匝道樁基施工對地鐵結(jié)構(gòu)變形的數(shù)值分析

朱紅霞，周文權(quán)，梁 橋

(1. 武漢地鐵集團有限公司, 武漢 430077; 2.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 湘潭 411104)

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匝道樁基施工對地鐵結(jié)構(gòu)變形的數(shù)值分析

朱紅霞1，周文權(quán)2，梁 橋2

(1. 武漢地鐵集團有限公司, 武漢 430077; 2.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 湘潭 411104)

針對番禺新光快速路匝道樁基穿越既有地鐵工程附近土層，通過建立三維有限元模型，分析了樁基施工過程對于既有地鐵結(jié)構(gòu)變形的影響.通過計算分析可知，樁基施工順序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)的變形、軸力和彎矩的影響都較小，說明樁基施工對隧道結(jié)構(gòu)沒有明顯影響.

樁基；地鐵結(jié)構(gòu)；隧道；數(shù)值分析

0 引 言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市化進程不斷加快，我國交通事業(yè)也得到了迅猛的發(fā)展[1,2]．以公路為主的地面交通網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，修建里程數(shù)不斷增加.同時，為緩解道路擁堵，解決交通和社會協(xié)調(diào)發(fā)展的問題，在一些經(jīng)濟發(fā)達大中型城市逐步形成了以地下鐵道為主的現(xiàn)代城市軌道交通格局[3].由于城市用地緊張，地鐵工程往往修建在公路下方，導(dǎo)致上部構(gòu)筑物和下部隧道工程出現(xiàn)相互影響的問題，如不處理好將對整個交通工程的安全帶來不利的影響[4,5].本文以番禺新光快速路匝道樁基施工為背景，采用數(shù)值模擬的方法就樁基施工對近距離既有地鐵結(jié)構(gòu)變形的影響進行分析，可為將來類似工程的設(shè)計、施工提供參考.

1 工程概況

擬建新光快速路南大路立交南側(cè)匝道工程位于番禺區(qū)大石禮村，其中該工程的ND、NF匝道由南大路開始，沿新光快速路兩側(cè)并行一段距離后與新光快速路既有路基相接.已建地鐵三號線“大石-漢溪”區(qū)間盾構(gòu)隧道由北向南從新光快速路下方穿過.ND、NF匝道由橋梁和路基組成，兩條匝道各設(shè)一座橋梁，基礎(chǔ)采用直徑1.2 m 的鉆孔灌注樁，采用旋挖鉆機成孔，樁長約25.0～32.0 m，樁底標高約-13.46～-20.32 m；位于地鐵上方的路基基底采用厚約3.0 m拋石擠淤或淺層換填的處理方式.經(jīng)核查，地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)與ND匝道橋墩基礎(chǔ)樁之間的最小水平凈距離約3.88 m，為樁基施工控制的關(guān)鍵位置，相應(yīng)范圍內(nèi)地鐵隧道結(jié)構(gòu)底與路基基底之間的最小垂直距離約8.2 m，相應(yīng)范圍內(nèi)地鐵隧道結(jié)構(gòu)頂標高約-4.21 m，底標高約-10.2 m.該工程線路和樁基的平面布置如圖1所示.

圖1 線路及樁基相對位置的平面布置圖

運營中的既有地鐵三號線是廣州市的重要交通生命線，安全性要求高.因此，在該匝道基礎(chǔ)工程施工期間，了解匝道基礎(chǔ)工程施工階段地鐵結(jié)構(gòu)及周邊地層動態(tài)變化，明確基礎(chǔ)工程施工對地鐵影響程度，把握施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)所處的安全狀態(tài)，對安全管理，避免出現(xiàn)工程安全事故無疑具有重要的現(xiàn)實意義.

2 建立幾何及材料模型

樁基礎(chǔ)與地鐵隧道距離最近的位置，其基礎(chǔ)施工對地鐵的影響勢必最大，此處是施工控制的關(guān)鍵位置.因此，本文對此關(guān)鍵位置進行有限元計算分析.采用Plaxis 3D Tunnel進行模擬計算.

此位置處有兩根單樁，地面高程為8.7 m ，穩(wěn)定水位深2.5 m ；兩根樁中心間距5.0 m，樁徑1.2 m，樁底標高-20.315 m；地鐵隧道直徑6.0 m，頂高程取-4.2 m,底高程取-10.2 m，管片厚度30 cm，地鐵上下行線的水平凈間距為7.0 m，豎向高程相同.為便于模擬，將圓形樁斷面等效為矩形斷面，采用等效剛度法，令兩種斷面情況下混凝土模量相等.根據(jù)面積相等，則式中，d為樁徑；l為換算的方形斷面邊長.

(1)

由式(1)得到等效的樁基方形斷面邊長l為1.063 m.

根據(jù)現(xiàn)場勘察資料，模擬采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)值參見表1，強風化的泥質(zhì)粉砂巖透水性比較好，可以認為在整個施工過程中都是排水的，但因地鐵隧道位于此巖土層中，為了考慮地鐵結(jié)構(gòu)與此巖土層存在的軟弱界面，在此另設(shè)一層泥質(zhì)粉砂巖，設(shè)定其界面強度折減因子Rinter=0.8，其他參數(shù)值與表1中的強風化泥質(zhì)粉砂巖相同；粉質(zhì)粘土位于地下水位以下，透水性較差，在樁基鉆孔施工中，鉆孔速度很快.因此在成孔施工階段，將粉質(zhì)粘土考慮為不排水狀態(tài)更符合工程的實際情況，故本文另定義一粉質(zhì)粘土層，材料類型為不排水，其他參數(shù)值與表1中粉質(zhì)粘土相同，用以模擬成孔時粉質(zhì)粘土層的不排水性質(zhì).樁基混凝土強度等級C25，物理力學(xué)參數(shù)取值參見表1；另外，本工程兩相鄰樁基的中心間距為5 m，為了防止后施工樁基施工對先施工已灌注混凝土樁基產(chǎn)生過大的不利影響，在已澆注的樁基混凝土強度達到75%設(shè)計強度的時候再施工另一臨近樁基，因此，定義另一混凝土材料，其彈性模量是表1中混凝土的75%，即2.1*107 kN/m2，用以模擬混凝土強度達到75%時的情況，其他參數(shù)取值與表1中混凝土材料相同.地鐵襯砌混凝土強度等級C50，用彈性板來模擬，材料性質(zhì)如表2所示.

表1 巖土體和混凝土材料性質(zhì)

表2 地鐵隧道襯砌材料性質(zhì)

按照上述建立的此處橫斷面的幾何和材料模型如圖2所示，此模型長50 m，深度方向深40 m；劃分單元后的三維幾何材料模型如圖3所示,采用15節(jié)點單元;考慮此模型在沿地鐵運行方向的對稱性，圖3中所示只取了一半模型.借助于合適的邊界條件來進行模擬，即樁基中心軸線對應(yīng)的隧道橫斷面沿一個方向拉伸建立三維模型，在此三維模型中，沿地鐵方向的長度為15 m，此方向樁基的等效邊長為原等效邊長的一半即0.532 m，需要說明的是，在未鉆孔前，模型中所示的樁基位置的材料仍是對應(yīng)的巖土體.此模型邊界采用標準固定邊界約束，即在模型底部施加完全固定約束，而模型側(cè)面施加滑動約束，即在深度方向可以自由發(fā)生變形.隧道襯砌及樁基邊緣是發(fā)生變形的關(guān)鍵部位，故對隧道內(nèi)部開挖的土體及樁位置處的土體在生成單元時進行了網(wǎng)格加密.

圖2 橫斷面模型圖

圖3 三維模型圖

3 初始條件

建立劃分單元的三維幾何材料模型后，就可以生成初始條件，即在地下水和土體自重作用下土體中水壓力和應(yīng)力的生成，因土體在自重作用下已經(jīng)歷漫長的過程，固結(jié)已經(jīng)完成，所以在生成初始條件時，所有的土體材料都是排水的，而結(jié)構(gòu)在這時是沒有被激活或不存在的.

4 施工階段的計算劃分

此過程采用分部施工的模擬方法，下一階段的計算基于上一階段計算完成后的土體和結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，采用增量法計算模擬.

第1階段：地鐵修建.凍結(jié)兩條隧道內(nèi)的土體模擬開挖，并激活地鐵襯砌結(jié)構(gòu)模擬襯砌修建，為了很好地模擬地鐵結(jié)構(gòu)與其周圍巖土體的相互作用，在襯砌外側(cè)設(shè)置了界面單元，因此，需要更改地層土的材料性質(zhì)，將底層土的材料更改為泥質(zhì)粉砂巖(Rinter=0.8).地鐵隧道修建完成至今已有很長的時間，因此，所有巖土體的材料類型均為排水的，但隧道內(nèi)的土體已開挖，應(yīng)設(shè)為干類組材料.最后，重新生成孔隙水壓力.

第2階段：右側(cè)樁基成孔.此過程是模擬樁基施工對既有隧道的影響，故此階段應(yīng)重置位移為0.凍結(jié)右側(cè)樁孔中的土體模擬開挖，樁基成孔采用旋挖鉆機施工，施工速度很快，而上部兩層土體的透水性較差，因此，可認為在此施工中上部兩層土體是不排水的，可通過將排水的填土和粉質(zhì)粘土分別修改為上述已定義過的不排水的填土和粉質(zhì)粘土.另外，旋挖施工中，有少量的泥漿，重度要稍大于水，故在凍結(jié)樁孔中土體的同時，在孔壁施加重度為10.5 kN/m3的液體壓力，在地面處液體壓力為0，則在孔底液體壓力則為304.5 kN/m3.最后，重新生成孔隙水壓力,如圖4所示.

圖4 第2階段孔隙水壓分布

第3階段：右側(cè)樁孔灌注混凝土.在這一階段，將原施加于孔壁的液體重度修改為24 kN/m3來模擬灌入的流體混凝土.

第4階段：右側(cè)樁基混凝土達到75%設(shè)計強度.在這一階段，激活右側(cè)樁孔中的土體材料并將其修改為已定義的75%設(shè)計強度的混凝土材料，并將其設(shè)為不含水的干類組材料.重新生成孔隙水壓力.

第5階段：在右側(cè)樁基混凝土達到75%設(shè)計強度時進行左側(cè)樁基成孔.這樣可以避免左側(cè)樁基施工對右側(cè)樁基產(chǎn)生過大的影響.凍結(jié)左側(cè)樁孔中的土體材料模擬其開挖并在孔壁施加重度為10.5 kN/m3的液體壓力.設(shè)定完成后，重新生成孔隙水壓力.

第6階段：左側(cè)樁孔灌注混凝土.這一過程與第3階段右側(cè)樁孔灌注混凝土的模擬相同.

第7階段：混凝土達到設(shè)計強度等級.這一階段，混凝土凝固達到設(shè)計強度，因此，將樁孔位置處的土體激活并將其修改為前述已設(shè)定好的混凝土材料，同時將混凝土材料設(shè)定為不含水的干類組材料，重新生成孔隙水壓力.另外，混凝土從灌注到凝固并達到設(shè)計強度，歷經(jīng)時間較長，應(yīng)認為所有材料都是排水的，因此，這一階段將上部兩層土體的材料再次修改為排水的.最后，重新生成孔隙水壓力.

為了對比兩根樁不同施工順序?qū)Φ罔F變形的影響，對先施工左側(cè)樁基再施工右側(cè)樁基的施工方案也進行了模擬，模擬的階段劃分與先施工右側(cè)樁基的相同，也分為7個施工階段.

5 模擬計算結(jié)果及分析

將先施工右側(cè)樁基的施工方案定為方案1，先施工左側(cè)樁基的定為方案2.

因右側(cè)隧道距離樁基位置最近，樁基的施工對其的影響比對左側(cè)隧道的要大，所以取右側(cè)隧道為分析對象.不同施工階段結(jié)束時樁基與地鐵最近位置處的橫斷面上(此橫斷面上地鐵隧道距離樁基最近，為最危險斷面)右側(cè)隧道結(jié)構(gòu)的變形見表3.

表3 各個施工階段結(jié)束時右側(cè)隧道結(jié)構(gòu)的累計最大位移

每個施工階段的累計最大位移反映了樁基施工對隧道結(jié)構(gòu)的影響程度，因此，將每個施工階段結(jié)束時的累計最大位移統(tǒng)計如表3所示，其累計最大位移大小的變化如圖5所示(因本文為分析樁基施工對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響，地鐵結(jié)構(gòu)已經(jīng)使用，所以第二階段開始的位移設(shè)為0).

圖5 各個施工階段結(jié)束時右側(cè)隧道結(jié)構(gòu)的累計最大位移

由圖5及表3中可以看出：

(1)方案二的施工引起的隧道結(jié)構(gòu)累計最大位移在施工中稍大于方案一，但樁基施工完成后兩施工方案引起的隧道結(jié)構(gòu)位移相同.

(2)第4階段和第7階段均是混凝土材料強度的形成時期，此階段對隧道結(jié)構(gòu)的位移影響很小，兩階段引起的隧道位移兩種方案均為0.01 mm，近似可以認為第4階段和第7階段的施工對隧道結(jié)構(gòu)變形沒有影響.

(3)第2階段方案一的累計位移略大于方案二的累計位移，說明樁基與隧道越近，其開挖對隧道結(jié)構(gòu)的變形影響越大.

(4)針對方案一，在右側(cè)樁基成孔后即第2階段完成時，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向樁基位置的位移，這是因為樁孔開挖導(dǎo)致了隧道右側(cè)應(yīng)力釋放的緣故，澆注混凝土后即第3階段隧道結(jié)構(gòu)又發(fā)生背離樁基方向的位移，是因為液體混凝土的重度大于原樁位處土體材料的，對孔壁土體產(chǎn)生了擠壓所造成的.而在第4階段完成時，混凝土強度達到其設(shè)計強度的75%這一過程引起的隧道結(jié)構(gòu)變形只有0.01 mm,對隧道結(jié)構(gòu)的變形幾乎沒有影響.第5階段開挖左側(cè)樁基又因隧道右側(cè)應(yīng)力釋放而使隧道向樁基位置產(chǎn)生了回移，但此階段累計位移依然背離樁基方向，第6階段左側(cè)樁基灌注混凝土又因混凝土對孔壁的擠壓作用而使隧道產(chǎn)生背離樁基位置的位移，第7階段混凝土強度上升期對隧道結(jié)構(gòu)的變形影響甚微.在第7階段完成時即兩樁基混凝土達到設(shè)計強度是隧道結(jié)構(gòu)累計位移達到最大0.42 mm.同樣，方案二的施工呈現(xiàn)與方案一同樣的規(guī)律，最大累計位移也發(fā)生在第7階段也為0.42 mm.

(5)總體看來，兩種施工方案對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響都很小，隧道產(chǎn)生的最大位移只有0.42 mm.

對于隧道內(nèi)力，施工過程中隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大內(nèi)力的階段應(yīng)為控制階段，用以判斷對隧道結(jié)構(gòu)的影響程度，兩種方案產(chǎn)生的最大累計軸力均發(fā)生在第7階段，如圖6所示.而產(chǎn)生的最大累計彎矩均發(fā)生在第2階段，如圖8所示.各個施工階段最大累計軸力的變化情況如表4和圖7所示；最大累計彎矩的變化情況如表5和圖9所示.

方案一(最大累計軸力893.94 kN/m) 方案二(最大累計軸力894.98 kN/m)

階段234567方案一累計最大彎矩變化值(kN/m)-1.623.293.43-5.518.9219.18累計最大彎矩變化率(%)-0.190.380.39-0.632.162.19方案二累計最大彎矩變化值(kN/m)-6.0116.5216.8714.7820.1620.22累計最大彎矩變化率(%)-0.691.891.931.692.302.31

注明：第1階段結(jié)束時隧道結(jié)構(gòu)最大軸力為874.76 kN/m 負值代表增加，正值代表減小

圖7 各個施工階段結(jié)束時右側(cè)隧道結(jié)構(gòu)的累計最大軸力變化(相對于第1階段)

方案一(最大彎矩66.89 kN·m/m) 方案二(最大彎矩67.18 kN·m/m)

階段234567方案一累計最大彎矩變化值(kN/m)0.41-0.94-0.94-0.15-1.71-1.64累計最大彎矩變化率(%)0.62-1.41-1.41-0.23-2.57-2.47方案二累計最大彎矩變化值(kN/m)0.70-0.98-0.88-0.44-1.72-1.73累計最大彎矩變化率(%)1.05-1.47-1.32-0.66-2.59-2.60

注明：第1階段結(jié)束時隧道結(jié)構(gòu)最大彎矩為66.48 kN·m/m，負值代表增加，正值代表減小

圖9 各個施工階段結(jié)束時右側(cè)隧道結(jié)構(gòu)的累計最大彎矩變化(相對于第1階段)

從圖6～圖9以及表4和表5我們可以看出：

(1)方案二引起的隧道累計最大軸力和累計最大彎矩要略大于方案一.但兩種方案引起的累計軸力和累計彎矩變化均很小，方案一和方案二引起的最大累計軸力變化率分別為2.19%和2.31%，最大累計彎矩變化率分別為0.62%和1.05%.并且產(chǎn)生最大累計軸力的施工階段(第7階段)彎矩的變化率呈現(xiàn)負值(意味著比第一階段的彎矩要小)，而產(chǎn)生最大累計彎矩的階段(第2階段)軸力的變化率呈現(xiàn)負值，因此可以認為兩種方案對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響均很小.

(2)針對方案一，軸力在開挖右側(cè)樁孔時減小，這是因為隧道附近土體卸載造成的，而在澆注時又增加，則是因為液體混凝土對隧道周圍土體起到了再加載的效應(yīng)，而混凝土強度上升期隧道軸力變化極其微小，可以近似認為沒有影響，緊接著施工左側(cè)樁基時也呈現(xiàn)處同樣的規(guī)律，原因也是如此.方案二軸力的變化規(guī)律與方案一相同，原因與方案一相同.

(3)彎矩的變化規(guī)律正好與軸力相反，對于方案一，在開挖樁孔時增加，這是因為開挖樁孔引起了隧道向著樁基方向的位移，導(dǎo)致了彎矩的增加，而灌注混凝土對孔壁土體產(chǎn)生擠壓使隧道回移并在背離樁基方向產(chǎn)生了位移，導(dǎo)致了彎矩的降低.方案二也是如此.

6 結(jié) 論

由上述數(shù)值模擬計算和分析，可以得到如下結(jié)論：

(1)方案一在施工過程中對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響要略小于方案二，但兩種方案最終對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響程度相同，均使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了0.42 mm的累計最大位移，對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響較小.

(2)樁基與隧道的距離不同，開挖樁孔時引起的隧道結(jié)構(gòu)變形也不同，距離越小，開挖引起的隧道結(jié)構(gòu)變形也越大.

(3)兩種方案所引起的隧道結(jié)構(gòu)變形隨施工階段變化的原因是挖孔和澆注混凝土對隧道周圍土體產(chǎn)生了卸載和加載效應(yīng)所引起的.

(4)兩種施工方案對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較小.方案一和方案二引起的最大累計軸力變化率分別為2.19%和2.31%，最大累計彎矩變化率分別為0.62%和1.05%.并且產(chǎn)生最大累計軸力的階段彎矩的變化率呈現(xiàn)負值，產(chǎn)生最大累計彎矩的階段軸力的變化率同樣呈現(xiàn)負值.

(5)兩種施工方案累計軸力隨施工階段的變化規(guī)律和累計彎矩相反.累計軸力和累計彎矩的變化均是因為挖孔和澆注混凝土對隧道周圍土體產(chǎn)生了卸載和加載效應(yīng)所引起的.

(6)總體看來，無論哪種施工方案，對隧道結(jié)構(gòu)的變形、軸力和彎矩的影響都較小，說明樁基施工對隧道結(jié)構(gòu)的影響比較小.

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Numerical Analysis of Subway-structural Deformation for Ramp Pile Foundation Construction

ZHU Hong-xia1,ZHOU Wen-quan2,LIANG Qiao2

(1.Wuhan Metro Group Co., Ltd，Wuhan 430077, China;2.School of Architecture and Civil Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

Based on the ramp piles of Xin-guang freeway in Pan-yu passing the soil layer near the existing subway project, a 3D- FEM model is built to analyze the effects of pile construction process for the existing metro structural deformation. Analysis result shows that the deformation, axial force and bending moment of existing tunnel structure are small for pile foundation construction sequence.

pile; subway structure; tunnel; numerical analysis

2014-09-16

湖南省高校科研項目(12C0621).

朱紅霞(1970-),男，高級工程師，碩士，研究方向：地鐵工程.

TU455.43

A

1671-119X(2015)01-0070-06