規(guī)劃碼頭施工對(duì)隧道影響分析試驗(yàn)研究

施浩亮, 徐曉菲, 孫昊慈

(1.長(zhǎng)江航道勘察設(shè)計(jì)院(武漢)有限公司, 武漢 430040; 2.長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 武漢 430040)

長(zhǎng)江干線過(guò)江通道是溝通兩岸交通的重要紐帶,在加快推進(jìn)航運(yùn)建設(shè)的同時(shí)對(duì)港口岸線的需求也變得更為強(qiáng)勁。過(guò)江通道線位選址受到河道條件、航道條件等多方面因素的限制與港口岸線之間矛盾也逐步突顯,平衡通道建設(shè)與長(zhǎng)江航運(yùn)發(fā)展就顯得尤為重要。過(guò)江隧道工程因?qū)νê健⒎篮榈挠绊懶?越來(lái)越受推崇,但根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等的要求,過(guò)江隧道上下游一定范圍內(nèi)往往需要設(shè)置安全保護(hù)區(qū),在保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)禁止從事危害隧道安全的活動(dòng),當(dāng)隧道保護(hù)區(qū)與規(guī)劃港口岸線沖突時(shí),則需通過(guò)開(kāi)展相關(guān)研究論證兩者之間的相互影響。鄧日朗等[1]通過(guò)建立三維有限元模型分析下臥地鐵隧道隨豎井開(kāi)挖過(guò)程的變形規(guī)律及豎井工法保護(hù)機(jī)制。趙剛和潘燕[2]通過(guò)理論法、有限元法、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法以某實(shí)際工程為例對(duì)水工隧洞施工引起的公路隧道變形進(jìn)行分析,得出隧道的豎向變形與距離的變化趨勢(shì)。時(shí)雅雯[3]采用數(shù)值模擬的方法,并結(jié)合檢測(cè)數(shù)據(jù)分析總結(jié)了橋梁樁基施工對(duì)既有隧道及軌道結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律。何嘉齊[4]以實(shí)際工程為依托,采用施工實(shí)測(cè)分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的分析手段,研究了鋼套管鉆孔灌注樁施工對(duì)鄰近既有地鐵隧道的影響研究,鋼套管護(hù)壁施工在采用合理的跟進(jìn)深度的前提下,可有效減小對(duì)鄰近地鐵隧道的影響。全浩[5]利用LS-DYNA計(jì)算分析了樁基施工對(duì)鄰近隧道的影響,并結(jié)合數(shù)值模擬和國(guó)內(nèi)外研究成果,提出隧道安全振動(dòng)速度的臨界值為 5.6 cm/s。楊振琨和杜成偉[6]通過(guò)有限元數(shù)值模擬,研究得出了打樁施工管道最不利的變形部位。尹紅樺等[7]研究了不同距離下打樁對(duì)隧道的影響,得出隧道最大位移出現(xiàn)在拱頂位置,最大彎矩出現(xiàn)在起拱線位置。何必伍[8]通過(guò)建立三維數(shù)值模型,研究了鉆孔灌注樁在施工的各個(gè)階段對(duì)隧道產(chǎn)生的影響,同時(shí)對(duì)比分析了不同施工工序的影響差異。

目前,針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的研究多采用數(shù)值模擬的方法,通過(guò)建立三維模型研究隧道或土體變相規(guī)律,為隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和線位選擇提供一定的技術(shù)支撐。本文以武漢二七路過(guò)江通道工程為例,通過(guò)有限元的計(jì)算方法,基于最不利的工況條件,試驗(yàn)研究隧道保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)規(guī)劃碼頭打樁施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全的影響,同時(shí)根據(jù)有關(guān)法律法規(guī)及盾構(gòu)隧道的應(yīng)用提出了隧道結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn),以此判斷碼頭施工對(duì)隧道的影響程度,研究成果可為類(lèi)似工程問(wèn)題提供一定參考。

1 工程概況

武漢二七路過(guò)江通道工程位于武漢長(zhǎng)江二橋和二七長(zhǎng)江公路大橋之間,與兩橋的距離分別為1.9 km和1.4 km,是《長(zhǎng)江干線過(guò)江通道布局規(guī)劃(2020—2035年)》湖北省內(nèi)近期重點(diǎn)建設(shè)的過(guò)江通道之一,圖1為工程位置示意圖。隧道在江中深槽處埋深按極限沖刷深度下滿足運(yùn)營(yíng)期抗浮要求的覆土厚度4.5 m并適當(dāng)預(yù)留富余,圖2為過(guò)江隧道縱斷面布置圖。

圖2 過(guò)江隧道縱斷面

結(jié)合工程的具體情況及盾構(gòu)機(jī)的選型情況,并參考既有盾構(gòu)法隧道的施工經(jīng)驗(yàn),擬定隧道的施工徑向誤差為150 mm。隧道橫斷面管片內(nèi)徑為14.2 m,盾構(gòu)管片外徑為15.5 m,隧道橫斷面布置如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道橫斷面

工程河段河道較順直,經(jīng)河道、航道整治工程實(shí)施后,河勢(shì)總體穩(wěn)定,航道條件較好。但工程與右岸側(cè)上、下游規(guī)劃的港口岸線最小間距分別約190 m和140 m,與《武漢市城市橋梁隧道安全管理?xiàng)l例》明確的隧道保護(hù)區(qū)范圍200 m存在一定重疊(圖4),需妥善處理與規(guī)劃港口岸線的關(guān)系。若證明碼頭樁基施工對(duì)隧道營(yíng)運(yùn)安全無(wú)影響,可以在橋梁隧道保護(hù)范圍內(nèi)進(jìn)行碼頭樁基施工,也從另一個(gè)角度說(shuō)明擬建隧道對(duì)右岸規(guī)劃港口岸線利用無(wú)影響。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 工況設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)劃右岸的規(guī)劃,港口岸線主要布置支持系統(tǒng)和旅游客運(yùn)碼頭,而這類(lèi)碼頭多浮碼頭的形式。浮碼頭躉船的固定方式有兩種:一種是通過(guò)拋錨的方式錨碇在河底,另一種是將躉船以鉸接形式限制在兩個(gè)墩柱之間,隨水位上下自由升降。第二種方式可能存在樁基施工。通過(guò)對(duì)該河段較大噸位的旅游客運(yùn)碼頭的調(diào)研,碼頭樁基多采用鉆孔灌注樁的形式,鉆孔灌注樁用螺旋鉆機(jī)、潛水鉆機(jī)等就地成孔灌注混凝土而成樁,鉆孔灌注樁施工時(shí)產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)較小,碼頭樁基施工對(duì)隧道安全的影響較小。

從保障工程安全的角度出發(fā),考慮了三個(gè)最不利情況。一是上下游碼頭樁基施工方法的最不利。根據(jù)實(shí)際調(diào)研,從偏安全的角度出發(fā),碼頭泊位等級(jí)按5 000噸級(jí),兼顧1萬(wàn)噸級(jí)船舶靠泊考慮。規(guī)劃碼頭基樁基為直徑1 000 mm的鋼管樁,采用錘擊沉樁方式進(jìn)行施工,采用D100柴油錘進(jìn)行施工,柴油錘沖程3.2 m。二是碼頭樁基位置的最不利。在上下游規(guī)劃岸線距離隧道最近處建立兩個(gè)碼頭樁基模型。三是施工時(shí)間的最不利?？紤]上下游兩個(gè)碼頭樁基同時(shí)施工的不利情況。

圖5為擬建隧道與規(guī)劃岸線碼頭位置關(guān)系示意圖。

圖5 擬建隧道與規(guī)劃碼頭位置示意圖

規(guī)劃碼頭樁基采用錘擊沉樁的方式進(jìn)行,錘擊沉樁過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng),屬于動(dòng)力學(xué)范疇。動(dòng)力沉樁對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊懯且粋€(gè)復(fù)雜的動(dòng)力相互作用體系,沒(méi)有明確的計(jì)算規(guī)范或計(jì)算方法。

隨著計(jì)算機(jī)和力學(xué)理論與應(yīng)用的發(fā)展,對(duì)于上述這類(lèi)大型復(fù)雜問(wèn)題,目前通常借助大型有限元軟件,建立精密的數(shù)值仿真模型,應(yīng)用靜、動(dòng)力學(xué)理論,考慮非線性因素,可盡可能地模擬各對(duì)象實(shí)際情況,更能直觀地考察各工況和現(xiàn)象,獲得精度更高的結(jié)果,為工程實(shí)際提供可信參考,有利于保證工程的安全順利實(shí)施。通過(guò)前期的調(diào)研,碼頭樁基施工入土深度按照12 m和20 m進(jìn)行考慮,同時(shí)結(jié)合三種最不利情況,從不同的入土深度、不同的施工時(shí)間擬定了6種試驗(yàn)工況,如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況

2.2 隧道結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)

由于盾構(gòu)隧道在城市地鐵中有大量的應(yīng)用,《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[7]中對(duì)盾構(gòu)隧道建設(shè)引起的地面沉降有詳細(xì)的規(guī)定,因此《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》[8]也是直接參考了此規(guī)范的規(guī)定?；谏鲜鲈?隧道結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)參考《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[9]中對(duì)盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)安全的判別標(biāo)準(zhǔn)、隧道內(nèi)力計(jì)算理論以及類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)本工程影響范圍內(nèi)的盾構(gòu)隧道的安全標(biāo)準(zhǔn)提出如下要求:①隧道襯砌結(jié)構(gòu)水平位移、豎向位移預(yù)警值≤10 mm、控制值≤20 mm(包括各種加載和卸載的最終位移量);②由于打樁振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江隧道引起的峰值速度≤2.5 cm/s。

3 有限元模型建立

3.1 整體模型及隧道模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)方案,二七路過(guò)江通道從中山大道(RK0+940)至友誼大道(RK5+050)段全長(zhǎng)約 4 110 m,如果按整個(gè)過(guò)江通道全程建模,則模型規(guī)模很大,計(jì)算費(fèi)時(shí)?？紤]到碼頭前沿線對(duì)應(yīng)的隧道里程約為RK3+400,此處與沉樁位置里程接近,因此縱向以RK3+400為中心,兩側(cè)適當(dāng)延伸一定距離,從而減小計(jì)算規(guī)模。另外為減小沉樁模擬過(guò)程中的邊界效應(yīng),模型尺寸不宜過(guò)小。綜合兩方面情況,模型縱向從RK2+214開(kāi)始,至RK4+564結(jié)束,模型總長(zhǎng)2 350 m,沉樁位置與兩端距離大致相等。為減小邊界效應(yīng)的影響,在上游側(cè),模型寬度取760 m(約4倍隧道中心至沉樁中心距離);同樣,在下游側(cè),模型寬度取560 m(約4倍隧道中心至沉樁中心距離),利用ABAQUS軟件建模并進(jìn)行計(jì)算分析,模型總寬1 320 m。深度方向上取120 m,基本涵蓋勘察中的覆蓋土層、基巖層。整體模型如圖6 所示,模型中沉樁位置如圖7所示,根據(jù)隧道縱斷面圖所建立的隧道數(shù)值模型如圖8所示。

圖6 整體有限元模型

圖7 模型中沉樁位置示意圖

圖8 隧道模型

3.2 土體模型建立

由于土體構(gòu)成復(fù)雜,土層分布的不均勻性、各向異性以及孔隙比不均一等因素,在數(shù)值模擬時(shí),對(duì)土體精確建模非常困難。在模擬分析中,進(jìn)行相應(yīng)的假設(shè),假定在同一土層中,土是均勻的、連續(xù)的;土是各向同性的,即在各個(gè)方向上具有相同的物理性質(zhì)。土體模型建模時(shí)參數(shù)中未考慮土的孔隙比參數(shù),一方面因?yàn)榭紤]孔比條件下模擬實(shí)驗(yàn)的計(jì)算量巨大,另一方面是因?yàn)椴豢紤]孔隙比參數(shù)適當(dāng)簡(jiǎn)化模型可以增大土體在隧道與碼頭之間的相互作用力的傳遞,因此計(jì)算的規(guī)劃碼頭施工對(duì)隧道的影響結(jié)果會(huì)稍偏大,結(jié)果更偏保守更具安全性。

根據(jù)工程巖土工程勘察報(bào)告,將地基土層簡(jiǎn)化為五層(圖9),分別為:①填土層;②粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂層等;③細(xì)砂、粉質(zhì)黏土等;④砂混卵石等;⑤基巖。

圖9 土體模型

3.3 荷載條件

根據(jù)規(guī)劃碼頭等級(jí)及樁徑,根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》[10]附錄G選錘參考資料,選用規(guī)劃碼頭樁基采用D100柴油錘進(jìn)行沉樁,D100柴油錘上活塞重10 000 kg;每次擊打能量213 860～333 540 N·m;每分鐘擊打次數(shù)36～45次;作用樁上的最大爆炸力2 600 kN;適宜打樁最大規(guī)格40 000 kg。

ABAQUS軟件在瞬態(tài)動(dòng)力分析中允許輸入任意形式的時(shí)間歷程載荷。鄰近規(guī)劃碼頭施工對(duì)隧道影響分析的計(jì)算目的是研究沉樁振動(dòng)下土體振動(dòng)及對(duì)于盾構(gòu)隧道的影響。其動(dòng)力荷載采用節(jié)點(diǎn)力的瞬態(tài)荷載的形式,通過(guò)設(shè)置施加集中力時(shí)程,來(lái)模擬碼頭沉樁振動(dòng)時(shí)施加的外部動(dòng)力荷載。采用的動(dòng)力載荷為

1.33(n-1)+0.018。

式中:F(t)為施加的動(dòng)荷載,kN;T為周期,s;t為時(shí)刻,s。

動(dòng)荷載的時(shí)間里程曲線如圖10所示。

圖10 動(dòng)力荷載時(shí)程曲線

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 上游2根碼頭樁基同時(shí)施工

4.1.1 入土深度為12 m

當(dāng)管樁樁端入土深度為12 m時(shí),管樁樁周土體、過(guò)江隧道的最大振動(dòng)速度如圖11所示。由圖11可知,樁周土體的最大振動(dòng)速度為4.22 cm/s,過(guò)江隧道的最大振動(dòng)速度為2.84×10-3cm/s。

單位:m/s圖11 工況1模型最大振動(dòng)速度

當(dāng)管樁樁端入土深度為12 m時(shí),管樁樁周土體、過(guò)江隧道的最大振動(dòng)位移如圖12所示。由圖12可知,管樁樁周土體的最大振動(dòng)位移為1.6 mm,過(guò)江隧道的最大振動(dòng)位移為6.5×10-3mm。

4.1.2 入土深度為20 m

當(dāng)管樁樁端入土深度為20 m時(shí),管樁樁周土體、過(guò)江隧道的最大振動(dòng)速度如圖13所示。由圖13可知,管樁樁周土體的最大振動(dòng)速度為4.21 cm/s,過(guò)江隧道的最大振動(dòng)速度為2.42×10-3cm/s。

單位:m/s圖13 工況2模型最大振動(dòng)速度

當(dāng)管樁樁端入土深度為20 m時(shí),管樁樁周土體、過(guò)江隧道的最大振動(dòng)位移如圖14所示。由圖14可知,管樁樁周土體的最大振動(dòng)位移為1.5 mm,過(guò)江隧道的最大振動(dòng)位移為5.9×10-3mm。

單位:m圖14 工況2模型最大振動(dòng)位移

4.2 下游2根碼頭樁基同時(shí)施工

4.2.1 管樁樁端入土深度為12 m

當(dāng)管樁樁端入土深度為12 m時(shí),管樁樁周土體、過(guò)江隧道的最大振動(dòng)速度如圖15所示。

單位:m/s圖15 工況3模型最大振動(dòng)速度

由圖15可知,管樁樁周土體的最大振動(dòng)速度為5.68 cm/s,過(guò)江隧道的最大振動(dòng)速度為2.86×10-3cm/s。

當(dāng)管樁樁端入土深度為12 m時(shí),管樁樁周土體、過(guò)江隧道的最大振動(dòng)位移如圖16所示。由圖16可知,管樁樁周土體的最大振動(dòng)位移為2.86 mm,過(guò)江隧道的最大振動(dòng)位移為8.3×10-3mm。

單位:m圖16 工況3模型最大振動(dòng)位移

4.2.2 管樁樁端入土深度為20 m

當(dāng)管樁樁端入土深度為20 m時(shí),管樁樁周土體、過(guò)江隧道的最大振動(dòng)速度如圖17所示。由圖17可知,管樁樁周土體的最大振動(dòng)速度為5.68 cm/s,過(guò)江隧道的最大振動(dòng)速度為2.52×10-3cm/s。

單位:m/s圖17 工況4模型最大振動(dòng)速度

當(dāng)管樁樁端入土深度為20 m時(shí),管樁樁周土體、過(guò)江隧道的最大振動(dòng)位移如圖18所示。由圖18 可知,管樁樁周土體的最大振動(dòng)位移為 2.86 mm,過(guò)江隧道的最大振動(dòng)位移為7.6×10-3mm。

單位:m圖18 工況4模型最大振動(dòng)位移

4.3 上、下游2根碼頭樁基同時(shí)施工

4.3.1 管樁樁端入土深度為12 m

當(dāng)管樁樁端入土深度為12 m時(shí),管樁樁周土體、過(guò)江隧道的最大振動(dòng)速度如圖19所示。由圖19可知,管樁樁周土體的最大振動(dòng)速度為5.68 cm/s,過(guò)江隧道的最大振動(dòng)速度為2.81×10-3cm/s。

單位:m/s圖19 工況5模型最大振動(dòng)速度

當(dāng)管樁樁端入土深度為12 m時(shí),管樁樁周土體、過(guò)江隧道的最大振動(dòng)位移如圖20所示。

單位:m圖20 工況5模型最大振動(dòng)位移

由圖20可知,管樁樁周土體的最大振動(dòng)位移為2.86 mm,過(guò)江隧道的最大振動(dòng)位移為8.8×10-3mm。

4.3.2 管樁樁端入土深度為20 m

當(dāng)管樁樁端入土深度為20 m時(shí),管樁樁周土體、過(guò)江隧道的最大振動(dòng)速度如圖21所示。由圖21可知,管樁樁周土體的最大振動(dòng)速度為5.68 cm/s,過(guò)江隧道的最大振動(dòng)速度為2.32×10-3cm/s。

單位:m/s圖21 工況6模型最大振動(dòng)速度

當(dāng)管樁樁端入土深度為20 m時(shí),管樁樁周土體、過(guò)江隧道的最大振動(dòng)位移如圖22所示。由圖22可知,管樁樁周土體的最大振動(dòng)位移為 2.86 mm,過(guò)江隧道的最大振動(dòng)位移為8.2×10-3mm。

單位:m圖22 工況6模型最大振動(dòng)位移

通過(guò)對(duì)工況條件下沉樁振動(dòng)對(duì)過(guò)江隧道影響的模擬,得到了相應(yīng)條件下過(guò)江隧道的峰值振動(dòng)速度、峰值振動(dòng)位移如表2所示。

表2 不同工況條件下過(guò)江隧道峰值振動(dòng)速度、振動(dòng)位移

5 結(jié)論

由于上、下游沉樁位置與過(guò)江隧道之間的距離不同,沉樁過(guò)程中的振動(dòng)存在相位差,相對(duì)上、下游兩個(gè)管樁分別施工,上、下游兩根管樁同時(shí)施工時(shí),隧道峰值振動(dòng)速度、峰值振動(dòng)位移并未有所增大。

各工況最大速度均遠(yuǎn)小于長(zhǎng)江隧道允許的振動(dòng)峰值速度2.5 cm/s,結(jié)果安全;各工況最大位移均遠(yuǎn)小于隧道襯砌結(jié)構(gòu)位移預(yù)警值10 mm,規(guī)劃碼頭打樁施工引起的隧道處震動(dòng)速度、結(jié)構(gòu)位移等變化遠(yuǎn)小于安全限制值。

鄰近規(guī)劃碼頭施工不會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全造成不利影響,可在橋梁隧道保護(hù)范圍內(nèi)進(jìn)行碼頭樁基施工,也從另一個(gè)角度說(shuō)明擬建隧道建設(shè)對(duì)右岸規(guī)劃港口岸線利用無(wú)影響,本文研究方法及成果可為類(lèi)似問(wèn)題的研究提供參考。