盾構(gòu)隧道近接側(cè)穿引起橋梁樁體的變形規(guī)律*

王治宇 楊松松 禹鵬飛 李 順 章定文**

(1.中建八局軌道交通建設(shè)有限公司, 210046, 南京; 2.東南大學(xué)交通學(xué)院, 211189, 南京; 3.道路交通工程國家級實驗教學(xué)示范中心(東南大學(xué)), 211189, 南京∥第一作者, 工程師)

盾構(gòu)施工導(dǎo)致的地層損失將會引起隧道周圍土體產(chǎn)生運動,當(dāng)盾構(gòu)隧道側(cè)穿臨近橋梁的樁體時,會引起樁體發(fā)生一定的豎向變形和水平變形,一般采用兩階段法計算盾構(gòu)施工對橋梁樁體的影響。兩階段法以Winkler彈性地基梁和荷載傳遞法為基礎(chǔ),第一階段采用解析解計算隧道開挖引起的土體自由位移場,并用三次曲線進(jìn)行擬合;第二階段基于Winkler地基模型,將盾構(gòu)隧道施工引起的周圍土體豎向位移轉(zhuǎn)化為荷載施加在樁體上,通過彈性地基梁疊加原理,計算單樁由于盾構(gòu)隧道施工引起的附加位移。文獻(xiàn)[1]基于兩階段法研究盾構(gòu)隧道對樁體的沉降影響。文獻(xiàn)[2]基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)研究盾構(gòu)隧道側(cè)穿高鐵橋樁施工過程對群樁的影響,研究結(jié)果表明,基樁變形最不利位置位于盾構(gòu)隧道底部以上部位。文獻(xiàn)[3]采用數(shù)值模擬方法,研究盾構(gòu)隧道下穿既有高鐵橋墩對既有樁體的影響,研究結(jié)果表明,采用隔離樁可以有效減少盾構(gòu)施工的影響。

目前,由盾構(gòu)隧道施工引起的樁體沉降計算公式可以較為準(zhǔn)確地計算出盾構(gòu)施工對樁體變形的影響,但在盾構(gòu)側(cè)穿樁體后,樁體周圍土體將會產(chǎn)生固結(jié),施加在樁側(cè)的負(fù)摩阻力逐漸消失,進(jìn)而引起橋梁樁體出現(xiàn)一定的回彈。基于施工現(xiàn)場長期的樁體沉降監(jiān)測結(jié)果,將盾構(gòu)施工對樁體的影響分為兩個階段:第一階段為盾構(gòu)隧道施工對樁體沉降的影響;第二階段為樁周土體固結(jié),樁側(cè)負(fù)摩阻力消散,樁端持力層回彈引起的樁體回彈階段。本文建立了盾構(gòu)側(cè)穿樁體的數(shù)值計算模型,分析了8根樁體的水平變形量及沉降量,分析了盾構(gòu)施工樁體x向水平變形量的影響因素,最后還對比分析了盾構(gòu)施工對各樁體實際沉降量的影響。本文研究可為盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿橋梁樁體的水平變形及沉降控制提供理論參考。

1 工程概況

寧句城際軌道交通工程DS6-TA02楊東盾構(gòu)區(qū)間北起東大街站,沿寧杭南路向南,下穿河濱北路,里程K41+855.85處下穿句容河,雙線側(cè)穿繞避句容河橋,沿著寧杭南路繼續(xù)向南至東句區(qū)間盾構(gòu)井。句容河南門橋的橋樁是直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁,樁長為34 m,樁體埋深為27 m,相鄰樁體間距為4.20～5.45 m。盾構(gòu)隧道左右線與2號橋墩橋樁之間的最短距離分別為4.04 m、4.31 m。左線隧道埋深為9.67 m,右線隧道埋深為9.31 m。盾構(gòu)隧道全斷面位于中等風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖中,上部為強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、含碎石粉質(zhì)黏土及淤泥質(zhì)填土等,屬于弱微透水層,地表水對本工程影響較小。句容河南門橋橋臺群樁與隧道位置關(guān)系示意圖如圖1所示。每個橋臺共有8根樁體,2號橋臺8根樁體按從左線到右線編號為1～8。盾構(gòu)區(qū)間土層地質(zhì)條件與襯砌管片參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)區(qū)間土層地質(zhì)條件與襯砌管片參數(shù)

圖1 句容河南門橋橋臺群樁與隧道位置關(guān)系示意圖

2 數(shù)值計算模型及其驗證

2.1 數(shù)值計算模型

采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對盾構(gòu)側(cè)穿橋梁樁體進(jìn)行模擬,模型尺寸應(yīng)滿足邊界條件要求,盾構(gòu)隧道開挖對周圍土體的影響約為3倍的開挖直徑。根據(jù)上述因素確定的模型尺寸為80 m(長)×25 m(高),盾構(gòu)開挖深度為24 m(按20環(huán)長度計),模型共生成56 432個實體單元,61 537個節(jié)點。樁身用實體單元進(jìn)行模擬,并用接觸面單元模擬樁-土間的關(guān)系;盾構(gòu)管片用殼結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬;土體材料變形采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型;隧道開挖采用空單元來模擬。模型除頂部為自由邊界外,其他邊界均采用法向約束,注漿壓力為0.2 MPa。盾構(gòu)側(cè)穿樁體模型軟件截圖如圖2所示。數(shù)值模擬的土層參數(shù)與實際工況保持一致,樁土接觸面的基本力學(xué)參數(shù)為:法向剛度和切向剛度均為2.9×107N/m;內(nèi)摩擦角為30°;黏聚力為800 kPa。

圖2 盾構(gòu)側(cè)穿樁體模型軟件截圖

2.2 模型驗證

盾構(gòu)側(cè)穿句容河南門橋現(xiàn)場實測及數(shù)值模擬的各樁體沉降對比如圖3所示。由圖3 a)可知,盾構(gòu)側(cè)穿橋樁過程中引起樁體的實測最終沉降量為7.0～11.0 mm,其中距離盾構(gòu)隧道距離較近的1號樁與8號樁的沉降量均大于其余樁體。由圖3 b)可知,由數(shù)值模擬獲得的樁體最終沉降量為4.9～7.3 mm,其沉降特點也是距離隧道較近的1號樁與8號樁的沉降量最大。對比數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測樁體沉降值可知,數(shù)值模擬結(jié)果與實測樁體沉降值吻合得較好,驗證了所提數(shù)值計算模型的可靠性及準(zhǔn)確性。下文將基于該數(shù)值計算模型進(jìn)行盾構(gòu)側(cè)穿對樁體水平變形及沉降的影響因素研究。

a) 實測樁體沉降

3 基于數(shù)值模擬的樁體水平變形及沉降量分析

3.1 樁體沉降量

左右線盾構(gòu)隧道施工時,不同樁體埋深下,各樁體的沉降量如圖4所示。由圖4 a)可知:距離左線盾構(gòu)隧道最近的1號樁的沉降量最大,為3.3 mm;距離左線盾構(gòu)隧道最遠(yuǎn)的8號樁的沉降量僅為1.6 mm;2號樁—8號樁的沉降量顯著小于1號樁,這不僅是由于1號樁體距離左線盾構(gòu)隧道最近,還因為1號樁產(chǎn)生了遮擋效應(yīng),減緩了盾構(gòu)隧道對周圍樁體產(chǎn)生的拖拽力。由圖4 b)可知:在右線盾構(gòu)貫通后,1號樁—8號樁的沉降量發(fā)生了相應(yīng)的變化,緊鄰右線盾構(gòu)隧道的8號樁沉降量迅速增加,此時緊鄰左線盾構(gòu)隧道的1號樁的沉降量為3.6 mm,緊鄰右線盾構(gòu)隧道的8號樁的沉降量為3.2 mm。由此可以看出,右線盾構(gòu)側(cè)穿樁體時,其對距離較遠(yuǎn)的1號樁也產(chǎn)生了一定的沉降影響,1號樁在右線盾構(gòu)隧道施工時樁端的沉降增量為0.3 mm,右線盾構(gòu)隧道施工產(chǎn)生的擾動對距離右線盾構(gòu)隧道較遠(yuǎn)的樁體影響較小。

a) 左線隧道施工

3.2 樁體水平變形

左右線盾構(gòu)隧道施工時,不同樁體埋深下,各樁體的x向水平變形如圖5所示。由圖5可知:臨近左線盾構(gòu)隧道的1號樁—3號樁的x向水平變形較大,在樁體入土深度5 m位置處的樁體x向水平變形達(dá)到最大,1號樁的x向水平變形量僅為2 mm,土體以上部分的樁體x向水平變形量接近于0;右線盾構(gòu)隧道側(cè)穿后,臨近右線盾構(gòu)隧道的6號樁—8號樁的x向水平變形量逐漸增加,在樁體入土深度20 m以下位置處,樁體的x向水平變形量基本趨于一致。

a) 左線隧道施工

盾構(gòu)隧道施工時,不同樁體埋深下,各樁體的y向水平變形如圖6所示。由圖6可知,臨近盾構(gòu)隧道的1號樁和8號樁在y向的水平變形量明顯大于其余樁體變形量,8號樁的最大y向水平變形量為1.0 mm,最大y向水平變形點與隧道中軸線埋深相同。

圖6 不同樁體埋深下各樁體的y向水平變形

4 盾構(gòu)施工對樁體x向水平變形的影響因素

由前文分析可知,盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋基對y向水平變形的影響較小。因此,下文將只分析盾構(gòu)隧道開挖對樁體x向水平變形的影響。

以1號樁為例,研究不同盾構(gòu)隧道直徑下,不同樁體埋深對1號樁x向水平變形的影響,如圖7所示。由圖7可知,改變盾構(gòu)隧道直徑后,樁體的最大水平變形逐漸增大,且其最大水平位置點也逐漸上移。這是由于增大盾構(gòu)直徑后,其盾構(gòu)施工的影響范圍也相應(yīng)有所增加,導(dǎo)致樁體的水平變形量相應(yīng)增加。

圖7 不同盾構(gòu)隧道直徑下不同樁體埋深對1號樁x向水平變形的影響

以1號樁為例,研究不同樁體與隧道間距條件下,不同樁體埋深對1號樁x向水平變形的影響,如圖8所示。由圖8可知,隨著樁體與隧道間距的增加,樁體的水平變形量有所減少,但其最大水平位置點沒有發(fā)生明顯的改變,說明樁體與隧道間距對樁體最大水平位移點的影響不大。

注:D為盾構(gòu)隧道直徑。

為了分析盾構(gòu)隧道開挖對樁體x向水平變形的影響,研究不同隧道埋深條件下樁體的變形特征。數(shù)值模擬參數(shù)與施工現(xiàn)場的實際參數(shù)保持一致。取D=6.48 m,單樁軸線與隧道中心線之間的距離為3 m,地層損失比為1.67%,樁長為34 m,樁體埋深為27 m,樁徑為1.5 m。當(dāng)隧道埋深為1.0D、1.5D、2.0D、2.5D和3.0D時,各樁體的x向水平變形如圖9所示。由圖9可知,隨著隧道埋深的增加,樁體的x向最大水平變形量先增大后逐漸減小。

a) 埋深為1.0D,雙線盾構(gòu)貫通

5 盾構(gòu)施工對樁體實際沉降量的影響

盾構(gòu)推進(jìn)速度約為5～8環(huán)/d,不同監(jiān)測時間下,各樁體實際沉降量對比如圖10所示。由圖10可知:①左線隧道盾構(gòu)過程中,1號樁—8號樁的沉降量逐漸增大;盾構(gòu)掌子面通過橋樁后,所有樁體的累計沉降量達(dá)到最大值,靠近左線盾構(gòu)隧道的1號樁沉降量為7.0 mm,距離左線盾構(gòu)隧道最遠(yuǎn)的8號樁沉降量為5.5 mm;盾構(gòu)通過橋樁后,8根橋樁均出現(xiàn)了回彈現(xiàn)象;在盾構(gòu)貫通樁體的7～8 d后,樁體的回彈趨于穩(wěn)定;左線盾構(gòu)通過后,1號樁的回彈量為3.5 mm,其余樁體的回彈量約為3.0 mm,左線盾構(gòu)時樁體的回彈速率約為0.375 mm/d。②右線隧道盾構(gòu)過程中,臨近隧道的樁體開始產(chǎn)生沉降;在盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋臺過程中,所有樁體的沉降量均達(dá)到最大值,1號樁體沉降量從4.0 mm逐漸增加到13.0 mm;盾構(gòu)通過橋樁后,所有樁體的沉降量穩(wěn)定在5.0～10.0 mm;在右線盾構(gòu)通過橋樁的7～8 d后,樁體的回彈量約為2.5～5.0 mm;右線盾構(gòu)時,樁體的回彈速率約為0.310～0.630 mm/d。

圖10 不同監(jiān)測時間下各樁體實際沉降量對比

對比左右線盾構(gòu)側(cè)穿橋基的樁體回彈速率可以發(fā)現(xiàn):臨近右線隧道的7號樁和8號樁的回彈速率顯著大于左線隧道;左線盾構(gòu)貫通過程中,橋梁樁體的沉降量相對較小,且其樁體回彈量也明顯小于右線隧道側(cè)穿后的樁體回彈量。這主要是由于盾構(gòu)貫通過程中,掌子面附近的土體受到較大的擾動,掌子面附近土體逐漸向刀盤附近移動,導(dǎo)致掌子面附近土體對樁基礎(chǔ)產(chǎn)生了負(fù)摩阻力。

盾構(gòu)貫通過程中,樁體的受力示意圖如圖11所示。盾構(gòu)影響線以上的土體產(chǎn)生了向下的移動趨勢,引起樁體周圍土體產(chǎn)生較大的負(fù)摩阻力。由于該群樁屬于端承摩擦樁體,在樁體荷載增大后,施加在樁尖持力層的荷載也逐漸增大,引起樁端持力層中風(fēng)化泥巖的變形量逐漸增加。在盾構(gòu)掌子面通過橋樁后,樁體周圍土體逐漸穩(wěn)定,盾尾間隙土體移動對樁體的影響也逐漸減小,樁體周圍土體逐漸固結(jié),這個過程對于樁體來說是一個顯著的加載再逐級卸載的過程,施加在樁端的地基反力大于樁體的荷載,樁端持力層在逐級卸荷過程中發(fā)生回彈(見圖11 b))。左線盾構(gòu)貫穿過程中,樁體的回彈量為1.8～3.0 mm;右線盾構(gòu)貫穿過程中,樁體的回彈量為2.5～5.0 mm,這說明重復(fù)施工擾動會增加群樁的沉降量。

a) 盾構(gòu)貫通時

6 結(jié)語

本文研究了盾構(gòu)隧道側(cè)穿樁基礎(chǔ)對橋梁群樁樁基礎(chǔ)的水平變形與沉降影響,提出了盾構(gòu)側(cè)穿橋樁對樁體的水平變形影響規(guī)律及計算方法,對比分析了盾構(gòu)施工對各樁體實際沉降量的影響。同時,根據(jù)長期的橋樁沉降監(jiān)測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),盾構(gòu)隧道側(cè)穿會引起端承摩擦樁發(fā)生顯著的回彈現(xiàn)象。在盾構(gòu)遠(yuǎn)離樁體后,樁體周圍土體逐漸發(fā)生固結(jié),導(dǎo)致施加在樁側(cè)的負(fù)摩阻力逐漸消失,這是導(dǎo)致樁體出現(xiàn)回彈現(xiàn)象的主要原因。