疊線盾構(gòu)隧道下穿既有橋樁體系的影響分析

王明明， 張 天， 賀榮流， 劉尚旭

(1.中國(guó)水利水電第四工程局有限公司，廣東深圳 518052；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

近年來(lái)，我國(guó)城市建設(shè)發(fā)展迅速，造成城市地下空間越來(lái)越擁擠。城區(qū)內(nèi)存在大量高層建筑和高架橋，建筑和橋梁樁基礎(chǔ)深入地下，難免對(duì)隧道施工產(chǎn)生一定的干擾。當(dāng)?shù)罔F隧道線路與既有樁基礎(chǔ)位置沖突時(shí)，往往采用樁基托換技術(shù)進(jìn)行處理[1-3]。即施作托換樁和托換梁并對(duì)既有樁基礎(chǔ)作截樁處理，使得隧道順利通過(guò)新的樁基托換結(jié)構(gòu)。

對(duì)于隧道穿越既有橋梁樁基問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者開展了大量研究工作。楊國(guó)寶等[4]針對(duì)某雙線盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿鐵路高架橋的工程實(shí)際，采用圍護(hù)樁加固方案并分析其加固效果；沈建文等[4]研究了盾構(gòu)隧道施工對(duì)臨近橋樁的影響，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析了數(shù)值方法對(duì)預(yù)測(cè)隧道施工引起橋樁沉降和樁體側(cè)移的有效性；袁勝祥[6]分析了隧道開挖對(duì)于托換樁剩余承載力的影響；廖晨等[7]以上海長(zhǎng)江西路越江工程為依托，研究了穿越過(guò)程中相鄰單樁的位移影響。

目前學(xué)界關(guān)于地鐵穿越樁基的研究大多依托于左右雙線盾構(gòu)隧道的工程實(shí)際，針對(duì)疊線盾構(gòu)隧道開挖對(duì)橋梁樁基的影響研究較少，疊線盾構(gòu)隧道多采用先開挖下洞后開挖上洞的施工順序，且下洞開挖后上洞隧道開挖會(huì)對(duì)橋梁樁基的側(cè)摩阻力產(chǎn)生二次擾動(dòng)，受樁基礎(chǔ)承載區(qū)的影響，樁基礎(chǔ)附近的隧道結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中效應(yīng)[8]。鑒于此，本文以深圳地鐵7號(hào)線筍崗站～洪湖站疊線盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋梁樁基為工程依托，基于ANSYS有限元軟件對(duì)盾構(gòu)隧道穿越樁基礎(chǔ)施工進(jìn)行模擬，以研究盾構(gòu)頂進(jìn)施工對(duì)橋樁托換體系的影響，同時(shí)對(duì)比不同頂推力作用下樁基礎(chǔ)的變形情況，論證新建的橋樁體系的合理性和安全性。

1 工程概況

1.1 樁基托換概況

深圳地鐵7號(hào)線三期工程筍崗站—洪湖站區(qū)間雙線盾構(gòu)隧道，在DK26+968—DK27+052處沿彩虹橋西側(cè)引橋下穿過(guò)，受其影響，彩虹橋引橋有2處橋臺(tái)，6處橋墩承臺(tái)，共計(jì)16根樁基被托換，采用主動(dòng)托換方式處理，托換橋墩(臺(tái))與區(qū)間線路的位置關(guān)系見圖1。深圳彩虹橋?yàn)橄鲁惺较禇U拱橋，被托換的橋梁樁基礎(chǔ)長(zhǎng)26m，樁徑φ1.6m，承臺(tái)尺寸為5.2m×5.2m×2.2m，承臺(tái)處采用4根φ1.5m鉆孔灌注樁作為托換樁，樁長(zhǎng)25.9～29m，托換梁采用“井字形狀”結(jié)構(gòu)，主托換梁(簡(jiǎn)支)為13m×2.5m×2.5m，次托換梁(固接)為9.4m×2.5m×2.0m。

圖1 托換橋墩(臺(tái))與區(qū)間線路平面位置關(guān)系

盾構(gòu)隧道區(qū)間DK26+725.9～DK27+230段為小凈距重疊段，分上下兩線掘進(jìn)，管片襯砌外徑6m，兩線相距5m，在穿越樁基托換體系位置處，上下兩線隧道距離最近的樁基3m，盾構(gòu)隧道下穿橋梁樁基縱斷面位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，本工程地層從上至下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、全風(fēng)化混合巖、強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中風(fēng)化混合巖、微分化混合巖。地下水主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水?？紫端饕x存在表層人工填土層、沖洪積砂層和殘積的砂質(zhì)黏性土中，略具承壓性，基巖裂隙水賦存于強(qiáng)風(fēng)化及中等風(fēng)化巖中，具承壓性。地下水位埋深1.6～3.6m。

2 計(jì)算模型與參數(shù)確定

2.1 模型建立

實(shí)際工程中，托換施工涉及4處基坑(0#、1#、2#、3#)，為簡(jiǎn)化模型節(jié)省計(jì)算資源，僅分析2#基坑30m跨的標(biāo)準(zhǔn)墩臺(tái)模型。根據(jù)圣維南原理，模型范圍取3～5倍洞徑。根據(jù)深圳地鐵7號(hào)線與樁基托換后橋樁體系的位置關(guān)系，建立三維數(shù)值模型，見圖2。

圖2 三維數(shù)值模型

計(jì)算模型中，土體、橋梁承臺(tái)、托換結(jié)構(gòu)、管片、注漿層均使用帶中間節(jié)點(diǎn)SOLID95實(shí)體單元進(jìn)行模擬，土體材料服從Drucker-Prager破壞準(zhǔn)則，其余單元采用線彈性本構(gòu)模型。由于實(shí)際工程中樁體和土體有接觸，所以將樁基礎(chǔ)設(shè)置為摩擦端復(fù)合樁，使用接觸單元模擬樁土作用，單元為Contact170和Target173。

對(duì)模型前后兩面施加z方向約束；對(duì)模型左右兩側(cè)施加x向約束；對(duì)模型底部施加y向約束，地表為自由面。

2.2 荷載步與工況設(shè)置

被托換結(jié)構(gòu)為深圳市彩虹橋，由于數(shù)值模型為簡(jiǎn)化模型，未建立橋梁上部結(jié)構(gòu)，將其等效為集中荷載并施加于橋墩柱，經(jīng)計(jì)算后施加到單個(gè)墩柱上的平均荷載為2 717.3kN/m2。按照工程實(shí)際，數(shù)值模型采用“先下洞后上洞”的掘進(jìn)方法，通過(guò)控制單元生死來(lái)模擬盾構(gòu)的掘進(jìn)，在掌子面施加面壓力來(lái)模擬盾構(gòu)機(jī)頂推力，比選的頂推力為0.1MPa、0.3MPa、0.6MPa、1.0MPa，共計(jì)4個(gè)工況，通過(guò)研究不同頂推力作用下橋梁樁基礎(chǔ)的變形情況，論證新的橋樁體系的合理性和安全性。

每個(gè)工況設(shè)置10個(gè)荷載步，包括初始地應(yīng)力平衡、施加橋梁上部荷載以及8個(gè)開挖步，荷載步設(shè)置詳情見表1。

表1 荷載步設(shè)置情況

使用ANSYS“單元生死”的功能模擬隧道開挖，開挖進(jìn)尺為6m，每個(gè)開挖步里設(shè)置2個(gè)計(jì)算步，第一個(gè)計(jì)算步模擬開挖、施加盾尾注漿壓力；第二個(gè)計(jì)算步模擬管片襯砌和注漿層硬化。

2.3 計(jì)算參數(shù)選取

施工中盾尾注漿壓力為0.15MPa，注漿層厚度0.2m，地層參數(shù)、托換樁等結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 既有橋樁變形

以頂推力為0.3MPa的工況為例，分析隧道開對(duì)既有橋樁體系的影響情況.為了更直觀地研究樁基托換完成后重疊段盾構(gòu)隧道開挖對(duì)新的橋樁體系的影響，提取彩虹橋未作截樁處理的A、B、C、D4根原樁以及承臺(tái)的位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)， 從原樁基頂面豎向位移、豎向應(yīng)力、承臺(tái)頂面豎向位移3個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比分析。

樁基承臺(tái)標(biāo)號(hào)詳情見圖3，其中樁A、C位于距離盾構(gòu)始發(fā)(Z=0處)較近的一側(cè)，樁B、D位于較遠(yuǎn)一側(cè)。

圖3 樁基承臺(tái)編號(hào)示意

3.1.1 樁頂豎向位移

盾構(gòu)隧道施工會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生以沉降為主的附加變形，最大沉降往往發(fā)生在樁頂處[9]，提取樁基頂面豎向位移如圖4所示。隨著橋梁上部荷載的施加(TIME2)，樁頂位移發(fā)生突變。下洞掘進(jìn)過(guò)程中，樁頂豎向位移逐漸增加，樁基產(chǎn)生約2mm的豎向沉降；上洞掘進(jìn)過(guò)程中，樁基平均下沉1.50mm，同下洞開挖相比所造成的沉降較小，天橋原樁沉降量接近3.5mm，小于5mm的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)值[10]。

圖4 樁基頂面豎向位移

3.1.2 樁頂豎向應(yīng)力

天橋原樁A、B、C、D不同施工階段下樁基豎向應(yīng)力變化趨勢(shì)見圖5，從圖中可以看出：

(1)接近盾構(gòu)始發(fā)(Z=0m)一側(cè)的樁A、C應(yīng)力值大于遠(yuǎn)離盾構(gòu)始發(fā)一側(cè)的樁B、D，差值約為0.4MPa，經(jīng)分析認(rèn)為，過(guò)大的盾構(gòu)推力對(duì)開挖面土體產(chǎn)生擠壓，并擴(kuò)散至鄰近樁基，對(duì)其應(yīng)力有限制影響[10]。

(2)下洞掘進(jìn)過(guò)程中樁基豎向應(yīng)力值變化較為明顯，開挖完畢后平均每根樁基豎向應(yīng)力增加0.47MPa，而上洞開挖完畢后4根樁基豎向應(yīng)力平均增加0.14MPa，表明下洞隧道施工對(duì)樁基造成的擾動(dòng)影響較大。

圖5 樁基頂面豎向應(yīng)力

3.1.3 承臺(tái)頂面豎向位移

不同施工階段下承臺(tái)頂面豎向位移如圖6所示，施工過(guò)程中承臺(tái)頂面豎向位移逐漸增加，下洞和上洞開挖完畢后承臺(tái)頂面豎向位移分別增加了1.72mm和1.50mm，下洞隧道的開挖對(duì)承臺(tái)沉降的影響較大，疊線隧道開挖完成后承臺(tái)總沉降值為3.22mm，滿足橋墩變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上，疊線盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，相比于上部隧道，下部隧道開挖對(duì)樁基變形、承臺(tái)豎向位移的影響更為顯著。

圖6 承臺(tái)頂面豎向位移

3.2 不同頂推力下橋樁體系變形

在分析隧道開挖對(duì)橋梁樁基和承臺(tái)具體影響的基礎(chǔ)上，研究頂推力對(duì)既有橋樁體系的影響，對(duì)于優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)具有重要的意義。盾構(gòu)隧道開挖過(guò)程中造成的地層損失會(huì)降低地基土體的地層抗力，從而橋梁樁基會(huì)在隧道一側(cè)產(chǎn)生水平位移[7]。

以天橋原樁A為分析樁基，僅分析樁身某處在不同頂推力下的水平位移變化規(guī)律。原樁A上點(diǎn)E靠近上下2條隧道的中間位置，周圍土體受隧道開挖擾動(dòng)影響較大，故選該點(diǎn)為參考點(diǎn)，提取水平位移，見圖7。

圖7 不同頂推力下樁身水平位移

從圖7可知，在不同頂推力作用下，隨著盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)，樁身水平位移逐漸增加，隧道開挖完成后樁身最大水平位移為0.8mm，滿足橋樁變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求。隧道穿越樁基附近(TIME5、TIME13)，才會(huì)對(duì)樁身的水平變形產(chǎn)生明顯影響，可以看出樁基水平位移受與隧道開挖面的距離控制，且頂推力越大，相應(yīng)的樁基水平位移越大，隧道開挖通過(guò)樁基礎(chǔ)后，樁基上的水平位移變化趨向穩(wěn)定。

提取不同頂推力作用下的承臺(tái)頂面豎向位移、承臺(tái)上兩橋墩柱的豎向位移差值，以及樁身的豎向應(yīng)力，見表3。從表上數(shù)據(jù)可以看出，隨著頂推力的增大，承臺(tái)豎向位移越大，4個(gè)工況下位移相差不超過(guò)1mm；由于未建立上部橋梁結(jié)構(gòu)，從兩側(cè)橋墩柱的豎向位移可分析出橋梁橫向傾斜情況，在不同頂推力作用下，左右兩側(cè)橋墩柱豎向位移差相差不大，說(shuō)明頂推力對(duì)橋梁側(cè)傾的影響較小。

表3 不同頂推力下橋樁體系變形情況

綜合分析，頂推力增大后既有橋樁體系的沉降以及上部橋梁的傾斜會(huì)有微小增加，隧道開挖時(shí)頂推力參數(shù)的變化對(duì)既有橋樁體系的影響較小，實(shí)際施工時(shí)掘削面的頂進(jìn)壓力為0.3MPa。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)深圳地鐵7號(hào)線盾構(gòu)隧道穿越既有橋樁體系這一典型工程案例，研究了重疊盾構(gòu)隧道施工對(duì)樁基托換后的橋樁體系的影響，得到主要結(jié)論：

(1)深圳市彩虹橋經(jīng)樁基托換后形成的橋樁體系的變形以沉降變形為主，在根據(jù)實(shí)際工程參數(shù)模擬的工況下(即頂推力為0.3MPa)，彩虹橋原樁以及橋墩承臺(tái)發(fā)生了不同程度的沉降，樁平均下沉量為3.5mm，承臺(tái)沉降值為3.22mm。

(2)通過(guò)分析疊線盾構(gòu)隧道開挖過(guò)程中樁基和承臺(tái)的變形情況發(fā)現(xiàn)：相比于上部隧道，下部隧道開挖對(duì)既有橋樁體系的影響更為顯著，因此下部隧道開挖時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)上部橋梁及橋樁變形的監(jiān)測(cè)。

(3)盾構(gòu)頂推力分別為0.1MPa、0.3MPa、0.6MPa、1.0MPa時(shí)，頂推力越大樁基水平位移越大，橋墩柱的豎向位移差隨之增加，從位移和沉降大小來(lái)看頂推力參數(shù)的變化對(duì)既有橋樁體系的影響較小，實(shí)際施工中頂推力為0.3MPa，既符合工程實(shí)際，又滿足上部橋梁和橋樁的變形控制要求。既有橋樁體系的變形值均在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明本次托換結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)方案合理可行。