盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)地鐵穿越公路橋梁樁基的影響

蘇 寶

(中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300000)

隨著人民生活水平的不斷提高和城市化建設(shè)的快速發(fā)展，能夠提高人們出行便捷程度的地鐵施工在全國(guó)陸續(xù)開(kāi)展起來(lái)，然而，由于前期公路或者橋梁規(guī)劃過(guò)程中，未涉及有新興地鐵等交通工具的規(guī)劃，因此，在地鐵施工過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)需要穿越公路橋梁等工程的施工[1-2]。其中，盾構(gòu)施工技術(shù)作為一種將盾構(gòu)機(jī)械在地中推進(jìn)，通過(guò)盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌，同時(shí)在開(kāi)挖面前方用切削裝置進(jìn)行土體開(kāi)挖，通過(guò)出土機(jī)械運(yùn)出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進(jìn)，并拼裝預(yù)制混凝土管片[3-4]，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機(jī)械化施工方法在現(xiàn)代化地鐵穿越公路橋梁施工中得到了廣泛應(yīng)用。實(shí)際盾構(gòu)施工過(guò)程中的盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)地鐵穿越公路橋梁樁基的影響方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道[5-7]，本文考察開(kāi)挖步數(shù)、掌子面推力和注漿壓力對(duì)樁基變形的影響，結(jié)果可為現(xiàn)代化地鐵穿越施工技術(shù)提供必要的支撐。

1 模型建立與處理

采用三維建模的方法來(lái)分析地鐵穿越公路橋梁樁基的變形行為，主要針對(duì)隧道、樁基和土體3個(gè)部分，立體模型采用ANSYS建立 SOLID45模型(60 m×60 m×45 m，單元總數(shù)83 168個(gè))[8]，圖1為地鐵穿越隧道與樁基平面位置示意圖，其中，隧道中心線距離地表和隧道內(nèi)徑分別為14、7.8 m，樁基與隧道的距離為1 m，圓形樁直徑為1.8 m。

圖1 地鐵穿越公路橋梁與樁基平面位置示意圖 (單位：cm)

三維模型中涉及到的管片、注漿層和樁的線彈性參數(shù)包括彈性模量、泊松比和重度，其中，襯砌管片的彈性模量、泊松比和重度分布為27 600 MPa、0.2和25 kN/m3，注漿層的彈性模量、泊松比和重度分布為1 000 MPa、0.17和21 kN/m3，樁的彈性模量、泊松比和重度分布為32 000 MPa、0.3和25 kN/m3。三維模型中X軸的邊界條件為±30，Z方向的邊界為-45～0，Y方向的邊界為-46，模型Y方向的上表面為自由面[9]。樁基頂部的均布載荷為1.58 MPa。

由于盾構(gòu)施工過(guò)程中的樁基與土體物性參數(shù)有較大不同，因此在建模過(guò)程中需要考慮樁土接觸處理情況，這里主要考慮摩擦系數(shù)，結(jié)合以往實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置樁基與土體之間摩擦系數(shù)μ=0.45[10]。

2 結(jié)果與分析

圖2為地鐵穿越公路橋梁的樁基橫向水平位移與樁身埋深之間的關(guān)系，分別列出了開(kāi)挖第1步、第4步、第7步、第8步、第11步和第15步時(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，每步開(kāi)挖3 m。對(duì)比分析可知，在開(kāi)挖第1步時(shí)，樁基橫向水平位移隨著埋深的變化較小；隨著開(kāi)挖步數(shù)的增加，樁基橫向水平位移與樁身埋深關(guān)系曲線逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮耐埂睜?，且隨著開(kāi)挖步數(shù)增加，樁基橫向水平位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在開(kāi)挖步數(shù)為7、8、11、15時(shí)，樁基橫向水平位移分別為1.44、2.25、3.57、3.64 m，可見(jiàn)，當(dāng)開(kāi)挖步數(shù)增加至11步及以上時(shí)，繼續(xù)增加開(kāi)挖步數(shù)對(duì)樁基橫向水平位移的影響不大。

圖2 地鐵穿越公路橋梁的樁基橫向水平位于與樁身埋深之間的關(guān)系

圖3為地鐵穿越公路橋梁的樁身豎向位移與樁身深度的關(guān)系曲線。在未開(kāi)挖時(shí)，地鐵穿越公路橋梁的樁頂沉降和樁底沉降分別為16.23、10.92 m，這主要是因?yàn)闃秱?cè)摩擦阻力和樁端土承載力影響所致[11]；在開(kāi)挖過(guò)程中，土體會(huì)發(fā)生回彈效應(yīng)，因此不同開(kāi)挖步數(shù)下的樁頂沉降和樁底沉降有所減小，并在開(kāi)挖15步時(shí)的樁頂沉降和樁底沉降分別達(dá)到14.90、10.28 m。在相同的樁身深度下，開(kāi)挖步數(shù)越小則對(duì)應(yīng)的樁身豎向位移變化越小，且都小于未開(kāi)挖時(shí)地鐵穿越公路橋梁的樁頂沉降和樁底沉降距離。

圖3 地鐵穿越公路橋梁的樁身豎向位移與樁身深度的關(guān)系曲線

圖4為地鐵穿越公路橋梁的樁基縱向水平位移與樁身埋深的關(guān)系曲線，分別列出了開(kāi)挖第1步、第4步、第7步、第8步、第11步和第15步時(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在開(kāi)挖第1步時(shí)，樁基縱向水平位移相對(duì)較小，而隨著開(kāi)挖步數(shù)從4增加至15步時(shí)，樁基縱向水平位移呈現(xiàn)先增加后減小特征，在開(kāi)挖第8步時(shí)的樁基縱向水平位移最大，達(dá)到3.22 m。這主要是因?yàn)樵陂_(kāi)挖步數(shù)8步及以下時(shí)，在注漿壓力、樁側(cè)摩擦力等因素下樁基縱向水平位移會(huì)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但是當(dāng)開(kāi)挖步數(shù)超過(guò)8步時(shí)，掌子面在施工過(guò)程中會(huì)慢慢遠(yuǎn)離樁基，樁體變形減小的同時(shí)使得樁基縱向水平位移反而有所減小。

圖4 地鐵穿越公路橋梁的樁基縱向水平位移與樁身埋深的關(guān)系曲線

在實(shí)際地鐵穿越公路橋梁樁基的盾構(gòu)施工過(guò)程中，盾構(gòu)推力和注漿壓力都是影響施工的重要參數(shù)，有必要進(jìn)行盾構(gòu)推力和注漿壓力對(duì)樁基變形的影響行為研究。在進(jìn)行掌子面推力分析時(shí)，設(shè)定盾構(gòu)施工過(guò)程中掌子面推力分別為0.2、0.3、0.4、0.5 MPa，注漿壓力為0.25 MPa；在進(jìn)行注漿壓力分析時(shí)，設(shè)定盾構(gòu)施工過(guò)程中掌子面推力分別為0.15、0.25、0.35、0.45 MPa，注漿壓力為0.3 MPa。圖5為不同掌子面推力的樁體埋深與橫向位移的關(guān)系曲線，對(duì)比分析可知，在不同的掌子面推力下，樁基橫向位于與樁體埋深的關(guān)系曲線基本重合，這也就說(shuō)明掌子面推力不會(huì)對(duì)樁基橫向位移造成明顯影響[12]。

圖5 不同掌子面推力的樁體埋深與橫向位移的關(guān)系曲線

圖6為不同掌子面推力的樁體埋深與縱向位移的關(guān)系曲線。當(dāng)掌子面推力為0.2 MPa時(shí)，樁基縱向位移變化幅度較小(最大變形約0.62 mm)，而隨著掌子面推力逐漸增大，樁基縱向位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在掌子面推力為0.5 MPa時(shí)，樁基縱向位移的最大變形可達(dá)5.87 mm。在盾構(gòu)施工過(guò)程中，樁基縱向位移始終保持負(fù)數(shù)，這主要是因?yàn)樵诙軜?gòu)施工過(guò)程中，樁基會(huì)朝著開(kāi)挖方向發(fā)生變形的緣故，而掌子面推力的增加會(huì)對(duì)縱向位移有一定影響，且表現(xiàn)為推力越大則縱向位移越大的特征。

圖6 不同掌子面推力的樁體埋深與縱向位移的關(guān)系曲線

圖7為不同注漿壓力的樁體埋深與橫向位移的關(guān)系曲線。對(duì)比分析可知，注漿壓力會(huì)對(duì)樁體埋深-橫向位移產(chǎn)生明顯影響。當(dāng)注漿壓力分別為0.15、0.25、0.35、0.45 MPa時(shí)，樁體最大橫向位移分別為2.08、3.66、5.08、6.62 mm，可見(jiàn)，樁體最大橫向位移會(huì)隨著注漿壓力增加而逐漸增大，究其原子，這與不同埋深處的變形會(huì)隨著注漿壓力的最大而增加有關(guān)，從而使得樁頂位置會(huì)出現(xiàn)向外移動(dòng)的特征。

圖7 不同注漿壓力的樁體埋深與橫向位移的關(guān)系曲線

圖8為不同注漿壓力的樁體埋深與縱向位移的關(guān)系曲線。當(dāng)注漿壓力為0.15 MPa時(shí)，縱向位移最大處約-2.86 mm，而樁頂也由于在盾構(gòu)施工中未加約束而發(fā)生了-2.17 mm的變形；當(dāng)注漿壓力為0.25 MPa時(shí)，樁體的縱向位移最大處約-2.43 mm，樁頂?shù)目v向位移約為-1.32 mm；當(dāng)注漿壓力為0.35 MPa時(shí)，樁體的縱向位移最大處約-1.81 mm，樁頂?shù)目v向位移約為-1.27 mm；當(dāng)注漿壓力為0.45 MPa時(shí)，樁體的縱向位移最大處約-1.22 mm，樁頂?shù)目v向位移約為-0.78 mm。可見(jiàn)，隨著注漿壓力從0.15 MPa增加至0.45 MPa，樁體和樁頂?shù)目v向位移都呈現(xiàn)逐漸減小特征，樁體埋深-縱向位移曲線的鼓凸程度逐漸區(qū)域平緩。注漿壓力對(duì)樁體橫向位移和縱向位移的影響明顯不同，隨著注漿壓力增加，樁體橫向位移逐漸增大而縱向位移逐漸減小。綜合不同注漿壓力的樁體埋深與橫向位移的關(guān)系曲線可知，在對(duì)地鐵穿越公路橋梁樁基進(jìn)行盾構(gòu)施工過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整注漿壓力來(lái)對(duì)樁體變形進(jìn)行控制，從而最大限度的保證樁體的穩(wěn)定。

圖8 不同注漿壓力的樁體埋深與縱向位移的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

a.隨著開(kāi)挖步數(shù)的增加，樁基橫向水平位移與樁身埋深關(guān)系曲線逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮耐埂睜?，且隨著開(kāi)挖步數(shù)增加，樁基橫向水平位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在開(kāi)挖步數(shù)為7、8、11、15時(shí)，樁基橫向水平位移分別為1.44、2.25、3.57、3.64 m。

b.在不同的掌子面推力下，樁基橫向位于與樁體埋深的關(guān)系曲線基本重合，這也就說(shuō)明掌子面推力不會(huì)對(duì)樁基橫向位移造成明顯影響；隨著掌子面推力逐漸增大，樁基縱向位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在掌子面推力為0.5 MPa時(shí)，樁基縱向位移的最大變形可達(dá)5.87 mm。

c.注漿壓力對(duì)樁體橫向位移和縱向位移的影響明顯不同，隨著注漿壓力增加，樁體橫向位移逐漸增大而縱向位移逐漸減小。