超大斷面盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿嵌巖樁基礎(chǔ)影響分析

田彥偉 高偉

(1 深圳市鹽田人才安居有限公司；2 深圳市建設(shè)綜合勘察設(shè)計(jì)院有限公司)

0 引言

盾構(gòu)工法在現(xiàn)代國內(nèi)外隧道工程建設(shè)中得到了越來約廣泛的應(yīng)用[1-3]，但難免會(huì)對(duì)周圍地層和應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，特別是當(dāng)盾構(gòu)施工鄰近樁基時(shí)，很容易造成建筑物隨地層發(fā)生協(xié)同變形，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸾ㄖw開裂、不均勻沉降過大的事故[4-5]。而對(duì)于大直徑隧道盾構(gòu)施工來說，這種對(duì)周圍建筑的不利影響更為顯著。

針對(duì)大直徑盾構(gòu)近接樁基施工引起的地層擾動(dòng)和沉降問題，國內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行大量深入的研究。Peck[6]首次提了地層損失的概念和隧道開挖地表下沉的估算方法；李宗梁等[7]基于某盾構(gòu)隧道施工引起的大堤沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過Peck 公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出了地層損失率的取值范圍；王立新等[8]基于理論計(jì)算對(duì)盾構(gòu)隧道塌落拱高度范圍內(nèi)土體松弛對(duì)樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力的影響規(guī)律進(jìn)行研究；夏友元等[9]分別研究了盾構(gòu)穿越一般底層和穿越群樁基兩種不同條件下的位移情況，以此作為評(píng)價(jià)盾構(gòu)隧道對(duì)建筑物影響的標(biāo)準(zhǔn)。

有限元法作為一種成熟的分析方法，能夠很好地對(duì)土體應(yīng)力狀態(tài)、土體分層情況、周邊荷載及盾構(gòu)施工進(jìn)行模擬，并且可以系統(tǒng)分析盾構(gòu)隧道施工引起的地層位移、土體應(yīng)力變化和建筑變形。楊記芳[10]建立了某大直徑盾構(gòu)鄰接樁基高層建筑的施工的三維數(shù)值模型，分析了盾構(gòu)側(cè)穿和下穿不同樁長(zhǎng)的樁基時(shí)建筑沉降及樁體變形差異；王闖等[11]依托某實(shí)際工程，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)盾構(gòu)近接橋梁群樁基礎(chǔ)施工產(chǎn)生的擾動(dòng)進(jìn)行了分區(qū)定量評(píng)價(jià)，并對(duì)擾動(dòng)較大的樁基進(jìn)行了受荷特性分析；賀文波[12]利用FLAC3D 有限元軟件，對(duì)盾構(gòu)隧道近穿及下穿時(shí)樁基礎(chǔ)的位移特征及承載力特性進(jìn)行分析。

本文依托深圳某大直徑隧道盾構(gòu)工程，基于MIDAS GTS NX 有限元軟件建立盾構(gòu)下穿樁基的三維模型，對(duì)地層擾動(dòng)分區(qū)范圍進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)研究了大直徑盾構(gòu)下穿樁基對(duì)樁基性能的發(fā)揮影響規(guī)律。

1 工程概況

在建的某隧道工程長(zhǎng)約4.82km，盾構(gòu)直徑達(dá)到了15.8m，是我國大陸目前在建的最大直徑盾構(gòu)隧道，斷面近200m2，為超大斷面尺寸的盾構(gòu)掘進(jìn)開挖。區(qū)間K2+780～K3+200 范圍內(nèi)擬建某棚戶區(qū)改造項(xiàng)目，隧道穿越縱向距離長(zhǎng)度約400m。

改造項(xiàng)目計(jì)劃在隧道通過前完成基坑和樁基的設(shè)計(jì)施工，并在隧道盾構(gòu)通過時(shí)，樁基上部主體結(jié)構(gòu)正常施工加載。該改造項(xiàng)目鄰近隧道北側(cè)主要為一棟160m超高層人才房，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為樁基礎(chǔ)（嵌巖樁）。隧道將從最近樁基的側(cè)下方穿過。樁基與隧道空間位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 樁基與隧道位置關(guān)系平面圖和三維模型

該區(qū)間隧道采用泥水平衡盾構(gòu)施工，隧道拱頂距離地面約45m，隧道管片環(huán)寬為2m，隧道距離樁基邊線水平距離最近約3m，盾構(gòu)通過時(shí)將形成巨大的圓形挖空斷面，對(duì)周邊巖土體將帶來極大改變和擾動(dòng)，對(duì)樁基性能的發(fā)揮都將產(chǎn)生一定影響。

超高層人才房樁基直徑為1.0m～2.8m，樁長(zhǎng)20m～37.5m，樁頂荷載為60000kN～73000kN。因樁基具有設(shè)計(jì)荷載大、直徑大、數(shù)量多以及盾構(gòu)隧道直徑超大，距離非常近（最近約3m）等特點(diǎn)，此類工程案例十分罕見，因此十分有必要在工程開展前，分析和評(píng)估大直徑隧道盾構(gòu)穿過時(shí)對(duì)樁基各方面性能的影響程度和前后變化規(guī)律，重點(diǎn)掌握樁基施工完成后并在上部結(jié)構(gòu)荷載逐漸增加的過程中，大斷面盾構(gòu)穿過所帶來的各種影響以及對(duì)周圍巖土體的干擾擾動(dòng)，對(duì)樁基設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評(píng)估并提供依據(jù)，并確保工程實(shí)施時(shí)具有足夠的安全性。

2 數(shù)值模擬過程

盾構(gòu)隧道下穿樁基的三維分析模型建立如圖2 所示。模型設(shè)置為起伏地層的真實(shí)三維模型。地層本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb 模型。

樁基采用梁?jiǎn)卧M，通過設(shè)置樁土印刻實(shí)現(xiàn)樁-土耦合。為考慮壁后注漿影響，采用等代層來模擬盾構(gòu)隧道管片壁后注漿層。管片和等代層均采用實(shí)體單元模擬。

根據(jù)隧道與樁基的位置關(guān)系，在數(shù)值分析中，選擇最為靠近隧道側(cè)的第一排樁基作為主要分析研究對(duì)象。項(xiàng)目土層分布及力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 數(shù)值模擬地層力學(xué)參數(shù)

3 橫向擾動(dòng)范圍分析

Peck 在1969 年提出在不排水的狀態(tài)下，地鐵施工所引起的沉降，近似正態(tài)分布曲線[6]。

分析結(jié)果表明：在無樁基和有樁基條件下地表沉降槽曲線與Peck 曲線均擬合良好。地表的最大沉降值均位于隧道中心以上地面，沿隧道中心軸線上方地面基本呈對(duì)稱趨勢(shì)向兩邊延伸，沉降值逐漸減小。通過擬合得到沉降槽寬度系數(shù)i 為16m；有樁下沉降槽寬度系數(shù)i為24m(表2)。

表2 隧道影響分區(qū)范圍

4 對(duì)樁基性能影響分析

4.1 樁基內(nèi)力和承載力影響分析

樁基加載前后，緊鄰隧道側(cè)樁基（1～8 號(hào)樁）的最大剪力和最大彎矩值，以及樁側(cè)摩阻力與樁端阻力變化如表3 所示。

表3 樁基加載后內(nèi)力和承載力變化

由表3 可以看出，在緊鄰隧道側(cè)的1～8 號(hào)樁基中，樁基加載后的最大剪力和最大彎矩較加載前均發(fā)生了明顯變化，但變化幅度都在一定范圍內(nèi)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施可以消化這些幅度增減。

樁基距離隧道越遠(yuǎn)，其變化越小。樁基剪力變化最為明顯的位置位于微風(fēng)化與中風(fēng)化交界面處。樁基加載后，大部分樁的樁端阻力占比在30%～50%之間，最高可達(dá)到56%。樁基承載力受盾構(gòu)施工影響較小，樁端阻力占比比較顯著，受臨近盾構(gòu)開挖的影響較小。分析表明，增加一定的嵌巖樁深度和數(shù)量，可以明顯降低樁基附加內(nèi)力的變化幅度。

4.2 樁基變形影響分析

隧道盾構(gòu)施工完成后，樁基加載所帶來的最大水平位移云圖變化如圖2 所示。

圖2 樁基水平和豎向位移云圖

經(jīng)計(jì)算，鄰近隧道樁基的傾斜率最大為0.06%，最大水平位移為2.34mm，滿足《建筑樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》中的允許傾斜率0.2%和水平位移允許值6mm，不會(huì)對(duì)建筑造成影響。當(dāng)樁基加載后，樁基自身所產(chǎn)生的沉降及樁身壓縮遠(yuǎn)大于盾構(gòu)隧道施工所產(chǎn)生的附加變形，樁頂最大豎向位移為-22.28mm。滿足相關(guān)規(guī)范中允許沉降要求，不會(huì)對(duì)建筑造成影響。

5 結(jié)論

⑴相比于無樁基條件下，群樁條件下的盾構(gòu)隧道橫向擾動(dòng)分區(qū)變化較大，主要影響區(qū)為隧道正上方兩側(cè)24m 范圍內(nèi)；豎向擾動(dòng)范圍相差不大。

⑵鄰近隧道側(cè)的樁基在加載后，樁基最大剪力和最大彎矩較加載前發(fā)生了明顯變化。樁基距離隧道越遠(yuǎn)，其變化越小。樁基剪力變化最為明顯的位置位于微風(fēng)化與中風(fēng)化交界面處。分析表明，適當(dāng)增加一定的嵌巖樁深度和數(shù)量的措施，可以明顯降低樁基附加內(nèi)力的變化幅度。

⑶鄰近隧道的樁基變形規(guī)律受盾構(gòu)隧道影響相對(duì)其他遠(yuǎn)離隧道的樁基更為顯著。但總體來講，水平位移總量非常小，可以忽略，且滿足結(jié)構(gòu)的變形要求。