大直徑盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模擬

肖 術(shù) 李 強(qiáng) 毛 然

(長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)展的加快，城市地下盾構(gòu)隧道以其運(yùn)輸量大、占用空間小、速度快等優(yōu)點(diǎn)成為各大城市發(fā)展交通的首選。

盾構(gòu)隧道從既有樁基旁邊穿過屬于近接施工范疇，日本早已將此類問題定義為“鄰接施工影響問題”。隨著我國地下城市軌道交通的發(fā)展，這種樁基的近接施工問題同樣不可避免，如深圳地鐵一期工程天虹—崗廈區(qū)間隧道與民房樁基近接距離僅0.31 m[1]。對(duì)于此類問題，一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，主要分析了樁基尺寸、位置、承載力及施工參數(shù)不同的情況下盾構(gòu)施工對(duì)鄰近單樁的影響規(guī)律[2-5]，但對(duì)于大直徑盾構(gòu)、軟土地區(qū)穿越、群樁基礎(chǔ)的位移變形方面研究較少。

本文以某地下直徑線盾構(gòu)隧道為工程背景，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，研究和探討盾構(gòu)施工對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)的沉降及側(cè)移的影響規(guī)律。

1 工程概況

某地下直徑線是一條鐵路地下聯(lián)絡(luò)線，是天津鐵路樞紐的重要組成部分。圖1為慈海橋段盾構(gòu)隧道與群樁基礎(chǔ)相互關(guān)系圖。盾構(gòu)隧道從慈海橋4號(hào)橋墩和5號(hào)橋墩及摩天輪群樁之間穿過。其中，隧道結(jié)構(gòu)外輪廓距摩天輪群樁基礎(chǔ)較近，最小凈距為5.2 m。摩天輪群樁為直徑1.8 m的摩擦樁，埋深40 m，橫向間距4.2 m，共3列。盾構(gòu)開挖外徑11.97 m，隧道外徑11.6 m，隧道內(nèi)徑10.6 m，管片厚度0.5 m。隧道拱頂覆土層厚度約20 m。

該段工程地質(zhì)條件復(fù)雜，主要土層巖性為雜填土、黏性土、淤泥質(zhì)土、粉土及粉砂。

2 盾構(gòu)施工對(duì)群樁影響的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)工程實(shí)際情況，建立三維FLAC數(shù)值模型，如圖2所示。模型中X方向垂直于隧道推進(jìn)方向，Y方向沿隧道推進(jìn)方向，Z方向?yàn)樨Q直方向。模型尺寸為80 m×60 m×62 m(X×Y×Z)。模型中土層、隧道和樁基均采用實(shí)體單元，管片襯砌為殼體單元。為便于結(jié)果分析，對(duì)模型中群樁進(jìn)行了編號(hào)，如圖2所示，樁2-A表示群樁中位于2排A列上的樁基。

模型約束邊界條件為：模型上邊界為地表，是自由邊界；模型四側(cè)施加豎直滑動(dòng)約束，底部施加完全固定約束。為了更好的模擬樁—土之間的相互作用，在樁—土表面建立接觸面單元。

隧道及其周圍土層采用摩爾—庫侖本構(gòu)模型，樁基礎(chǔ)和管片襯砌相對(duì)土層為剛體，采用彈性本構(gòu)模型，樁—土間接觸面采用接觸面本構(gòu)模型，模型參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)表

2.2 施工工況模擬

根據(jù)實(shí)際工程施工過程，數(shù)值計(jì)算步驟如下：

1)初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算。

計(jì)算樁基礎(chǔ)未打入土體時(shí)的自重應(yīng)力場(chǎng)，并將模型的位移、速度及狀態(tài)清零；

2)樁基承載計(jì)算。

根據(jù)慈海橋與摩天輪自重，在樁基頂部施加設(shè)計(jì)荷載，計(jì)算至平衡，得到盾構(gòu)隧道開挖前的應(yīng)力場(chǎng)；

3)盾構(gòu)推進(jìn)模擬計(jì)算。

主要分為三個(gè)階段：a.以隧道每推進(jìn)3 m作為一個(gè)開挖步，每步開挖后，在隧道內(nèi)表面生成殼體單元，賦予盾殼屬性(模擬盾構(gòu)機(jī))，并在開挖面施加盾構(gòu)推進(jìn)荷載；b.當(dāng)盾尾完全進(jìn)入土體(即開挖3步)后，盾構(gòu)繼續(xù)推進(jìn)新的一步，這一步參數(shù)賦值如上階段。然后將盾殼屬性最后一段的殼體單元賦予管片襯砌單元的屬性，同時(shí)對(duì)該段的注漿層賦予注漿材料的初期屬性，并施加注漿壓力0.3 MPa；c.前兩階段循環(huán)進(jìn)行，直到盾構(gòu)開挖到第7步時(shí)，對(duì)第1步的注漿層賦予注漿材料的最終屬性，同時(shí)取消注漿壓力。依次循環(huán)以上三個(gè)階段直至隧道開挖結(jié)束。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

根據(jù)實(shí)際工程中地表監(jiān)測(cè)布置方案，在數(shù)值模型中布設(shè)了5條與之對(duì)應(yīng)的地表沉降監(jiān)測(cè)斷面，如圖3所示，分別為DM1～DM5，其中DM3(Y=30 m)橫穿群樁第2排樁基。圖4為DM3及相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的地表沉降圖。由圖4可看出，數(shù)值計(jì)算得到的地表沉降曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值基本吻合，均形成了類似高斯正態(tài)分布曲線的沉降槽，最大沉降發(fā)生在隧道拱頂正上方地表，其中計(jì)算得到的最大沉降值為16.4 mm，比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值稍大。

3.2 盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近樁基的影響分析

3.2.1樁基沉降分析

圖5為隧道開挖穩(wěn)定后DM3監(jiān)測(cè)斷面地層豎向位移云圖，隧道拱頂上方土層產(chǎn)生槽形分布的沉降現(xiàn)象，最大沉降值35 mm；拱底下方土層產(chǎn)生隆起變形，最大隆起值30 mm。隧道左側(cè)存在樁基區(qū)域基本都出現(xiàn)了4 mm～10 mm的沉降，相比右側(cè)無樁基區(qū)域沉降值普遍較大，說明盾構(gòu)開挖對(duì)樁基周圍的土層擾動(dòng)較大。

圖6為第2排各樁基(樁2-A、樁2-B、樁2-C)豎向位移隨掘進(jìn)步數(shù)的變化曲線。從圖6可以看出，各樁基沉降隨著盾構(gòu)推進(jìn)逐漸增大，尤其是盾構(gòu)在樁基前后15 m范圍時(shí)(5步～15步)，樁基沉降速度較快，沉降量占總沉降量的80%左右。此外，樁基距隧道越近，其豎向沉降越大，同一列的樁基沉降變化規(guī)律相近。計(jì)算表明，距隧道最近的A列樁基沉降最大，均達(dá)到了8 mm左右。

3.2.2樁基X向(垂直于隧道方向)側(cè)移分析

盾構(gòu)推進(jìn)過程中，選取第2排樁基分析其在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中側(cè)向位移變化規(guī)律。圖7為第2排樁基與盾頭在不同距離時(shí)的X向側(cè)移曲線(距離為正表示盾頭未達(dá)到樁基，為負(fù)表示盾頭已通過樁基)。隨著盾構(gòu)推進(jìn)，同排各樁基X向側(cè)移逐步增大，且樁基越靠近隧道，其側(cè)移變化幅值越大。盾構(gòu)推進(jìn)到樁基前后15 m時(shí)，樁基X向側(cè)移變化幅值相對(duì)較大，尤其是各樁基頂部，其側(cè)移變化幅值達(dá)到了總側(cè)移量的75%左右，說明樁基在此期間受到盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)的影響較大。此外，整個(gè)推進(jìn)過程中，X向側(cè)移方向均在隧道拱頂附近處出現(xiàn)轉(zhuǎn)變拐點(diǎn)，拱頂以上樁基部分側(cè)移偏向隧道，拱頂以下則偏離隧道。

盾構(gòu)推進(jìn)過程中，樁身各部位的側(cè)移速率和方向是不同的。圖8為樁2-A樁頂、埋深26 m處(與隧道中心齊平)及樁底的X向側(cè)移隨掘進(jìn)步數(shù)的變化曲線圖。從圖8中可看出，盾構(gòu)在樁基前方15 m至盾尾完全通過樁基的施工過程對(duì)樁頂和樁底側(cè)向位移影響最大。樁基埋深26 m處的X向側(cè)移在盾構(gòu)通過樁基期間呈減小趨勢(shì)，但當(dāng)盾尾完全通過樁基后呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增速較樁底快。

3.2.3樁基Y向(沿隧道縱向)側(cè)移分析

盾構(gòu)在通過樁基前后過程，選取第2排樁基對(duì)其在掘進(jìn)過程中的Y向側(cè)移變化規(guī)律進(jìn)行分析。圖9為第2排樁基與盾頭在不同距離時(shí)的Y向側(cè)移曲線圖。圖10為樁2-A頂部、埋深26 m處和底部的Y向側(cè)移隨掘進(jìn)步數(shù)的變化曲線。從圖10中可以看出，盾構(gòu)推進(jìn)初期，受到推進(jìn)力的影響，隧道埋深處附近的樁基部分受擠壓產(chǎn)生沿隧道推進(jìn)方向的變形，而位于隧道上方的樁基部分由于土層損失及沉降產(chǎn)生了相反的變形，這種變形在盾構(gòu)通過樁基時(shí)(第10步)達(dá)到最大。需要指出的是，樁基Y向最大側(cè)移發(fā)生在盾頭到達(dá)樁基時(shí)，這與樁基X向最大側(cè)移發(fā)生時(shí)間不同。當(dāng)盾構(gòu)逐漸通過樁基后，樁基受盾構(gòu)推進(jìn)力的影響逐漸減弱，其Y向側(cè)移和變形逐漸恢復(fù)，甚至出現(xiàn)與之前相反的側(cè)移和變形。

4 結(jié)語

本文采用三維有限差分方法模擬了盾構(gòu)施工過程，研究了盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)的沉降與側(cè)移影響規(guī)律，初步得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)盾構(gòu)隧道施工過程中，存在群樁的一側(cè)土體沉降范圍較大。當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)到樁基前后15 m范圍時(shí)，樁基的沉降速度最快，且距隧道外輪廓越近沉降越大，最大沉降值達(dá)到8 mm。

2)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，樁身X向側(cè)移方向在隧道拱頂附近處出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，拱頂以上樁基部分偏向隧道，拱頂以下則偏離隧道。盾構(gòu)推進(jìn)到樁基前后15 m范圍內(nèi)時(shí)對(duì)樁基的X向側(cè)移影響最大，樁基在此期間的側(cè)移占到總側(cè)移量的75%～85%。

3)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，盾頭到達(dá)樁基之前，樁基Y向側(cè)移逐漸增大；當(dāng)盾頭到達(dá)樁基時(shí)側(cè)移量達(dá)到最大，與X向最大側(cè)移發(fā)生階段不同；盾頭通過樁基后，樁基Y向側(cè)移逐漸恢復(fù)。