時，1#樁最大x方向傾角為76″，最大拉應(yīng)力1.6 MPa，最大壓應(yīng)力1.5mPa。

2)對樁基兩側(cè)地層采用花管注漿加固，1#樁最大x方向傾角為64″，最大拉應(yīng)力1.5mPa，最大壓應(yīng)力1.5mPa。該加固方式對樁基的位移和內(nèi)力控制效果不明顯。

3)對盾構(gòu)隧道穿越地層進(jìn)行注漿加固后，1#樁最大x方向傾角為13″，最大拉應(yīng)力0.5mPa，最大壓應(yīng)力0.5mPa。該方法加固效果明顯，建議采用對盾構(gòu)隧道穿越地層進(jìn)行注漿加固的方法。

4)施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制地層損失率以及盾構(gòu)推進(jìn)壓力等盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，增加盾構(gòu)管片上的注漿孔，加強(qiáng)盾構(gòu)通過時的同步注漿和二次注漿。盾構(gòu)通過前在下穿的建筑物周圍預(yù)埋兩排袖閥管進(jìn)行適量預(yù)注漿加固，盾構(gòu)通過時根據(jù)監(jiān)測情況進(jìn)行地面跟蹤補(bǔ)償注漿，以確保建筑物的安全。

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