地鐵旁穿橋梁樁基礎(chǔ)數(shù)值模擬

苗 峰，唐德金

（大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

0 引言

樁基礎(chǔ)具有承載力高，穩(wěn)定性好，沉降變形小的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在高層建筑、大型橋梁的基礎(chǔ)中[1]。隨著城市交通建設(shè)的發(fā)展，地鐵以其特有的交通優(yōu)點(diǎn)受到大量城市的青睞，大量的城市處在建設(shè)地鐵的高峰期。其中盾構(gòu)法為目前修建地鐵隧道的主要施工方法，對周圍環(huán)境影響小且施工安全快速[2,3]。地鐵的建設(shè)在地層中遇到的環(huán)境越來越復(fù)雜，不可避免地會近接或穿越已有的樁基礎(chǔ)。地鐵盾構(gòu)施工造成地下土體損失，隧道附近應(yīng)力場發(fā)生變化，地面和樁基發(fā)生沉降變形，樁基承載力降低，樁的力學(xué)性能發(fā)生變化，存在一定的風(fēng)險。因此在施工前應(yīng)就隧道開挖對樁基礎(chǔ)的影響進(jìn)行安全評估，采取相應(yīng)措施，保證隧道能順利通過既有樁基礎(chǔ)[4-6]。

大連地鐵促春區(qū)間隧道穿越高架橋樁基礎(chǔ)，由于大連地區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件及施工環(huán)境比較復(fù)雜，工程誘發(fā)產(chǎn)生的風(fēng)險極大并且沒有可以利用的資料，通過有限元軟件建模分析，對大連地鐵隧道穿越橋基的施工提供了理論依據(jù)、工程指導(dǎo)，同時也為大連地區(qū)同類型工程提供了指導(dǎo)借鑒作用。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)條件

大連地鐵香沙區(qū)間地鐵隧道地層條件比較復(fù)雜。地表覆蓋素填土雜填土等，并且存在強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化巖層。根據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》，土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

1.2 工程概況

大連地鐵202 標(biāo)盾構(gòu)區(qū)間段始于促進(jìn)路站終于春光街站，區(qū)間設(shè)計(jì)范圍為線長997.726 m。隧道拱頂覆土最大20 m，最小11.2 m，本階段地鐵隧道埋深為16 m 左右。隧道開挖的直徑為6.2 m，采取盾構(gòu)施工法。隧道地層條件為石質(zhì)，地表覆蓋細(xì)角礫土，下部為頁巖和石英砂巖。設(shè)計(jì)按Ⅳ級圍巖防護(hù)。

地鐵盾構(gòu)開挖旁穿附近的立交橋樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)為鉆孔灌注摩擦樁，樁徑2 m，樁長25 m。隧道埋深15.8 m，樁中心距隧道外徑為3.2 m。樁基混凝土強(qiáng)度等級為C30，單樁設(shè)計(jì)豎向承載力3000 kN；右線隧道距離橋梁樁基平面距離較近.，平面距離為1.1 m。

2 有限元模型

建模時選取模型尺寸為60×80×40 m (X×Y×Z)，整體模型包括 4 個地層，其中素、雜回填土、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化板巖采用M-C 模型，樁體單元屬性為梁，模型類型為彈性，樁土間摩擦效應(yīng)采用面—面接觸模擬，本構(gòu)關(guān)系采用摩爾—庫倫線彈塑性模型。襯砌管片為噴射混凝土，樁體、隧道襯砌、盾構(gòu)殼體均采用8 節(jié)點(diǎn)線彈性板單元模擬，樁-土、盾殼-土體和襯砌-土之間均設(shè)置接觸面單元。共有計(jì)算單元11280 個，計(jì)算節(jié)點(diǎn)135060 個。模型頂為自由面，底面加雙向約束，左右邊面的邊界條件為水平約束，前后面的邊界條件為水平約束，樁體頂面的約束為自由。

3 結(jié)果分析

隧道盾構(gòu)開挖使得周圍土層發(fā)生位移，并且影響到周圍樁基礎(chǔ)的應(yīng)變，樁體的變形包括豎向沉降變形和水平方向變形。

3.1 樁體豎向位移結(jié)果分析

由圖1 可知，在step-22 以后，樁體的沉降逐漸增大，在step-27 時，樁頂?shù)呢Q向位移為8 mm，樁端的豎向位移為7 mm，比樁頂小1 mm。在step-37 前后，樁體沉降變化較大，此時盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)穿越樁基。隨著開挖面逐漸接近樁基，樁基的豎向沉降逐漸變大，施工完成時，樁基的豎向沉降達(dá)到最大值，最大的沉降發(fā)生在樁頂位置。樁端的豎向沉降因?yàn)闃抖顺至拥某休d力大和樁側(cè)摩阻力的阻礙作用，從而導(dǎo)致樁端的沉降值比樁頂?shù)某两敌　?/p>

圖1 不同施工階段的樁體豎向沉降位移

3.2 樁體水平位移結(jié)果分析

不同施工階段樁體水平位移如圖2 所示；掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)千斤頂?shù)捻斖屏τ靡云胶馇胺綆r土體的壓力，同時也存在摩擦力，這種摩擦作用對土體的干擾是不可避免的。在這兩種外力的作用下，step-10時，樁頂以下，樁體受盾構(gòu)的剪力而向前移動，主要表現(xiàn)為正值，并且隨著隧道的掘進(jìn)而增大，在step-22時，樁端的最大水平位移值為3.50 mm。當(dāng)盾尾通過后，千斤頂向后的作用力，使周邊的土體向后移動，step-27 以后樁端的位移有所減小，加上地層的損失率的影響，樁頂端的位移背離盾構(gòu)前進(jìn)方向，主要表現(xiàn)為負(fù)值。

圖2 不同施工階段的樁體水平位移

3.3 樁體的軸力結(jié)果分析

如圖3 所示，隨著開挖推進(jìn)，在樁身距樁頂部0~10 m 的范圍內(nèi)樁身的軸力基本不變，10 m 以下樁周圍土層產(chǎn)生很小的正摩阻力，樁體軸力有減小的趨勢。在step-22 時，盾構(gòu)機(jī)開始旁穿樁體，盾構(gòu)開挖使得周圍土體損失，造成樁周土體沉降量增大，由于樁周土體沉降量大于樁體沉降量，而產(chǎn)生負(fù)摩阻力，使得樁體的軸力增加。在step-37 時，軸力達(dá)到最大值。隨著隧道的掘進(jìn)，樁身軸力值和樁側(cè)摩阻力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 不同施工階段的樁體軸力

3.4 地表沉降結(jié)果分析

開挖隧道，引起的地層的損失，地表發(fā)生沉降。從圖4 隧道開挖起始面最終位移云圖可以清楚的看到土體的位移變化規(guī)律。隧道上面的土體向下沉降，底部土體向上回彈。

從圖5 隧道施工引起的樁基上方的地表沉降曲線可以看出，step5 開始，沉降越來越大，step37 時達(dá)到最大值27.5?？拷淼酪粋?cè)的土體變形大于另一側(cè)，最大沉降發(fā)生在隧道上方。并且離隧道中心線越遠(yuǎn)，其變形值越小。

圖4 盾構(gòu)開挖起始面最終位移云圖

圖5 不同施工階段的地表沉降曲線

4 結(jié)論

（1）隧道開挖對樁基及周圍土體有一定的影響，隧道深度范圍以內(nèi)，樁體變形相對較大，隧道周圍樁體變形較大，當(dāng)隧道開挖至樁基斷面附近時，樁基的變形發(fā)展相對較快。

（2）隧道開挖各步對樁的內(nèi)力變化有較大的影響，樁體軸力在樁頂處較大，隨著深度的增加變化很小，在10～15 m 范圍內(nèi)因土層沉降而使得樁軸力有較大的增加。

（3）樁周土層沉降曲線在樁中心處沉降值最大，兩側(cè)離樁軸線越遠(yuǎn)，其沉降值越來越小，符合peck所提出求解隧道開挖引起土體位移的正態(tài)分布計(jì)算方法。

（4）大連地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，城市地鐵盾構(gòu)開挖過程中所遇到的環(huán)境比較復(fù)雜，通過對大連地鐵旁穿橋梁樁基的數(shù)值模擬，對施工提供了理論依據(jù)、工程指導(dǎo)，同時也為大連地區(qū)同類型工程提供了指導(dǎo)借鑒作用。

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