盾構隧道近接側穿引起橋梁樁體的變形規(guī)律*

王治宇 楊松松 禹鵬飛 李 順 章定文**

(1.中建八局軌道交通建設有限公司, 210046, 南京; 2.東南大學交通學院, 211189, 南京; 3.道路交通工程國家級實驗教學示范中心(東南大學), 211189, 南京∥第一作者, 工程師)

盾構施工導致的地層損失將會引起隧道周圍土體產生運動,當盾構隧道側穿臨近橋梁的樁體時,會引起樁體發(fā)生一定的豎向變形和水平變形,一般采用兩階段法計算盾構施工對橋梁樁體的影響。兩階段法以Winkler彈性地基梁和荷載傳遞法為基礎,第一階段采用解析解計算隧道開挖引起的土體自由位移場,并用三次曲線進行擬合;第二階段基于Winkler地基模型,將盾構隧道施工引起的周圍土體豎向位移轉化為荷載施加在樁體上,通過彈性地基梁疊加原理,計算單樁由于盾構隧道施工引起的附加位移。文獻[1]基于兩階段法研究盾構隧道對樁體的沉降影響。文獻[2]基于現(xiàn)場實測數據研究盾構隧道側穿高鐵橋樁施工過程對群樁的影響,研究結果表明,基樁變形最不利位置位于盾構隧道底部以上部位。文獻[3]采用數值模擬方法,研究盾構隧道下穿既有高鐵橋墩對既有樁體的影響,研究結果表明,采用隔離樁可以有效減少盾構施工的影響。

目前,由盾構隧道施工引起的樁體沉降計算公式可以較為準確地計算出盾構施工對樁體變形的影響,但在盾構側穿樁體后,樁體周圍土體將會產生固結,施加在樁側的負摩阻力逐漸消失,進而引起橋梁樁體出現(xiàn)一定的回彈。基于施工現(xiàn)場長期的樁體沉降監(jiān)測結果,將盾構施工對樁體的影響分為兩個階段:第一階段為盾構隧道施工對樁體沉降的影響;第二階段為樁周土體固結,樁側負摩阻力消散,樁端持力層回彈引起的樁體回彈階段。本文建立了盾構側穿樁體的數值計算模型,分析了8根樁體的水平變形量及沉降量,分析了盾構施工樁體x向水平變形量的影響因素,最后還對比分析了盾構施工對各樁體實際沉降量的影響。本文研究可為盾構隧道近距離側穿橋梁樁體的水平變形及沉降控制提供理論參考。

1 工程概況

寧句城際軌道交通工程DS6-TA02楊東盾構區(qū)間北起東大街站,沿寧杭南路向南,下穿河濱北路,里程K41+855.85處下穿句容河,雙線側穿繞避句容河橋,沿著寧杭南路繼續(xù)向南至東句區(qū)間盾構井。句容河南門橋的橋樁是直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁,樁長為34 m,樁體埋深為27 m,相鄰樁體間距為4.20～5.45 m。盾構隧道左右線與2號橋墩橋樁之間的最短距離分別為4.04 m、4.31 m。左線隧道埋深為9.67 m,右線隧道埋深為9.31 m。盾構隧道全斷面位于中等風化粉砂質泥巖中,上部為強風化粉砂質泥巖、含碎石粉質黏土及淤泥質填土等,屬于弱微透水層,地表水對本工程影響較小。句容河南門橋橋臺群樁與隧道位置關系示意圖如圖1所示。每個橋臺共有8根樁體,2號橋臺8根樁體按從左線到右線編號為1～8。盾構區(qū)間土層地質條件與襯砌管片參數如表1所示。

表1 盾構區(qū)間土層地質條件與襯砌管片參數

圖1 句容河南門橋橋臺群樁與隧道位置關系示意圖

2 數值計算模型及其驗證

2.1 數值計算模型

采用數值模擬軟件FLAC3D對盾構側穿橋梁樁體進行模擬,模型尺寸應滿足邊界條件要求,盾構隧道開挖對周圍土體的影響約為3倍的開挖直徑。根據上述因素確定的模型尺寸為80 m(長)×25 m(高),盾構開挖深度為24 m(按20環(huán)長度計),模型共生成56 432個實體單元,61 537個節(jié)點。樁身用實體單元進行模擬,并用接觸面單元模擬樁-土間的關系;盾構管片用殼結構單元進行模擬;土體材料變形采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型;隧道開挖采用空單元來模擬。模型除頂部為自由邊界外,其他邊界均采用法向約束,注漿壓力為0.2 MPa。盾構側穿樁體模型軟件截圖如圖2所示。數值模擬的土層參數與實際工況保持一致,樁土接觸面的基本力學參數為:法向剛度和切向剛度均為2.9×107N/m;內摩擦角為30°;黏聚力為800 kPa。

圖2 盾構側穿樁體模型軟件截圖

2.2 模型驗證

盾構側穿句容河南門橋現(xiàn)場實測及數值模擬的各樁體沉降對比如圖3所示。由圖3 a)可知,盾構側穿橋樁過程中引起樁體的實測最終沉降量為7.0～11.0 mm,其中距離盾構隧道距離較近的1號樁與8號樁的沉降量均大于其余樁體。由圖3 b)可知,由數值模擬獲得的樁體最終沉降量為4.9～7.3 mm,其沉降特點也是距離隧道較近的1號樁與8號樁的沉降量最大。對比數值模擬結果與現(xiàn)場實測樁體沉降值可知,數值模擬結果與實測樁體沉降值吻合得較好,驗證了所提數值計算模型的可靠性及準確性。下文將基于該數值計算模型進行盾構側穿對樁體水平變形及沉降的影響因素研究。

a) 實測樁體沉降

3 基于數值模擬的樁體水平變形及沉降量分析

3.1 樁體沉降量

左右線盾構隧道施工時,不同樁體埋深下,各樁體的沉降量如圖4所示。由圖4 a)可知:距離左線盾構隧道最近的1號樁的沉降量最大,為3.3 mm;距離左線盾構隧道最遠的8號樁的沉降量僅為1.6 mm;2號樁—8號樁的沉降量顯著小于1號樁,這不僅是由于1號樁體距離左線盾構隧道最近,還因為1號樁產生了遮擋效應,減緩了盾構隧道對周圍樁體產生的拖拽力。由圖4 b)可知:在右線盾構貫通后,1號樁—8號樁的沉降量發(fā)生了相應的變化,緊鄰右線盾構隧道的8號樁沉降量迅速增加,此時緊鄰左線盾構隧道的1號樁的沉降量為3.6 mm,緊鄰右線盾構隧道的8號樁的沉降量為3.2 mm。由此可以看出,右線盾構側穿樁體時,其對距離較遠的1號樁也產生了一定的沉降影響,1號樁在右線盾構隧道施工時樁端的沉降增量為0.3 mm,右線盾構隧道施工產生的擾動對距離右線盾構隧道較遠的樁體影響較小。

a) 左線隧道施工

3.2 樁體水平變形

左右線盾構隧道施工時,不同樁體埋深下,各樁體的x向水平變形如圖5所示。由圖5可知:臨近左線盾構隧道的1號樁—3號樁的x向水平變形較大,在樁體入土深度5 m位置處的樁體x向水平變形達到最大,1號樁的x向水平變形量僅為2 mm,土體以上部分的樁體x向水平變形量接近于0;右線盾構隧道側穿后,臨近右線盾構隧道的6號樁—8號樁的x向水平變形量逐漸增加,在樁體入土深度20 m以下位置處,樁體的x向水平變形量基本趨于一致。

a) 左線隧道施工

盾構隧道施工時,不同樁體埋深下,各樁體的y向水平變形如圖6所示。由圖6可知,臨近盾構隧道的1號樁和8號樁在y向的水平變形量明顯大于其余樁體變形量,8號樁的最大y向水平變形量為1.0 mm,最大y向水平變形點與隧道中軸線埋深相同。

圖6 不同樁體埋深下各樁體的y向水平變形

4 盾構施工對樁體x向水平變形的影響因素

由前文分析可知,盾構隧道側穿橋基對y向水平變形的影響較小。因此,下文將只分析盾構隧道開挖對樁體x向水平變形的影響。

以1號樁為例,研究不同盾構隧道直徑下,不同樁體埋深對1號樁x向水平變形的影響,如圖7所示。由圖7可知,改變盾構隧道直徑后,樁體的最大水平變形逐漸增大,且其最大水平位置點也逐漸上移。這是由于增大盾構直徑后,其盾構施工的影響范圍也相應有所增加,導致樁體的水平變形量相應增加。

圖7 不同盾構隧道直徑下不同樁體埋深對1號樁x向水平變形的影響

以1號樁為例,研究不同樁體與隧道間距條件下,不同樁體埋深對1號樁x向水平變形的影響,如圖8所示。由圖8可知,隨著樁體與隧道間距的增加,樁體的水平變形量有所減少,但其最大水平位置點沒有發(fā)生明顯的改變,說明樁體與隧道間距對樁體最大水平位移點的影響不大。

注:D為盾構隧道直徑。

為了分析盾構隧道開挖對樁體x向水平變形的影響,研究不同隧道埋深條件下樁體的變形特征。數值模擬參數與施工現(xiàn)場的實際參數保持一致。取D=6.48 m,單樁軸線與隧道中心線之間的距離為3 m,地層損失比為1.67%,樁長為34 m,樁體埋深為27 m,樁徑為1.5 m。當隧道埋深為1.0D、1.5D、2.0D、2.5D和3.0D時,各樁體的x向水平變形如圖9所示。由圖9可知,隨著隧道埋深的增加,樁體的x向最大水平變形量先增大后逐漸減小。

a) 埋深為1.0D,雙線盾構貫通

5 盾構施工對樁體實際沉降量的影響

盾構推進速度約為5～8環(huán)/d,不同監(jiān)測時間下,各樁體實際沉降量對比如圖10所示。由圖10可知:①左線隧道盾構過程中,1號樁—8號樁的沉降量逐漸增大;盾構掌子面通過橋樁后,所有樁體的累計沉降量達到最大值,靠近左線盾構隧道的1號樁沉降量為7.0 mm,距離左線盾構隧道最遠的8號樁沉降量為5.5 mm;盾構通過橋樁后,8根橋樁均出現(xiàn)了回彈現(xiàn)象;在盾構貫通樁體的7～8 d后,樁體的回彈趨于穩(wěn)定;左線盾構通過后,1號樁的回彈量為3.5 mm,其余樁體的回彈量約為3.0 mm,左線盾構時樁體的回彈速率約為0.375 mm/d。②右線隧道盾構過程中,臨近隧道的樁體開始產生沉降;在盾構隧道側穿橋臺過程中,所有樁體的沉降量均達到最大值,1號樁體沉降量從4.0 mm逐漸增加到13.0 mm;盾構通過橋樁后,所有樁體的沉降量穩(wěn)定在5.0～10.0 mm;在右線盾構通過橋樁的7～8 d后,樁體的回彈量約為2.5～5.0 mm;右線盾構時,樁體的回彈速率約為0.310～0.630 mm/d。

圖10 不同監(jiān)測時間下各樁體實際沉降量對比

對比左右線盾構側穿橋基的樁體回彈速率可以發(fā)現(xiàn):臨近右線隧道的7號樁和8號樁的回彈速率顯著大于左線隧道;左線盾構貫通過程中,橋梁樁體的沉降量相對較小,且其樁體回彈量也明顯小于右線隧道側穿后的樁體回彈量。這主要是由于盾構貫通過程中,掌子面附近的土體受到較大的擾動,掌子面附近土體逐漸向刀盤附近移動,導致掌子面附近土體對樁基礎產生了負摩阻力。

盾構貫通過程中,樁體的受力示意圖如圖11所示。盾構影響線以上的土體產生了向下的移動趨勢,引起樁體周圍土體產生較大的負摩阻力。由于該群樁屬于端承摩擦樁體,在樁體荷載增大后,施加在樁尖持力層的荷載也逐漸增大,引起樁端持力層中風化泥巖的變形量逐漸增加。在盾構掌子面通過橋樁后,樁體周圍土體逐漸穩(wěn)定,盾尾間隙土體移動對樁體的影響也逐漸減小,樁體周圍土體逐漸固結,這個過程對于樁體來說是一個顯著的加載再逐級卸載的過程,施加在樁端的地基反力大于樁體的荷載,樁端持力層在逐級卸荷過程中發(fā)生回彈(見圖11 b))。左線盾構貫穿過程中,樁體的回彈量為1.8～3.0 mm;右線盾構貫穿過程中,樁體的回彈量為2.5～5.0 mm,這說明重復施工擾動會增加群樁的沉降量。

a) 盾構貫通時

6 結語

本文研究了盾構隧道側穿樁基礎對橋梁群樁樁基礎的水平變形與沉降影響,提出了盾構側穿橋樁對樁體的水平變形影響規(guī)律及計算方法,對比分析了盾構施工對各樁體實際沉降量的影響。同時,根據長期的橋樁沉降監(jiān)測結果可以發(fā)現(xiàn),盾構隧道側穿會引起端承摩擦樁發(fā)生顯著的回彈現(xiàn)象。在盾構遠離樁體后,樁體周圍土體逐漸發(fā)生固結,導致施加在樁側的負摩阻力逐漸消失,這是導致樁體出現(xiàn)回彈現(xiàn)象的主要原因。