盾構隧道近側穿復建橋樁基擾動分析★

張文濤，趙紅領，王瑞強，常友光，周威狄

(1.杭州市地鐵集團有限責任公司,浙江 杭州 310018;2.中建八局第三建設有限公司,江蘇 南京 200000; 3.浙江工業大學土木工程學院,浙江 杭州 310014)

0 引言

國內外專家對盾構隧道開挖擾動樁基作了大量研究。汪鵬程等[1]運用三維數值分析方法分析了盾構掘進過程中樁基的變形規律。李早等[2]利用傳統的力學與位移計算手段對隧道開挖過程中群樁的豎向位移和力學效應進行了分析。王麗等[3]利用有限元軟件ABAQUS對天津地鐵1號線盾構施工過程中樁身位移和沉降進行分析。王運濤等[4]采用Midas GTS NX軟件對杭州市軌道交通七號線吳山廣場站—江城路站盾構穿橋梁樁基進行施工模擬,并分析樁基位移規律。韓進寶等[5]建立了臨近樁基受開挖影響的位移控制(DCM)三維有限元分析模型并用實驗驗證了模型的有效性。閆富有等[6]采用離心模型實驗及反演分析方法預測了隧道施工對鄰近樁基的影響規律。劉子龍[7]采用數值方法和FLAC3D軟件對樁基偏位和樁內力進行了高仿真度計算分析,研究了群樁間距、樁徑等參數的影響效應。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

智果橋建于2000年,為3×20 m的簡支空心板橋,橋面寬B=17.5 m。橋梁下部結構為:重力式橋臺、柱式橋墩、鉆孔灌注樁基礎。現狀橋梁橫斷面尺寸:2.0 m非機動車道+6.5 m機動車道+0.5 m 路中線+6.5 m機動車道+2.0 m 非機動車道=17.5 m。因舊橋樁基位于區間隧道位置,需拆除后重建。新建橋梁為3×25 m簡支空心板橋,重力式橋臺,樁柱式橋墩,鉆孔灌注樁基礎,樁基避開了區間隧道。

1.2 隧道概況

嘉善至西塘鐵路SG2標段,盾構區間樁號DK28+895.145—DK25+886,區間隧道左右線長均為3 006.75 m,最小凈間距7.54 m。舊智果橋位于木業大道,橋長60 m,橋梁起始樁號K0+197.98,中心樁號K0+230,橋梁終點樁號K0+262.02。其樁基影響盾構區間,需拆除后重建。區間隧道下穿該橋始自DK28+400.00,復建智果橋1號、2號樁長為30.6 m,樁底標高為-33.0 m。

隧道上覆蓋土厚度約為14.8 m,主要有雜填土、淤泥質黏土、黏土、粉質黏土及砂質黏土。左右隧道凈距9.5 m,埋深約19.05 m。區間隧道開挖為泥水平衡法,刀盤D=8.5 m,管片厚度t=0.4 m,隧道與復建智果橋樁基的最小凈距ΔL=1.6 m。承臺厚度為1 m,樁基直徑為1.3 m,鉆孔樁長L=30.6 m,復建智果橋樁基與隧道平面位置關系見圖1,自北向南,自西向東依次編號1號,2號,…,16號樁基。

橋梁與樁基的空間位置關系見圖2。

2 盾構隧道施工模擬

2.1 數值模擬

采用Midas GTS NX 軟件建立數值模型,見圖2,模型計算范圍:X×Y×Z=125 m×98 m×50 m,區間隧道直徑R=8.5 m,管片厚度t=0.4 m,運用命令生成智果橋樁基實體,并設置界面單元保證樁基和周圍土體的耦合。

首先需要通過軟件Midas GTS NX建立隧道與橋梁復合模型,并將復建后智果橋的結構自重荷載以及車輛荷載轉化為等效荷載,將等效后的荷載以均布的形式施加在承臺上表面[8]。三維數值模型網格數122 843,節點數734 758。三維建模網格劃分效果圖如圖3所示。

2.2 計算參數

對復建智果橋—盾構區間隧道段進行模擬,該段工程地質條件復雜,該區間段地層分為8層,在工程現場取土樣進行室內試驗,測定其各地層物理力學參數見表1,工程位置橫剖面及地層分布見圖4。盾構機盾殼所用的鋼材、管片、混凝土、注漿后的復合地層等物理力學參數見表2。計算采用摩爾庫侖強度準則,將盾殼視作各向同性的彈性材料,將混凝土樁基和管片材質視作各向同性的理想彈塑性材料。

表1 地層參數

表2 材料參數

2.3 施工荷載及邊界條件

盾構機復合式刀盤推力F=1.2×103kN,管片安裝過程中,盾構機頂推機構對管片施加推力,其大小F1=100 kN。管片周圍土體采用化學灌漿加固,施加在管片上的注漿壓力F2=150 kN。數值模型邊界條件:約束模型前后、左右的法向位移均為零。模型底面的X,Y,Z三向固定,上頂面為自由面。樁基與土體界面符合變形協調原理,同時,樁基頂部不能發生轉動。

2.4 盾構掘進過程模擬

模擬嘉善地鐵隧道實際開挖過程,每一個開挖步的長度與一環管片的寬度1.2 m相同。實際模擬流程如下:

激活盾殼,鈍化混凝土體的開挖區,鈍化注漿區單元→激活刀盤推力、啟動管片單元→啟動注漿材料區單元,把注漿區土體屬性換為復合材料→重新激活管片安裝時的千斤頂推力。

3 數值計算結果分析

3.1 地表沉降分析

左線隧道模擬開挖至第21步時,盾構機刀盤距離樁基最近,最小凈距為δ=1.6 m,挖至第105步時,左線開挖完成。右線隧道開挖至第126步時刀盤距離樁基最小距離δ=1.6 m,挖至210步,右線隧道盾構開挖結束。左線隧洞拱頂產生最大沉降,其值為12.8 mm;右線隧洞拱頂產生最大沉降值11.5 mm。最大位移云圖見圖5,圖6。

當左線隧道開挖完成后,x=25 m監測斷面的監測點最大沉降值為Δmax=8.8 mm。當右線隧道開挖后,該沉降曲線明顯右移。左右線隧道開挖完成后,測點產生的最大地表沉降值為Δmax=9.4 mm,如圖7所示。

3.2 樁基偏位分析

左線隧道開挖后,1號樁發生明顯偏位,如圖8所示。樁頂偏向左線隧道方向,樁底偏移方向與樁頂偏移方向相反,樁頂位移為-2.42 mm,樁底位移為1.6 mm。右線隧道開挖完成后,1號樁傾斜增大,左右隧道的開挖對樁基的影響產生了疊加效應,樁頂位移達到-3.05 mm,樁底位移達到2.1 mm。2號樁偏位見圖9,2號樁偏向左線隧道,左線開挖時樁頂位移為4.2 mm,樁底位移為-2.8 mm。雙線貫通后,樁基傾斜減小,樁頂位移為3.2 mm,樁底位移為-1.8 mm。

4 結論

采用有限元數值仿真軟件Midas GTS NX,對盾構隧道的近側穿復建智果橋樁基偏移規律進行了數值模擬分析,結論如下:

1)區間隧道開挖,盾構機刀盤推進全過程,智果橋樁基發生偏位,樁底偏離區間隧道,而樁頂與樁底偏移方向相反。2)雙隧道中間樁,單側開挖完成后橋梁樁基產生較大的偏移,而雙線隧道貫通后偏移減小。3)左線隧道掘進過程中,地表沉降最大值出現在盾構隧道軸線正上方;右線隧道開挖誘發地表最大沉降位置向右偏移,雙線隧道貫通后,地表沉降最大值位于雙線隧道中線正上方。