基于有限元模擬的盾構隧道側穿引起橋梁樁基礎變形分析

黃志增

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

目前，我國城市化進程不斷加快，城市人口逐漸增加。城市人口的增加在一定程度上可以推進城市的經濟發(fā)展，但同樣也會加劇城市的負擔[1]，最為明顯的就是城市交通的壓力增大，道路出行越來越難。為了改變這一現(xiàn)狀，人們將目光轉向地下空間與橋梁空間，建設了眾多交通橋梁與地下隧道，減緩了地上交通的壓力，延長了地上交通用地的使用壽命[2]。盾構隧道是較為常見的一種隧道施工類型，在一個金屬外殼下進行施工作業(yè)，不僅可以隔絕周圍土體，還可以在金屬外殼保護下將隧道掘進變得更加簡便。

根據(jù)盾構的截面形式，可以將其分為單圓、復圓和非圓三種形式。顧名思義，單圓盾構就是一個圓形的金屬外殼結構；復圓盾構就是兩個或三個圓形連接在一起的金屬外殼結構；非圓盾構就是除了圓形之外的橢圓、矩形和馬蹄形等金屬外殼結構[3]。隨著城市地下空間的建設，盾構隧道側穿與地下空間相結合的現(xiàn)象越發(fā)普遍，由此引起的橋梁樁基礎變形與地面沉降問題逐漸凸顯[4]。針對上述問題，本文研究了基于有限元模擬的盾構隧道側穿引起橋梁樁基礎變形這一課題，通過對樁基承載力和地層等方面的分析，研究隧道側穿對橋梁上部結構的影響，為隧道與橋梁的研究提供理論依據(jù)。

1 工程概況

本文以某工程盾構隧道為例，對盾構隧道側穿引起橋梁樁基礎變形情況進行分析。該工程是一個地下隧道區(qū)間，位于兩個市中心站點的街區(qū)下方，呈南北走向，側穿同街區(qū)的高架橋匝道橋。該盾構隧道的起止里程為DM3+662.321～DM4+342.658，線路全長1 266.124 m[5]。該隧道埋深為15.6～16.1 m，隧道拱頂處地層主要以粉質黏土與細砂組成。拱頂處的施工建設較難，承載力需要盡可能地加大。在盾構隧道DM3+852.143處設置了一個聯(lián)絡通道，可以在信號較弱的情況下，發(fā)出聯(lián)絡信號，溝通地面與隧道，保證隧道內的人員安全。

該隧道采用盾構法進行施工，采用土壓平衡盾構機，將鋼筋混凝土管片襯砌，管片內徑、結構厚度和寬度等參數(shù)根據(jù)實際建設情況進行調整，以減少施工材料對隧道建設的影響[6]。盾構隧道側穿同街區(qū)的高架橋匝道橋為Ⅰ級風險源。該橋樁基礎的樁長為27.5 m，樁徑為0.7 m，樁頂距離地面約4.5 m，承臺高約1.5 m。橋梁樁基處為礫石層，隧道建設主要會影響砂土和粉質黏土等區(qū)域，使橋梁樁基下的地層出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，影響橋梁的穩(wěn)定性。盾構隧道中心線距離橋墩的距離為2.0 m，隧道拱頂距離樁頂約6.26 m，易出現(xiàn)橋梁樁基礎變形情況。

2 試驗準備及過程

盾構隧道側穿高架橋施工過程中，依次會經過雜填土、素填土、粉質黏土、粉細砂、中砂、細砂、粗砂、粉土、卵礫土、中粗砂和中細砂等層面，且盾構隧道在中砂層-粉土層區(qū)域施工。相關地層的參數(shù)如表1所示。

表1 某工程盾構隧道地層參數(shù)表

由表1可知，該工程盾構隧道地層巖土類型較多，其中，雜填土和砂土的粘聚力較差，重力較輕，在施工過程中是較難處理的問題[7]。由于中砂、細砂和粗砂的粘聚力為0，在施工過程中，更容易分散隧道承載力。該工程盾構隧道在此區(qū)域施工，側穿高架橋匝道橋的結構主要為樁基礎、承臺、橋墩、橋板、管片以及盾殼。側穿施工前，對相關參數(shù)進行計算：

(1)

(2)

(3)

式中：P(t)——結構材料的彈性模量(GPa)；

Pmax、Pmin——相關材料的最大承載力與最小承載力；

t——常數(shù)；

s、i——結構材料的寬度與厚度(m)；

Ss——結構材料的泊松比；

Gv——地面沉降量；

Fz——結構材料的重度(kN/m3)；

fz——隧道中線到橋梁結構之間的力學參數(shù)；

δv、δT——隧道到橋梁結構的中心深度與時間系數(shù)。

將隧道施工的相關數(shù)據(jù)帶入式(1)～(3)中得出：樁基礎的彈性模量為30.02 GPa，樁徑厚度與寬度保持一致，均為1.20 m，重度為23.12 kN/m3；承臺的彈性模量為34.28 GPa，厚度為2.01 m，重度為26.52 kN/m3；橋墩的彈性模量為34.25 GPa，厚度為1.20 m，重度為26.68 kN/m3；橋板的彈性模量為34.31 HPa，厚度約為1.00 m，重度為23.32 kN/m3；管片的彈性模量為30.12 GPa，厚度為0.31 m，重度為25.55 kN/m3；盾殼的彈性模量為250.08 GPa，厚度為0.05 m，重度為78.12 kN/m3。由此得出，橋梁結構主要材料的泊松比一致，均為0.21，盾殼的承受力最大，彈性模量相對較高。在此條件下，本文利用有限元模擬方法，將盾構隧道進行網格劃分，如圖1所示。

圖1 盾構隧道的網格劃分云圖

由圖1可知，地層是半無限土體，模型與實際隧道情況基本一致，其自重、掘進壓力、注漿壓力等邊界條件均考慮在實際網格劃分的范圍內，可以對有限元模型各個方向的邊界施加約束作用。當施工環(huán)境改變時，可以通過改變網格劃分，實現(xiàn)施工前屬性變化的目的，進而保證對盾構隧道的全方位掌控[8]。在隧道施工階段，每掘進一個開挖段需要激活下一處開挖段，通過模擬掘進壓力的遷移，即可了解盾構推進過程中橋梁樁基礎的變形情況。

3 試驗結果與討論

在上述試驗條件下，本文對盾構隧道掘進方向的最大偏移值進行分析。一般情況下，盾構隧道側穿施工過程中會引起樁基水平位移、承臺豎向位移的情況，需要對二者進行動態(tài)監(jiān)測。根據(jù)有限元模擬的數(shù)據(jù)，樁基水平位移的變化情況如表2所示。

表2 樁基水平位移變化情況表

由表2可知，樁基深度從0 m開始逐漸加深，深入到45.642 m后停止。在此過程中，樁基的水平位移從0.028 m開始增加，隨著樁基深度的加深，樁基的水平位移也逐漸增加。樁基深度達到45.642 m時，水平位移為0.062 m。在相同條件下，承臺的豎向位移情況如表3所示。

表3 承臺的豎向位移變化情況表

由表3可知，開挖距離為0 m時，承臺的豎向位移為5.521 m，此時的豎向位移為承臺的基礎值。開挖距離開始從0 m向120 m推進時，豎向位移也開始增加，當開挖距離達到120 m時，承臺豎向位移與基礎值之間相差4.347 m，承臺更容易出現(xiàn)不均勻沉降的現(xiàn)象。此時，地層損失與橋梁穩(wěn)定系數(shù)之間的關系式為：

(4)

Sm=εi·Mc

(5)

式中：Mc——地層損失數(shù)據(jù)；

Ms——隧道支護壓力；

Ns——隧道豎向壓力；

Sm——結構材料的豎向位移基數(shù)；

εi——結構材料的水平位移系數(shù)。

由式(4)～(5)可知，橋梁樁基礎變形與樁基水平位移、承臺豎向位移有關，故減少位移變化，就是減少地層不均勻沉降的過程，進而減少橋梁樁基礎變形情況。

4 結語

在盾構隧道側穿施工的過程中，橋梁樁基礎部位會產生較大的水平位移與豎直位移。隨著樁身的加深以及盾構開挖距離的不斷推進，樁基的水平位移會不斷增加。同樣，隨著盾構開挖距離的加深，承臺的豎向位移也會相應增加。由于水平位移與豎向位移的變化，會導致樁基和承臺發(fā)生不均勻沉降的現(xiàn)象，進而導致橋梁樁基礎變形。因此，在盾構隧道施工的過程中，需要對橋梁相關結構的水平位移與豎向位移進行全周期監(jiān)測，減少樁基、承臺發(fā)生不均勻沉降的現(xiàn)象，進而減少橋梁樁基礎變形的情況。

近些年來，在廣泛使用地下空間的趨勢下，盾構隧道側穿與地下空間相結合的建設方式越來越普遍，橋梁樁基礎變形的問題也越來越嚴重。基于此，本文研究了基于有限元模擬的盾構隧道側穿引起橋梁樁基礎變形分析這一課題。通過分析某工程的實際情況，了解橋梁樁基礎變形的原因，并找出相關解決方案，為城市隧道工程與橋梁工程的建設提供研究方向。