盾構(gòu)隧道施工對(duì)某高架橋樁基影響分析

肖 琳， 嚴(yán) 峻

（1.安徽省滁州市自來水公司，滁州 239000；2.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院 合肥 230601）

0 引 言

隨著城市地鐵建設(shè)的發(fā)展，由于城市本身復(fù)雜的特性，原有的城市高架橋與新建地鐵隧道不可避免的會(huì)交織在一起，相互間會(huì)產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)隧道與高架橋接近時(shí)，如果不采取特殊措施，既有高架橋會(huì)受到新建隧道的施工產(chǎn)生不利影響，造成高架橋承載能力下降，或因不均勻沉降造成高架橋破損或不能正常使用等問題［1］，同時(shí)也妨礙了隧道的安全施工。通過對(duì)盾構(gòu)法施工對(duì)高架橋的樁基影響進(jìn)行分析研究，得到樁體變形規(guī)律。逐步提高地下工程的修筑水平，并為以后遇到類似的工程提供一些借鑒和解決問題的辦法［2］。

1 工程背景及模型參數(shù)

1.1 工程概況

本章依據(jù)合肥市地鐵一號(hào)線馬鞍山路段，地鐵一號(hào)線中盾構(gòu)下穿馬鞍山路高架橋。本地鐵隧道主要運(yùn)用盾構(gòu)法施工。地鐵盾構(gòu)隧道直徑為6.0m，襯砌為0.3m，注漿層厚度為0.15m，埋深為12m。依據(jù)隧道開挖的影響范圍，參考既有的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際的工程條件，左右邊界取為隧道外徑的3倍，即18m，模型底部取距隧道中心27m，最后整個(gè)計(jì)算模型寬42m、高40m，縱向長度為40m（每環(huán)管片幅寬1.0m）。所以模型尺寸為42m×40m×40m，其中水平x方向?yàn)?2m，數(shù)值y方向?yàn)?0m（樁長方向），z方向（隧道掘進(jìn)方向）為40m。由于樁體底部為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的持力層且樁體底部應(yīng)進(jìn)入巖層至少2m，且樁體主要為端承樁。所以樁長取27m，樁頂荷載擬取1800KN。單樁主要以樁洞距S，即樁距離盾構(gòu)中心的距離。本章s取s＝6m［3］。具體平面布置圖見圖1。

圖1 樁體與盾構(gòu)位置關(guān)系圖

1.2 相關(guān)參數(shù)

1.2.1 土體數(shù)值模擬參數(shù)

土體數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 土體數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

1.2.2 管片相關(guān)參數(shù)

隧道襯砌結(jié)構(gòu)用的管片采用C50混凝土材料制作而成，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)將襯砌結(jié)構(gòu)管片單元設(shè)置為孔模型（Null）。在進(jìn)行管片模擬支護(hù)時(shí)，將盾構(gòu)管片設(shè)置為各向同性彈性模型（Elastic），具體參數(shù)見表2。

表2 盾構(gòu)管片混凝土材料計(jì)算參數(shù)

1.2.3 樁相關(guān)參數(shù)（見表3）

表3 樁相關(guān)參數(shù)

2 模型的建立及模擬步驟

2.1 模型的建立

根據(jù)上述說明，建立下圖的三維數(shù)值計(jì)算模型。為了方便模擬計(jì)算，隧道的縱向施工長度為2.0m/次，如圖2所示。

圖2 整體模型圖

2.2 模擬步驟

運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件和盾構(gòu)施工的特點(diǎn)，并遵照一定的步驟對(duì)盾構(gòu)施工造成樁基影響問題進(jìn)行研究［4］。

（1）首先應(yīng)該進(jìn)行模型的建立，根據(jù)實(shí)際的工程情況施加初始條件，讓建立好的模型在初始條件下達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)；

（2）當(dāng)模型達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，對(duì)如題的各個(gè)方向上的位移值進(jìn)行歸零，然后運(yùn)行樁單元，添加樁頂?shù)纳喜亢奢d，分析樁體與土體的應(yīng)力和應(yīng)變；

（3）通過數(shù)值模擬計(jì)算，當(dāng)模型再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，此時(shí)將土體與樁體的位移同時(shí)清除為零；

（4）然后開始模擬施工過程，主要是模擬盾構(gòu)隧道的開挖過程，根據(jù)盾構(gòu)施工自身的特點(diǎn)，開始施加盾構(gòu)掌子面的支護(hù)力，根據(jù)實(shí)際的工程情況結(jié)合有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，通常設(shè)定0.30MPa掌子面支護(hù)力，0.30MPa的注漿壓力的開挖，模擬施工時(shí)的開挖步距通常取2m/步；

（5）在以上步驟完成后，運(yùn)用FLAC3D軟件中的FISH語言進(jìn)行編程，再從第四步開始循環(huán)，直至開挖結(jié)束。對(duì)計(jì)算得出的結(jié)果（主要是應(yīng)力、應(yīng)變）進(jìn)行分析保存［5］。

3 模擬結(jié)果顯示

盾構(gòu)開挖面到觀測(cè)截面的水平距離為H，當(dāng)H的數(shù)值為正，說明盾構(gòu)機(jī)朝著樁體的位置進(jìn)行推進(jìn)；當(dāng)H的數(shù)值為負(fù)，說明盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)來開樁體所在位置并逐漸遠(yuǎn)離樁體。通過計(jì)算得出盾構(gòu)在H＝14m、H＝8m、H＝2m、H＝－16m、H＝－20m時(shí)的樁體所在截面的豎向位移圖，如圖3－7所示。

圖3 H＝14m時(shí)樁體所在截面的土體豎向位移圖

圖4 H＝8m時(shí)樁體所在截面的土體豎向位移圖

圖5 H＝2m時(shí)樁體所在截面的土體豎向位移圖

圖6 H＝－16m時(shí)樁體所在截面的土體豎向位移圖

圖7 H＝－20m時(shí)樁體所在截面的土體豎向位移圖

4 模擬結(jié)果分析

盾構(gòu)施工對(duì)樁基的影響主要體現(xiàn)在應(yīng)力和應(yīng)變上，由于本文所選取的樁均為端承樁，所以樁體的應(yīng)力基本上沒有什么變化，這里不做過多的討論。而應(yīng)變的變化主要是對(duì)樁體產(chǎn)生水平方向的變形和豎直方向上的變形。下面著重分析者兩種變形。結(jié)果如圖8、9。

圖8 樁體豎向位移圖

圖9 樁體水平位移圖

（1）盾構(gòu)施工對(duì)樁體的豎向位移影響較小，如圖8所示樁頂?shù)淖畲蟪两蛋l(fā)生在盾構(gòu)施工完成后，約1.747mm。樁體的水平位移隨深度的增加樁體水平位移逐漸減小，最大水平位移發(fā)生在樁頂部附近，為－3.23mm。

（2）如圖9所示，當(dāng)掘進(jìn)斷面距樁體14m時(shí)，樁體的水平方向位移從樁頂至樁底基本上沒有太大的變化，基本上呈直線的狀態(tài)。說明盾構(gòu)施工并未對(duì)樁體水平位移造成影響。

（3）如圖9所示，當(dāng)掘進(jìn)斷面距樁體8m時(shí)，樁頂位移最大，位移值為－1.305mm。然后隨著深度的增大樁體的水平位移逐漸減小。但到樁距地面15米時(shí)，樁水平位移發(fā)生變化，隨著深度的增加，樁的水平位移值增大，大概增大到樁距離地面20m左右時(shí)，樁體水平位移又逐漸減小，主要是由于端承樁樁端嵌固約束引起的。

（4）如圖9所示，當(dāng)掘進(jìn)斷面距樁體2m時(shí)，此時(shí)的盾構(gòu)施工的開挖面已經(jīng)非?？拷鼧扼w，樁體受到盾構(gòu)施工的影響發(fā)生水平方向上的位移，且最大水平方向上的位移仍然在樁頂附近，位移值為－2.016mm。由圖還可以看出，當(dāng)樁體上的觀測(cè)點(diǎn)距地表大約15m以內(nèi)時(shí)，樁體水平位移呈逐漸變小的趨勢(shì)；當(dāng)樁體上的觀測(cè)點(diǎn)距地表大于15m時(shí)，樁體水平位移呈逐漸增大的趨勢(shì)；但當(dāng)增大觀測(cè)點(diǎn)距地表到20m時(shí)，樁體的水平位移又呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

（5）如圖9所示，當(dāng)掘進(jìn)斷面駛離樁體16m時(shí)，樁體受到盾構(gòu)施工的影響發(fā)生水平方向上的位移，且最大水平方向上的位移仍然在樁頂附近，位移值為－3.23mm。樁體水平位移變化規(guī)律同H＝2m時(shí)的規(guī)律。

（6）如圖9所示，當(dāng)當(dāng)掘進(jìn)斷面駛離樁體20m時(shí)，最大水平位移在樁頂處，位移值為－3.138mm。樁體水平位移相對(duì)H＝－16m時(shí)基本沒什么變化了，說明盾構(gòu)施工對(duì)樁體影響已經(jīng)很小了，樁體埋深各階段的水平位移變化規(guī)律同H＝2m時(shí)的規(guī)律。

4 結(jié)論

1、盾構(gòu)施工對(duì)高架橋樁基的影響主要表現(xiàn)水平位移上。由于高架橋樁基為端承樁，所以軸力和豎向唯一變化不大。

2、盾構(gòu)施工對(duì)樁體的水平位移在樁體頂部變化較大，隨著樁體埋深的增加樁水平位移逐漸變小，影響主要發(fā)生盾構(gòu)接近和駛離橋樁2－3倍洞徑范圍內(nèi)。

1 侯玉偉.盾構(gòu)隧道側(cè)向穿越樁基時(shí)對(duì)樁體土體及地面變形的影響［J］.城市軌道交通研究，2010（5）：72－74.

2 劉庭金，魏立新，房營光，等.隧道建設(shè)對(duì)緊鄰高架橋影響的三維數(shù)值分析［J］.巖土力學(xué)，2008，29（5）：1387－1390.

3 孫書偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用［M］，北京：中國水利水電出版社，2011.

4 黃飛.地鐵盾構(gòu)法施工對(duì)臨近樁基礎(chǔ)影響分析［D］.廣州：廣州大學(xué)，2012.

5 孫宗軍.盾構(gòu)施工與樁基礎(chǔ)相互作用的三維力學(xué)分析與研究［D］.南京：東南大學(xué)，2005.