盾構(gòu)切削穿越既有橋梁樁基安全性分析研究

羅 旭，阮艷妹，林 珊，謝浩梆，徐偉真，葉錫鈞

（1、廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州 510010；2、廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510006）

0 前言

在城市中心修建城市隧道經(jīng)常遇到穿越既有結(jié)構(gòu)物樁基的情況，采用盾構(gòu)法施工會(huì)導(dǎo)致在掘進(jìn)過程對(duì)周邊建筑物的影響愈加突出，在地基底下新建盾構(gòu)隧道遭遇地基有樁基地面有建筑物的處理方法通常是先托換再破除樁基［1-2］或者拆除地面建筑物并對(duì)其基礎(chǔ)進(jìn)行處理，這樣做不僅工程造價(jià)高，還容易對(duì)環(huán)境造成污染，并不是最優(yōu)處理方法。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)直接切樁穿越構(gòu)筑物的研究，主要針對(duì)盾構(gòu)切削鋼筋的可行性、刀盤配置的參數(shù)、盾構(gòu)過程中掘進(jìn)參數(shù)對(duì)隧道施工對(duì)土體沉降產(chǎn)生的影響。因?yàn)橥馏w受損是盾構(gòu)施工引起的地表沉降的主要因素，1968 年P(guān)ECK［3］基于大量的工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了PECK公式，用于計(jì)算盾構(gòu)施工引起的沉降變形；受地面建筑物的限制，無法對(duì)建筑物的樁基進(jìn)行拆除，采用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行直接切樁［4-5］通過隧道的橋樁，進(jìn)行隧道的施工，驗(yàn)證了盾構(gòu)穿越隧道直接切樁通過是可行的；周璇［6］通過蘇州軌道交通2 號(hào)線盾構(gòu)切削群樁項(xiàng)目為工程背景，對(duì)φ1 200 mm 鋼筋混凝土樁基進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了盾構(gòu)刀片切割鋼筋是可行的；關(guān)于盾構(gòu)施工下的盾構(gòu)機(jī)選擇，不僅要求其在所處地層中有一定的適用性，還應(yīng)該具備切削或磨削鋼筋混凝土樁的能力，并要求盾構(gòu)機(jī)在切樁的同時(shí)，預(yù)防盾構(gòu)前方出現(xiàn)噴涌以及盾尾密封的現(xiàn)象，這就對(duì)盾構(gòu)機(jī)的配置要求［7-9］更高。羅文靜［10］與馮健璋［11］采用數(shù)值模擬方法分析盾構(gòu)下穿建構(gòu)物影響效應(yīng)，得出地面沉降規(guī)律。

從目前的研究現(xiàn)狀來看，盾構(gòu)切削穿越既有建筑物樁基工程的安全性受建筑物類型、土層狀態(tài)和盾構(gòu)機(jī)的參數(shù)配置等因素的綜合影響，具有一定的不確定性。本文主要以某地鐵項(xiàng)目的區(qū)間盾構(gòu)隧道工程實(shí)例，通過理論分析和數(shù)值模擬，研究盾構(gòu)切削既有橋梁樁基方案的可行性，給類似的工程實(shí)例提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

本工程為某地鐵項(xiàng)目的區(qū)間盾構(gòu)隧道工程實(shí)例，施工區(qū)域經(jīng)過某高橋，地鐵盾構(gòu)隧道擬從該高橋下部通過，高橋樁長(zhǎng)約為22.2 m，隧道埋深約24.4 m。高橋共有兩根樁基侵入盾構(gòu)隧道內(nèi)，侵入隧道部分樁基通過盾構(gòu)機(jī)切削，切削長(zhǎng)度約為2.05 m。區(qū)間隧道下穿越高橋的示意圖如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道下穿高橋剖面Fig.1 Tunnel under the High Bridge Profile （mm）

1.2 區(qū)域地層信息

本區(qū)域的土層參數(shù)如表1所示。

表1 土層有關(guān)參數(shù)Tab.1 Soil Layer Related Parameters

2 理論分析

2.1 橋梁樁基安全性分析

根據(jù)原設(shè)計(jì)資料，按結(jié)構(gòu)的實(shí)際形式和現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTG D60—2015》規(guī)定，按公路Ⅱ級(jí)布置車道荷載，計(jì)算恒載效應(yīng)和活載效應(yīng)，平均分配到每根樁上。本橋樁基為端承摩擦樁，根據(jù)端承摩擦樁單樁軸向受壓承載力容許值可按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG 3363—2019》計(jì)算，切削樁基后分兩種情況考慮樁基承載力：

⑴盾構(gòu)切割樁端后，樁端落在已完全硬化的盾構(gòu)注漿層上，考慮樁端土的承載力特征值按C50 混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算；

⑵偏安全考慮，按純摩擦樁計(jì)算，得出切削前后樁基承載力結(jié)果，如表2所示。

表2 樁基承載力計(jì)算結(jié)果與安全系數(shù)Tab.2 Calculation Results and Safety Factor of Pile Foundation Bearing Capacity

綜上，樁基切削前和切削后（考慮樁端承載力）橋樁結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均大于2，樁基切削后（不考慮樁端承載力）橋樁結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.69，故盾構(gòu)切削樁基后，橋梁樁基結(jié)構(gòu)仍安全，橋樁承載力滿足要求。

2.2 管片受力狀態(tài)分析

管片是盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較關(guān)鍵的一環(huán)，是保證隧道質(zhì)量的主要因素。進(jìn)行切削后的樁基對(duì)傳遞過來的荷載主要是以水平荷載和垂直荷載的形式傳遞到管片上，進(jìn)一步導(dǎo)致管片的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而影響其受力性能和使用壽命，因此需要考慮到樁基對(duì)管片的荷載傳遞問題，以確保管片結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。

2.2.1 荷載計(jì)算

采用修正慣用計(jì)算法對(duì)管片的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。管片承受的荷載根據(jù)《隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（盾構(gòu)篇）及解析》［12］和《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范：GB 50446—2017》，得出的結(jié)果如下：自重反力Pg=24.50 kPa，垂直荷載P1=283.96 kPa，水平荷載q1=201.13 kPa，側(cè)向水平三角形荷載q0=292.44 kPa，側(cè)向地層抗力kg=79.20 kPa。

2.2.2 管片承載力驗(yàn)算

按文獻(xiàn)［12］對(duì)管片的頂部、腰部和底部所受的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果為：管片頂部彎矩內(nèi)力值為93.95 kN·m，軸力為774.52 kN；管片腰部彎矩內(nèi)力值為-63.16 kN·m，軸力為1 048.89 kN；管片底部彎矩內(nèi)力值為79.97 kN·m，軸力為819.75 kN，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)管片斷面內(nèi)力圖Fig.2 Internal Force of Shield Tunneling Pipe Segment

表3 管片內(nèi)力和承載力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation Results for Internal Force and Bearing Capacity of the Pipeline Segment

管片受力最不利情況出現(xiàn)在頂部和腰部，故底部不作分析。由表3 數(shù)據(jù)可知，管片在不同的部位所承受的彎矩和軸力相差較大，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，管片的頂部受到的彎矩為122.14 kN·m ，所受軸力為774.52 kN；在管片腰部受到最大的負(fù)彎矩82.11 kN·m，軸力為1 048.89 kN。與管片承載力計(jì)算結(jié)果對(duì)比，管片頂部彎矩承載力為297.98 kN·m；軸向承載力為1 889.54 kN；管片腰部彎矩承載力為294.06 kN·m；軸向承載力為3 775.57 kN。管片彎矩承載力和軸向承載力均大于管片所受內(nèi)力，管片的安全性滿足。

2.2.3 裂縫寬度驗(yàn)算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010—2010》計(jì)算得出管片的頂部、腰部和底部的裂縫寬度分別為0.12 mm、0.02 mm和0.01 mm，滿足≤0.2 mm的要求。

3 數(shù)值模擬

為進(jìn)一步驗(yàn)證盾構(gòu)施工切削樁基對(duì)橋梁的影響，利用數(shù)值模擬軟件Midas GTS NX，建立模型分析盾構(gòu)開挖及切削樁基全過程，重點(diǎn)分析橋梁樁基被切削前后的橋梁結(jié)構(gòu)的位移以及樁周土體沉降情況。

3.1 有限元模型建立

計(jì)算采用“地層-結(jié)構(gòu)”模型，地層單元和二次襯砌均采用實(shí)體單元，注漿采用板單元，本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型，選取模型尺寸為30 m×30 m×33.8 m，如圖3所示。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite Element Model

3.2 模擬結(jié)果分析

⑴工況1：選取橋面邊緣處沉降最大值節(jié)點(diǎn)（1號(hào)節(jié)點(diǎn)）作為研究對(duì)象，如圖4 所示，分析在盾構(gòu)施工過程中，節(jié)點(diǎn)處位移規(guī)律。

圖4 1號(hào)節(jié)點(diǎn)位置Fig.4 Location of Node 1

由圖5可以看出，隨著盾構(gòu)隧道開挖推進(jìn)，橋面上1 號(hào)節(jié)點(diǎn)的沉降量呈遞增趨勢(shì)，z方向沉降最為明顯，直至開挖結(jié)束后橋面上最大沉降量達(dá)到最大值，z方向豎向位移最大值為10.16 mm。

圖5 1號(hào)節(jié)點(diǎn)三向位移Fig.5 Three-directional Displacement of Node 1

⑵工況2：選取與樁不同距離的土體為研究對(duì)象，分析在盾構(gòu)施工過程中對(duì)樁及土層的沉降影響。

由圖6可知，隨著土層距離樁中心的距離越大，土層的沉降量越小，在盾構(gòu)隧道開挖完畢后，樁附近土體的沉降量始終大于樁的沉降量，樁土之間不存在負(fù)摩阻力的情況。

圖6 離樁中心不同距離土層沉降Fig.6 The settlement of Soil Layers at Different Distances from the Pile Center

4 結(jié)論

本文以某地鐵項(xiàng)目的區(qū)間盾構(gòu)隧道施工為依托，通過理論計(jì)算切削樁基承載力及橋梁安全系數(shù)，數(shù)值分析盾構(gòu)開挖及切削樁基全過程，得出以下結(jié)論：

⑴樁基切削前和在樁基切削后，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。經(jīng)計(jì)算，管片受力最不利情況出現(xiàn)在頂部和腰部，原設(shè)計(jì)管片配筋合理，滿足設(shè)計(jì)安全要求，為該項(xiàng)目切削樁基提供理論支撐。

⑵盾構(gòu)開挖產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)橋梁造成一定影響，但由于盾構(gòu)施工所產(chǎn)生的效應(yīng)距離橋面較遠(yuǎn)，橋面上最大沉降量最大值僅為10.16 mm。

⑶盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，隧道上方土層會(huì)發(fā)生沉降，但土層距離樁中心的距離越大，土層的沉降量越小，在盾構(gòu)隧道開挖完畢后，樁周附近土體的沉降量始終大于樁的沉降量，樁土之間不存在負(fù)摩阻力的情況。