基于有限元模擬的盾構(gòu)隧道側(cè)穿引起橋梁樁基礎(chǔ)變形分析

黃志增

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

目前，我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，城市人口逐漸增加。城市人口的增加在一定程度上可以推進(jìn)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但同樣也會(huì)加劇城市的負(fù)擔(dān)[1]，最為明顯的就是城市交通的壓力增大，道路出行越來(lái)越難。為了改變這一現(xiàn)狀，人們將目光轉(zhuǎn)向地下空間與橋梁空間，建設(shè)了眾多交通橋梁與地下隧道，減緩了地上交通的壓力，延長(zhǎng)了地上交通用地的使用壽命[2]。盾構(gòu)隧道是較為常見(jiàn)的一種隧道施工類型，在一個(gè)金屬外殼下進(jìn)行施工作業(yè)，不僅可以隔絕周圍土體，還可以在金屬外殼保護(hù)下將隧道掘進(jìn)變得更加簡(jiǎn)便。

根據(jù)盾構(gòu)的截面形式，可以將其分為單圓、復(fù)圓和非圓三種形式。顧名思義，單圓盾構(gòu)就是一個(gè)圓形的金屬外殼結(jié)構(gòu)；復(fù)圓盾構(gòu)就是兩個(gè)或三個(gè)圓形連接在一起的金屬外殼結(jié)構(gòu)；非圓盾構(gòu)就是除了圓形之外的橢圓、矩形和馬蹄形等金屬外殼結(jié)構(gòu)[3]。隨著城市地下空間的建設(shè)，盾構(gòu)隧道側(cè)穿與地下空間相結(jié)合的現(xiàn)象越發(fā)普遍，由此引起的橋梁樁基礎(chǔ)變形與地面沉降問(wèn)題逐漸凸顯[4]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究了基于有限元模擬的盾構(gòu)隧道側(cè)穿引起橋梁樁基礎(chǔ)變形這一課題，通過(guò)對(duì)樁基承載力和地層等方面的分析，研究隧道側(cè)穿對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響，為隧道與橋梁的研究提供理論依據(jù)。

1 工程概況

本文以某工程盾構(gòu)隧道為例，對(duì)盾構(gòu)隧道側(cè)穿引起橋梁樁基礎(chǔ)變形情況進(jìn)行分析。該工程是一個(gè)地下隧道區(qū)間，位于兩個(gè)市中心站點(diǎn)的街區(qū)下方，呈南北走向，側(cè)穿同街區(qū)的高架橋匝道橋。該盾構(gòu)隧道的起止里程為DM3+662.321～DM4+342.658，線路全長(zhǎng)1 266.124 m[5]。該隧道埋深為15.6～16.1 m，隧道拱頂處地層主要以粉質(zhì)黏土與細(xì)砂組成。拱頂處的施工建設(shè)較難，承載力需要盡可能地加大。在盾構(gòu)隧道DM3+852.143處設(shè)置了一個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，可以在信號(hào)較弱的情況下，發(fā)出聯(lián)絡(luò)信號(hào)，溝通地面與隧道，保證隧道內(nèi)的人員安全。

該隧道采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，將鋼筋混凝土管片襯砌，管片內(nèi)徑、結(jié)構(gòu)厚度和寬度等參數(shù)根據(jù)實(shí)際建設(shè)情況進(jìn)行調(diào)整，以減少施工材料對(duì)隧道建設(shè)的影響[6]。盾構(gòu)隧道側(cè)穿同街區(qū)的高架橋匝道橋?yàn)棰窦?jí)風(fēng)險(xiǎn)源。該橋樁基礎(chǔ)的樁長(zhǎng)為27.5 m，樁徑為0.7 m，樁頂距離地面約4.5 m，承臺(tái)高約1.5 m。橋梁樁基處為礫石層，隧道建設(shè)主要會(huì)影響砂土和粉質(zhì)黏土等區(qū)域，使橋梁樁基下的地層出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，影響橋梁的穩(wěn)定性。盾構(gòu)隧道中心線距離橋墩的距離為2.0 m，隧道拱頂距離樁頂約6.26 m，易出現(xiàn)橋梁樁基礎(chǔ)變形情況。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備及過(guò)程

盾構(gòu)隧道側(cè)穿高架橋施工過(guò)程中，依次會(huì)經(jīng)過(guò)雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中砂、細(xì)砂、粗砂、粉土、卵礫土、中粗砂和中細(xì)砂等層面，且盾構(gòu)隧道在中砂層-粉土層區(qū)域施工。相關(guān)地層的參數(shù)如表1所示。

表1 某工程盾構(gòu)隧道地層參數(shù)表

由表1可知，該工程盾構(gòu)隧道地層巖土類型較多，其中，雜填土和砂土的粘聚力較差，重力較輕，在施工過(guò)程中是較難處理的問(wèn)題[7]。由于中砂、細(xì)砂和粗砂的粘聚力為0，在施工過(guò)程中，更容易分散隧道承載力。該工程盾構(gòu)隧道在此區(qū)域施工，側(cè)穿高架橋匝道橋的結(jié)構(gòu)主要為樁基礎(chǔ)、承臺(tái)、橋墩、橋板、管片以及盾殼。側(cè)穿施工前，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

式中：P(t)——結(jié)構(gòu)材料的彈性模量(GPa)；

Pmax、Pmin——相關(guān)材料的最大承載力與最小承載力；

t——常數(shù)；

s、i——結(jié)構(gòu)材料的寬度與厚度(m)；

Ss——結(jié)構(gòu)材料的泊松比；

Gv——地面沉降量；

Fz——結(jié)構(gòu)材料的重度(kN/m3)；

fz——隧道中線到橋梁結(jié)構(gòu)之間的力學(xué)參數(shù)；

δv、δT——隧道到橋梁結(jié)構(gòu)的中心深度與時(shí)間系數(shù)。

將隧道施工的相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(1)～(3)中得出：樁基礎(chǔ)的彈性模量為30.02 GPa，樁徑厚度與寬度保持一致，均為1.20 m，重度為23.12 kN/m3；承臺(tái)的彈性模量為34.28 GPa，厚度為2.01 m，重度為26.52 kN/m3；橋墩的彈性模量為34.25 GPa，厚度為1.20 m，重度為26.68 kN/m3；橋板的彈性模量為34.31 HPa，厚度約為1.00 m，重度為23.32 kN/m3；管片的彈性模量為30.12 GPa，厚度為0.31 m，重度為25.55 kN/m3；盾殼的彈性模量為250.08 GPa，厚度為0.05 m，重度為78.12 kN/m3。由此得出，橋梁結(jié)構(gòu)主要材料的泊松比一致，均為0.21，盾殼的承受力最大，彈性模量相對(duì)較高。在此條件下，本文利用有限元模擬方法，將盾構(gòu)隧道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道的網(wǎng)格劃分云圖

由圖1可知，地層是半無(wú)限土體，模型與實(shí)際隧道情況基本一致，其自重、掘進(jìn)壓力、注漿壓力等邊界條件均考慮在實(shí)際網(wǎng)格劃分的范圍內(nèi)，可以對(duì)有限元模型各個(gè)方向的邊界施加約束作用。當(dāng)施工環(huán)境改變時(shí)，可以通過(guò)改變網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)施工前屬性變化的目的，進(jìn)而保證對(duì)盾構(gòu)隧道的全方位掌控[8]。在隧道施工階段，每掘進(jìn)一個(gè)開(kāi)挖段需要激活下一處開(kāi)挖段，通過(guò)模擬掘進(jìn)壓力的遷移，即可了解盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中橋梁樁基礎(chǔ)的變形情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

在上述試驗(yàn)條件下，本文對(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向的最大偏移值進(jìn)行分析。一般情況下，盾構(gòu)隧道側(cè)穿施工過(guò)程中會(huì)引起樁基水平位移、承臺(tái)豎向位移的情況，需要對(duì)二者進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。根據(jù)有限元模擬的數(shù)據(jù)，樁基水平位移的變化情況如表2所示。

表2 樁基水平位移變化情況表

由表2可知，樁基深度從0 m開(kāi)始逐漸加深，深入到45.642 m后停止。在此過(guò)程中，樁基的水平位移從0.028 m開(kāi)始增加，隨著樁基深度的加深，樁基的水平位移也逐漸增加。樁基深度達(dá)到45.642 m時(shí)，水平位移為0.062 m。在相同條件下，承臺(tái)的豎向位移情況如表3所示。

表3 承臺(tái)的豎向位移變化情況表

由表3可知，開(kāi)挖距離為0 m時(shí)，承臺(tái)的豎向位移為5.521 m，此時(shí)的豎向位移為承臺(tái)的基礎(chǔ)值。開(kāi)挖距離開(kāi)始從0 m向120 m推進(jìn)時(shí)，豎向位移也開(kāi)始增加，當(dāng)開(kāi)挖距離達(dá)到120 m時(shí)，承臺(tái)豎向位移與基礎(chǔ)值之間相差4.347 m，承臺(tái)更容易出現(xiàn)不均勻沉降的現(xiàn)象。此時(shí)，地層損失與橋梁穩(wěn)定系數(shù)之間的關(guān)系式為：

(4)

Sm=εi·Mc

(5)

式中：Mc——地層損失數(shù)據(jù)；

Ms——隧道支護(hù)壓力；

Ns——隧道豎向壓力；

Sm——結(jié)構(gòu)材料的豎向位移基數(shù)；

εi——結(jié)構(gòu)材料的水平位移系數(shù)。

由式(4)～(5)可知，橋梁樁基礎(chǔ)變形與樁基水平位移、承臺(tái)豎向位移有關(guān)，故減少位移變化，就是減少地層不均勻沉降的過(guò)程，進(jìn)而減少橋梁樁基礎(chǔ)變形情況。

4 結(jié)語(yǔ)

在盾構(gòu)隧道側(cè)穿施工的過(guò)程中，橋梁樁基礎(chǔ)部位會(huì)產(chǎn)生較大的水平位移與豎直位移。隨著樁身的加深以及盾構(gòu)開(kāi)挖距離的不斷推進(jìn)，樁基的水平位移會(huì)不斷增加。同樣，隨著盾構(gòu)開(kāi)挖距離的加深，承臺(tái)的豎向位移也會(huì)相應(yīng)增加。由于水平位移與豎向位移的變化，會(huì)導(dǎo)致樁基和承臺(tái)發(fā)生不均勻沉降的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁樁基礎(chǔ)變形。因此，在盾構(gòu)隧道施工的過(guò)程中，需要對(duì)橋梁相關(guān)結(jié)構(gòu)的水平位移與豎向位移進(jìn)行全周期監(jiān)測(cè)，減少樁基、承臺(tái)發(fā)生不均勻沉降的現(xiàn)象，進(jìn)而減少橋梁樁基礎(chǔ)變形的情況。

近些年來(lái)，在廣泛使用地下空間的趨勢(shì)下，盾構(gòu)隧道側(cè)穿與地下空間相結(jié)合的建設(shè)方式越來(lái)越普遍，橋梁樁基礎(chǔ)變形的問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。基于此，本文研究了基于有限元模擬的盾構(gòu)隧道側(cè)穿引起橋梁樁基礎(chǔ)變形分析這一課題。通過(guò)分析某工程的實(shí)際情況，了解橋梁樁基礎(chǔ)變形的原因，并找出相關(guān)解決方案，為城市隧道工程與橋梁工程的建設(shè)提供研究方向。