隧道盾構(gòu)施工對鄰近樁基群影響的數(shù)值分析

（1招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067；2國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心，重慶 400067；3公路隧道建設(shè)技術(shù)國家工程實驗室，重慶 400067；4西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川成都 610031）

0 引言

當(dāng)隧道近鄰橋梁時，開挖隧道會影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定進而影響橋梁的運營安全。而盾構(gòu)隧道穿越鄰近橋梁時首先影響橋梁的樁基礎(chǔ)：隨著隧道的開挖，巖體原有的地應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，盾構(gòu)開挖面造成地層損失及應(yīng)力擾動，引起圍巖變形，并作用于橋梁樁基上，使得樁基產(chǎn)生了不利變形和內(nèi)力，降低了其安全穩(wěn)定性。

目前對隧道穿鄰近橋梁樁基的研究方法主要有三種：模型試驗法、解析法及數(shù)值方法等[1-4]，其中數(shù)值方法大多采用有限元法。通過有限元數(shù)值分析，Mroueh[5]發(fā)現(xiàn)隧道施工對樁基礎(chǔ)的影響與兩者的位置關(guān)系、兩者間距離等因素直接相關(guān)。柳厚祥[6]采用ANSYS軟件研究了不同條件下隧道開挖對樁基的影響，如樁長、樁的類別及鄰近隧道的距離，認(rèn)為隧道施工主要使樁基發(fā)生傾斜，且主要受隧道與樁基間距離及樁基持力層土強度的影響。王占生[7]對隧道盾構(gòu)施工對相鄰樁基的影響進行了系統(tǒng)的闡述，研究了鄰近樁基與地層土體之間的相互作用，并給出了減小樁基變形，保證樁基安全穩(wěn)定的措施。楊曉杰[8]基于廣州地鐵二號線工程，研究了隧道開挖與鄰近樁基承載力之間的關(guān)系，認(rèn)為隧道開挖下樁側(cè)摩阻力及樁端反力直接導(dǎo)致了樁基承載能力的改變。Maosong Huang[9]采用兩階段法（位移控制法），研究了在不同地層損失比下，隧道施工開挖對鄰近樁基礎(chǔ)（單樁及群樁）的影響。劉楓[10]采用ABAQUS軟件對隧道穿越樁基礎(chǔ)的具體工程實例進行分析，研究了單樁及群樁下隧道開挖影響的差異性，一定程度上指導(dǎo)了隧道工程施工。基于整體分析法，王麗[11]等對隧道盾構(gòu)施工進行了數(shù)值模擬分析，認(rèn)為盾構(gòu)開挖影響范圍為三倍隧道直徑。朱逢斌[12]等通過建立三維模型，分別研究隧道在均質(zhì)土及分均質(zhì)土中的盾構(gòu)施工過程，分析了其對周圍樁基的影響規(guī)律。高偉[13]等采用FLAC3D軟件對廣州地鐵穿越立交橋工程進行了數(shù)值仿真模擬，分析了橋梁承臺及樁基的變形規(guī)律，并與實測結(jié)果進行對比。李寧[14]等研究了地鐵隧道開挖對不同區(qū)域樁基的影響，分析了圍巖變形規(guī)律及樁變形的影響因素。芮勇勤[15]等采用FLAC程序進行了數(shù)值計算，研究了隧道開挖對建筑物樁基力學(xué)特性的影響。

綜合來看，目前大多數(shù)研究是針對平面范圍，且多半研究將數(shù)值模型進行了大量簡化，與實際差距較大。實際上盾構(gòu)隧道施工對樁基的影響因素眾多，是復(fù)雜的三維問題。

本文以烏魯木齊地鐵一號線下穿烏準(zhǔn)鐵路橋工程為背景，建立三維數(shù)值模型，研究隧道盾構(gòu)施工對領(lǐng)近橋梁樁基的影響規(guī)律。并對比注漿加固前后橋梁樁基的沉降規(guī)律，進而對加固效果進行評價：經(jīng)數(shù)值計算分析，認(rèn)為采取注漿加固措施能夠有效控制因盾構(gòu)施工引起的橋梁樁基沉降。

1 數(shù)值模型

1.1 隧道與橋梁位置關(guān)系

研究區(qū)域位于宣仁墩-大地窩站區(qū)間，該區(qū)間盾構(gòu)隧道主要穿越地層（自上而下）為：雜填土、粉土、卵石。根據(jù)詳勘報告，勘察期間勘探深度40m內(nèi)未見地下水，可不考慮地下水影響。其中隧道側(cè)穿烏準(zhǔn)鐵路橋時，盾構(gòu)穿越地層為卵石地層。

本次模擬的施工區(qū)域位于烏魯木齊市新市區(qū)，施工點位于安寧渠路與城北主干道交界西側(cè)300m左右的城北主干道上。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)將側(cè)穿烏準(zhǔn)鐵路橋樁。烏準(zhǔn)鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為國家I級，為雙線橋，隧道下穿范圍橋梁結(jié)構(gòu)型式為5墩4跨連續(xù)箱梁，梁支座為鋼支座。橋梁設(shè)計荷載P=9930kN，橋梁墩臺下設(shè)尺寸為11m×11.6m×3m的矩形承臺，承臺下有8～9根直徑1.5m的樁基，樁長為30m，承臺距隧道頂部約5.5m。盾構(gòu)隧道穿越烏準(zhǔn)鐵路橋時加強對橋墩的監(jiān)測，監(jiān)測預(yù)警值為±10mm。

隧道頂部埋深約9～22m，隧道內(nèi)徑Φ5500mm，外徑Φ6200mm，管片厚度為350mm。襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，錯縫拼裝。隧道距離樁基最小水平距離為4.6m。橋樁與區(qū)間隧道剖面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 橋樁與區(qū)間隧道剖面位置關(guān)系圖

1.2 模型參數(shù)

本次數(shù)值計算采取三維模型進行分析，根據(jù)詳勘資料，地層分為三層，表層為雜填土，表層以下為粉土及卵石土，因重點關(guān)注盾構(gòu)隧道對鄰近橋梁樁基沉降位移的影響，土體本構(gòu)模型采取莫爾庫倫模型，各層土體及相關(guān)材料參數(shù)見表1、表2所示。

表1 模型土體參數(shù)

表2 相關(guān)材料參數(shù)

模型的建立參照設(shè)計圖紙，采用通用有限差分軟件FLAC3D進行計算。模型長180m，寬114m，高45m，包含18萬節(jié)點和58萬單元。地層由實體單元模擬，分上、中、下三層，分別為雜填土、粉土和卵石，整體模型如圖2所示。承臺由實體單元模擬，樁由樁單元模擬；加固區(qū)和襯砌由殼單元模擬，隧道與樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)關(guān)系圖如圖3所示。

圖2 整體模型圖

圖3 隧道與樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

2 計算工況

工程現(xiàn)場屬于地表淺層區(qū)域，上部為雜填土，下部為粉土、卵石土地層，由于模型應(yīng)力場較為復(fù)雜，在初始應(yīng)力場的計算中需要考慮橋樁及承臺的自重。在計算模型地應(yīng)力時首先施加重力及橋樁承臺上的壓力，求出模型的應(yīng)力，然后進行地應(yīng)力平衡計算，從而得到滿足平衡條件的模型初始應(yīng)力場。

隧道的開挖根據(jù)工程實際，首先完成右線開挖，等模型隧道右線全面貫通后，再開挖隧道左線，掘進進尺為1.5m，開挖采取循環(huán)步驟。

為了評估橋樁加固對隧道周邊圍巖及樁基變形的影響，分兩種工況進行分析：（1）未對橋樁進行注漿加固；（2）對橋樁進行加固。

2.1 工況一：未對橋樁進行注漿加固

計算過程采用分步模擬，隧道左右線均采取盾構(gòu)法進行開挖，具體如下：

（1）將開挖圍巖材料改為null實現(xiàn)開挖；

（2）對掌子面施加土倉壓力100kPa；

（3）施加盾構(gòu)機重量壓力180kPa；

（4）運算20步模擬隧道瞬時沉降；

（5）施加殼單元模擬盾構(gòu)管片的安裝；

（6）繼續(xù)運行程序模擬隧道開挖引起的后續(xù)變形過程。

圖4右線隧道開挖后不同時步下橋梁樁基的沉降云圖

圖4 為右線隧道開挖后不同時步下橋梁樁基的沉降云圖，從圖中可以看出，由于右線隧道開挖引起的卸載作用導(dǎo)致靠近隧道的樁基發(fā)生沉降位移，且隨著開挖時步的逐漸增加，沉降值逐漸增大，最大位移值為1.66mm，遠離隧道一側(cè)的樁基發(fā)生向上位移，最大值為1.05mm。這是由于隧道埋深較淺，隧道開挖時土體的卸荷效應(yīng)相對明顯，隧道上方土體發(fā)生沉降，隧道下方土體產(chǎn)生隆起，近隧道一側(cè)樁基隨土體變形發(fā)生沉降，遠離隧道一側(cè)由于受下方土體隆起影響較大，產(chǎn)生一定隆起，此現(xiàn)象說明隧道開挖引起領(lǐng)近樁基傾斜，給隧道工程安全帶來一定風(fēng)險。

計算結(jié)果顯示樁基礎(chǔ)最大沉降值為1.66mm，發(fā)生在右線掘進通過后承臺靠近右線隧道測，最大隆起量為1.05mm。現(xiàn)場實測墩柱沉降量如表3所示，對比數(shù)值計算結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)兩者分布范圍相同，且樁基沉降最大值和隆起量差距很小，說明數(shù)值模擬很好地模擬了實際地層變形過程，具有工程指導(dǎo)意義。

表3 墩柱沉降監(jiān)測值

圖5左線隧道開挖后不同時步下橋梁樁基的沉降云圖

圖5 為左線隧道開挖后樁基的沉降云圖，從圖中可以看出，左線隧道開挖后，領(lǐng)近樁基沉降規(guī)律同右線隧道開挖相似：臨近樁基發(fā)生沉降位移，且沉降值隨開挖時步的增加逐漸增大，最大值為1.66mm；遠離隧道一側(cè)樁基向上位移最大為1.03mm。

在隧道施工開挖過程中，由于樁基、承臺、土的相互作用，會引起臨近樁基內(nèi)力發(fā)生變化，產(chǎn)生附加彎矩進而影響樁基穩(wěn)定。

為研究盾構(gòu)施工對臨近橋梁樁基的影響，分析了隧道開挖引起的臨近樁基附加彎矩隨樁基深度的變化規(guī)律。為使結(jié)果具有代表性，本次分析共選取4根樁：3#承臺下離左線隧道最近的樁（編號1）、5#承臺下離右線隧道最近的樁（編號4）、4#承臺下離左、右線隧道最近的樁（編號2、3）。模型承臺底部高度為-7m，樁底部高度為-35m，隧道中軸線高度為-15m；沿樁身深度方向共取8個點，分別標(biāo)高-35m，-31m，-27m，-23m，-19m，-15m，-11m，-7m。

樁基附加彎矩隨樁基深度的變化規(guī)律如圖6所示。從圖6可以看出，隧道開挖造成的樁基附加彎矩隨深度呈現(xiàn)出相似的規(guī)律：先隨著樁基深度的增加，附加彎矩逐漸增大，且均在隧道中軸線處達到最大值，其中1號和4號樁樁基附加彎矩達到120kN·m，2、3號樁樁基附加彎矩達到80kN·m。后當(dāng)樁基深度超過隧道中軸線時，樁基附加彎矩隨深度的增加逐漸減小，最小值達到6kN·m。可以發(fā)現(xiàn)3號樁呈現(xiàn)出與1號樁相同變化趨勢，右線隧道開挖后引起圍巖應(yīng)力釋放，造成了臨近3號樁樁基應(yīng)力變化，左線隧道開挖后，圍巖應(yīng)力調(diào)整程度小于先開挖的右線隧道，因此樁基受右線隧道開挖影響程度較大，使得3號樁附加彎矩與1號樁變化規(guī)律相同。

圖6 臨近樁基附加彎矩隨樁基深度的變化規(guī)律

從圖6樁基附加彎矩圖可知，隧道開挖對臨近樁基產(chǎn)生了明顯的影響：在該工程里，樁長度較長，在盾構(gòu)施工過程中，樁基的上半部分受隧道開挖擾動影響大，而樁基下半部分受開挖影響很小，并受到周圍土體的限制，因此整個樁基產(chǎn)生了彎曲變形。

2.2 工況二：對橋樁進行注漿加固

盾構(gòu)從烏準(zhǔn)鐵路橋樁邊穿過，距離橋墩基礎(chǔ)很近，為確保橋樁穩(wěn)定，保證隧道施工的順利進行，在相應(yīng)橋墩周圍施打復(fù)合錨桿樁對原有橋樁進行加固注漿，維護整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

復(fù)合錨桿樁加固范圍寬度為1m，距離隧道水平距離最小為1m，孔徑150mm，孔內(nèi)安裝錨桿（3根直徑20螺紋鋼），并采用注漿管進行壓密注漿操作。

巖土加固范圍及位置同設(shè)計資料相同，模型各結(jié)構(gòu)尺寸均按設(shè)計參數(shù)選取，所建立的三維有限元模型如圖7所示。

為了研究注漿加固對樁基群的保護效果，給出了左、右線隧道開挖后樁基群的沉降云圖，如圖8所示。從圖中可以看出，右線隧道開挖引起的卸載作用導(dǎo)致臨近一側(cè)樁基發(fā)生沉降，遠離隧道一側(cè)發(fā)生上浮，其中最大沉降值為1.31mm，沉降值較未對橋梁施加保護措施時有所減小，說明采取的加固措施取得了較好的效果。

圖7 樁基加固數(shù)值模型

圖8 注漿加固后隧道開挖引起的樁基沉降云圖

同樣，左線隧道開挖后，臨近隧道一側(cè)樁基發(fā)生沉降，最大值為1.32mm，遠離隧道一側(cè)樁基位移向上，最大值為0.9mm，說明加固措施減小了樁基的撓曲變形，降低了隧道開挖引起的橋梁傾斜安全風(fēng)險，保證了橋梁的運營安全。

圖9給出了左、右線隧道開挖過程中地表沉降云圖。當(dāng)右線隧道開挖完成時，如圖9（a）所示，隧道頂部土體由于開挖卸載作用發(fā)生沉降，且影響范圍一直擴散到地表，導(dǎo)致地表發(fā)生沉降，沉降最大值為0.76mm。

圖9 盾構(gòu)隧道開挖引起的地表沉降云圖

當(dāng)左線隧道開挖完成時，如圖9（b）所示，隧道上方地表位移沉降進一步擴大，沉降位移達到0.79mm。說明左、右線隧道開挖均引起了地表發(fā)生沉降，但是最大值增長較小，說明右線隧道開挖過程完成時地層應(yīng)力調(diào)整已經(jīng)基本完成，左線隧道繼續(xù)開挖時，應(yīng)力卸載作用較小，相應(yīng)引起的地表沉降增量較小。

樁基內(nèi)力在不同開挖步會表現(xiàn)出不同特征，為了研究樁基時效內(nèi)力分布特性及加固措施對內(nèi)力分布特性的影響，給出了加固前后不同樁基樁身彎矩隨開挖時步的變化規(guī)律，盾構(gòu)施工對近隧道軸線處樁基影響最大，同樣選取了3#承臺下離左線隧道最近的樁（編號1）、5#承臺下離右線隧道最近的樁（編號4）、4#承臺下離左、右線隧道最近的樁進行分析（編號2、3），如圖10所示。從圖中可以看出，同一位置的樁基加固前后樁身彎矩變化規(guī)律類似，但加固后樁基受到隧道開挖的影響有所減小，達到的最終彎矩值較加固前較小：對1號樁基，由于180步之前隧道未開挖至樁基處，因此對樁基影響很小，樁身彎矩基本未發(fā)生變化，從180步開始，受盾構(gòu)施工影響，樁身彎矩迅速增大，且最終達到穩(wěn)定值；對4號樁基，規(guī)律同1號類似，但由于4號樁基受右線隧道開挖影響，彎矩方向同1號恰好相反，且由于右線隧道先開挖，打破最初的地應(yīng)力平衡狀態(tài)，對地層造成的擾動最大，因此4號樁達到的彎矩值最大；對于2、3號樁基，可以看出受首先開挖的右線隧道影響較大，樁身彎矩隨開挖步變化規(guī)律與1號樁基類似，但由于2、3號樁基同時受左、右線隧道開挖影響，當(dāng)左線隧道開挖至近2、3號樁基時，受開挖影響，樁身彎矩值有所減小并最終保持穩(wěn)定。

圖10 加固前后不同樁基樁身彎矩隨開挖時步的變化規(guī)律

3 結(jié)論

采用有限元軟件較好地模擬了盾構(gòu)隧道對鄰近橋梁樁基群的影響，通過對比注漿加固前后樁基的沉降云圖，認(rèn)為采取注漿加固措施能夠有效地減小隧道施工對橋梁樁基群的影響。主要得到以下結(jié)論：

（1）基于設(shè)計勘察等資料，考慮盾構(gòu)施工對臨近橋梁樁基運營安全的影響，建立了完整的三維數(shù)值模型。

（2）盾構(gòu)隧道開挖過程中，臨近隧道一側(cè)樁基發(fā)生沉降，遠離隧道一側(cè)發(fā)生上浮，樁基受應(yīng)力卸載作用存在傾斜安全風(fēng)險。

（3）隧道開挖引起臨近樁基產(chǎn)生附加彎矩，且彎矩隨樁基深度的增加而增大，并在隧道中軸線處達到最大值。

（4）采取注漿加固措施后，樁基最大沉降值減小，說明注漿加固措施能夠較好地維持樁基的穩(wěn)定，進而保證近隧道開挖的橋梁的運營安全。

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