淺析盾構(gòu)施工對(duì)高架橋樁基的影響

倪煌俊,嚴(yán)峻

（1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230001；2.中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

隨著城市地鐵建設(shè)的發(fā)展，加之城市本身復(fù)雜的特性，原有的城市高架橋與新建地鐵隧道不可避免的會(huì)交織在一起，相互間會(huì)產(chǎn)生一定的影響[1]。當(dāng)隧道與高架橋接近時(shí)，既有高架橋會(huì)受到新建隧道的施工產(chǎn)生不利影響，造成高架橋承載能力下降，或因不均勻沉降造成高架橋破損或不能正常使用等問題[2]，同時(shí)也妨礙了隧道的安全施工。本文所選取的樁均為端承樁，盾構(gòu)法施工時(shí)樁體應(yīng)力基本上沒有什么變化，本文不做過多的討論，計(jì)算時(shí)從樁頂位置開始，每2m為一個(gè)間距在樁身布置觀測(cè)點(diǎn)，分析盾構(gòu)法施工對(duì)高架橋樁基位移的影響。

1 工程概況及模型參數(shù)

1.1 工程概況

圖1 樁體與盾構(gòu)位置關(guān)系圖

本文依托合肥市地鐵一號(hào)線馬鞍山路段中盾構(gòu)下穿馬鞍山路高架橋。地鐵盾構(gòu)隧道直徑為6.0m，襯砌為0.3m，注漿層厚度為0.15m，埋深為12m。依據(jù)隧道開挖的影響范圍，參考既有的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際的工程條件，左右邊界取為隧道外徑的3倍，即18m，模型底部取距隧道中心27m，最后整個(gè)計(jì)算模型寬42m、高40m，縱向長度為40m（每環(huán)管片幅寬1.0m）。所以模型尺寸為42m×40m×40m,其中水平y(tǒng)方向?yàn)?2m,數(shù)值y方向?yàn)?0m（樁長方向），z方向（隧道掘進(jìn)方向）為40m。樁端為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的持力層且樁端進(jìn)入巖層至少2m，為端承樁，樁長27m，樁頂荷載擬取1800kN。樁洞距s，即樁距離盾構(gòu)中心的距離取s=9m[3]（見圖1）。

1.2 相關(guān)參數(shù)

1.2.1 土體數(shù)值相關(guān)參數(shù)

1.2.2 管片及樁體相關(guān)參數(shù)

隧道襯砌結(jié)構(gòu)用的管片采用C50混凝土材料制作而成，數(shù)值模擬時(shí)將襯砌結(jié)構(gòu)管片單元設(shè)置為孔模型（Null）。在進(jìn)行管片模擬支護(hù)時(shí)，將盾構(gòu)管片設(shè)置為各向同性彈性模型（Elastic)，管片及樁體相關(guān)參數(shù)（見表2、表3）。

土體數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù) 表1

盾構(gòu)管片混凝土材料計(jì)算參數(shù) 表2

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 模型的建立

根據(jù)上述說明，建立下圖的三維數(shù)值計(jì)算模型（見圖2、圖3）。為方便模擬計(jì)算，隧道的縱向施工長度為2.0m/次。

圖2 整體模型圖

圖3 管片與樁的關(guān)系圖

2.2 計(jì)算結(jié)果

盾構(gòu)開挖面到觀測(cè)截面的水平距離為H，當(dāng)H的數(shù)值為正，說明盾構(gòu)機(jī)朝著樁體的位置進(jìn)行推進(jìn)；當(dāng)H的數(shù)值為負(fù)，說明盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)離開樁體所在位置并逐漸遠(yuǎn)離樁體。通過計(jì)算得出盾構(gòu)在 H=14m、H=8m、H=2m、H=-16m、H=-20m時(shí)的樁體所在截面的土體豎向位移圖（見圖4～圖8）。

圖4 H=14m時(shí)樁體所在截面的土體豎向位移圖

圖5 H=8m時(shí)樁體所在截面的土體豎向位移圖

圖7 H=-16m時(shí)樁體所在截面的土體豎向位移圖

圖6 H=2m時(shí)樁體所在截面的土體豎向位移圖

當(dāng)開挖完成后，根據(jù)不同H時(shí)的土體豎向位移圖，提取相關(guān)位置觀測(cè)點(diǎn)的變化，得出不同施工階段的地表沉降曲線（見圖 9）。

圖8 H=-20m時(shí)樁體所在截面的土體豎向位移圖

圖9 不同施工階段的地表沉降曲線

由圖9可知，盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響，一般呈現(xiàn)出隨著開挖步距的推進(jìn)，地表沉降逐漸增大的規(guī)律。另外，地表沉降發(fā)生最大沉降通常在盾構(gòu)樁體所在的位置，即當(dāng)H=-20m（即完成整個(gè)模型的開挖）時(shí)，此時(shí)的地表沉降最大為14.094mm，方向豎直向下。

通過計(jì)算得出不同施工階段沿樁身方向樁體豎向位移與水平位移變化規(guī)律（見圖10～圖11）。

由圖10可知，由于樁體本身的剛度比較大，所以樁體在豎直方向上的位移很小，且沿樁身方向遞減，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的最主要的原因是由于樁體底部因土體位移使樁體在水平方向上發(fā)生了撓曲變形。樁頂?shù)淖畲蟪两蛋l(fā)生在盾構(gòu)施工完成后，大致為1.7174mm，方向豎直向下。

由圖11可知，樁體水平位移大致呈現(xiàn)出沿樁身方向逐漸減小的趨勢(shì)，埋深約為15m時(shí)，樁體水平位移隨著深度的增加而增大，當(dāng)?shù)铰裆罴s為20m時(shí)，樁體水平位移又逐漸減小。各施工階段的最大水平位移均發(fā)生在樁頂部附近，最大為-2.166mm，結(jié)合端承樁自身的特點(diǎn)以及樁端處有堅(jiān)實(shí)的巖層支撐的緣故，所以樁端處基本不發(fā)生水平位移，可認(rèn)為水平位移為0mm。

當(dāng)H=14m時(shí)，樁體的水平方向位移從樁頂至樁底基本上沒有太大的變化，基本上呈直線的狀態(tài),能夠說明此時(shí)的盾構(gòu)施工并未對(duì)樁體水平位移造成影響。當(dāng)H=8m時(shí)，樁頂水平位移最大，位移值為-1.4583mm，說明盾構(gòu)施工已經(jīng)對(duì)樁體的水平位移造成影響。H=2m時(shí)，此時(shí)的盾構(gòu)施工的開挖面已經(jīng)非?？拷鼧扼w，樁頂水平位移為-1.7697mm。H=-16m時(shí)，此時(shí)的盾構(gòu)施工的開挖面已經(jīng)遠(yuǎn)離樁體所在位置，樁頂水平位移為-2.166mm。H=-20m，樁頂水平位移為-2.0815mm。相對(duì)H=-16m時(shí)變化很小，說明此時(shí)盾構(gòu)施工對(duì)樁體影響已經(jīng)很小。

圖10 樁體豎向位移圖

圖11 樁體水平位移圖

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用有限差分法模擬盾構(gòu)施工對(duì)高架橋樁基的影響，分析了盾構(gòu)施工時(shí)地表沉降、樁體豎向和水平位移的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

①盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響，一般呈現(xiàn)出隨著開挖步距的推進(jìn)，地表沉降逐漸增大的規(guī)律，隨著樁離盾構(gòu)中心線距離增大而逐漸變小，地表沉降曲線形式與數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的正態(tài)分布曲線形式相似。當(dāng)S=9m時(shí)地表最大沉降為-14.094mm。

②盾構(gòu)施工對(duì)樁體水平位移的影響要大于豎向位移，樁體自身的位移且遠(yuǎn)小于樁基附近地表沉降。

③盾構(gòu)施工時(shí)，樁體水平位移在樁體頂部最大，沿樁身方向水平位移逐漸變小，但到當(dāng)樁體埋深15m時(shí)，即與盾構(gòu)中心線在同一水平線上時(shí)是一個(gè)拐點(diǎn)，沿樁身方向逐漸增大，至埋深約20m時(shí)，由于遇到巖層，樁體水平位移沿樁身方向遞減，最后在樁端為0。

[1]侯玉偉.盾構(gòu)隧道側(cè)向穿越樁基時(shí)對(duì)樁體土體及地面變形的影響[J].城市軌道交通研究,2010(5).

[2]劉庭金，魏立新，房營光，等.隧道建設(shè)對(duì)緊鄰高架橋影響的三維數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2008(5)．

[3]孫宗軍.盾構(gòu)施工與樁基礎(chǔ)相互作用的三維力學(xué)分析與研究[D].南京：東南大學(xué)，2005.