小半徑近距離盾構(gòu)隧道側(cè)穿高架樁基影響研究

王春凱

（上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院,上海市200125）

小半徑近距離盾構(gòu)隧道側(cè)穿高架樁基影響研究

王春凱

（上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院,上海市200125）

以上海市軌道交通某盾構(gòu)區(qū)間隧道側(cè)穿內(nèi)環(huán)高架橋樁基為背景，通過有限元數(shù)值模擬，分析盾構(gòu)隧道穿越施工引起的樁基豎向位移、水平位移及傾斜率。研究表明：使用有限元軟件模擬盾構(gòu)穿越施工，可以較好地得到盾構(gòu)隧道穿越引起的鄰近橋樁變形量，以及樁基變形變化趨勢；計算結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比表明，在采取可靠措施的前提下，盾構(gòu)隧道施工引起的鄰近樁基豎向變形、傾斜，在樁基變形允許范圍內(nèi)，滿足高架橋正常運營要求；小半徑盾構(gòu)隧道施工，需嚴格控制地層損失率，避免糾偏量過大、過猛。

盾構(gòu)隧道；高架橋樁；有限元計算；樁基沉降

0 引言

盾構(gòu)法施工是我國各大城市軌道交通區(qū)間隧道常用的工法，隨著城市軌道交通的大力發(fā)展，中心城區(qū)盾構(gòu)隧道施工越來越普遍，隨之而來的是沿線障礙物對盾構(gòu)隧道實施的限制，以及盾構(gòu)隧道施工對周邊地下建（構(gòu)）筑物的保護。其中較為典型的一種情況是盾構(gòu)隧道穿越高架橋樁，因高架橋樁對豎向及側(cè)向變形要求較高，因此對盾構(gòu)隧道鄰近穿越提出了較高的變形控制要求。

隨著盾構(gòu)隧道鄰近穿越高架橋樁基的情況增多，更多的從業(yè)者針對盾構(gòu)隧道施工引起的樁基變形、樁基力學性能改變等進行了深入的研究。M o r to n等通過市內(nèi)試驗研究了隧道施工對樁基承載力和沉降的影響。研究結(jié)果表明隧道施工會對樁基產(chǎn)生嚴重的影響，隧道施工對軟弱土層中的近鄰樁基和位于其上的樁基的影響是要考慮的重要因素[1]。楊永平、朱逢斌、凌燕婷、侯玉偉等人針對盾構(gòu)隧道近距離穿越樁基，采用莫爾-庫侖彈塑性屈服準則，建立有限元數(shù)值模型，對盾構(gòu)穿越引起的樁基變形和內(nèi)力進行分析[2-5]。吳劭旸通過三維有限元計算，分析大直徑泥水盾構(gòu)近距離側(cè)穿樁基引起的樁基變形及地面沉降，并將數(shù)值計算結(jié)果與施工實測數(shù)據(jù)進行比對，研究盾構(gòu)穿越引起的變形規(guī)律[6]。周冠南等通過有限元數(shù)值計算，除研究盾構(gòu)穿越樁基施工對樁基變形影響外，對盾構(gòu)穿越施工引起樁基框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化做了分析[7]。

本文以上海市軌道交通某盾構(gòu)隧道在小半徑曲線段近距離穿越內(nèi)環(huán)高架橋樁基為背景，建立有限元數(shù)值模型，分析盾構(gòu)隧道施工對鄰近樁基的影響，并與實測數(shù)據(jù)進行比較，得出相應(yīng)結(jié)論。為以后類似工程提供借鑒。

1 工程背景

本文以上海市軌道交通某盾構(gòu)區(qū)間隧道側(cè)穿內(nèi)環(huán)高架橋樁基為背景，研究盾構(gòu)隧道小半徑近距離側(cè)穿對橋樁的影響。

1.1 盾構(gòu)穿越情況

采用裝配式通縫拼裝襯砌管片，隧道外徑6.2m，內(nèi)徑5.5 m，管片厚度350 mm，環(huán)寬1.2 m。穿越段隧道中心水平間距約20.5 m，隧頂埋深約17.8 m。穿越段盾構(gòu)隧道位于小半徑圓曲線上，上行線曲線半徑為380 m，下行線曲線半徑為420 m。

盾構(gòu)隧道穿越的中山南二路內(nèi)環(huán)高架建于20世紀90年代，高架橋樁基為直徑1 m的鉆孔灌注樁，樁底標高-41.2 m。上行線區(qū)間隧道與樁基最小凈距為1.75 m，下行線區(qū)間隧道與樁基最小凈距為1.76 m。穿越段近似正交。

盾構(gòu)隧道穿越內(nèi)環(huán)高架平、剖面圖分別如圖1和圖2所示。

1.2 穿越段地層情況

區(qū)間隧道穿越高架橋樁段盾構(gòu)隧道全斷面位于⑤1-1黏土層中，該層呈軟至流塑狀，有含水量高、孔隙比大、強度低、壓縮性高等特點，是上海盾構(gòu)施工經(jīng)常遇到的典型軟土地層。其地層特性見表1。

圖1 盾構(gòu)隧道穿越內(nèi)環(huán)高架橋樁基節(jié)點平面圖

圖2 盾構(gòu)隧道穿越內(nèi)環(huán)高架橋樁基節(jié)點剖面圖

表1 地層參數(shù)表

盾構(gòu)隧道在這種典型的軟土地層中施工，易因機械擠壓、動力觸動影響土體的力學參數(shù)，對軟黏土的擾動影響非常明顯，可能造成嚴重的環(huán)境危害問題。

1.3 內(nèi)環(huán)高架橋樁基允許變形要求

因被穿越的內(nèi)環(huán)高架為市區(qū)重要的主干道路，盾構(gòu)隧道穿越施工引起的允許變形量必須經(jīng)得權(quán)屬單位認可。經(jīng)與權(quán)屬單位溝通及查閱相關(guān)規(guī)范，盾構(gòu)隧道施工引起內(nèi)環(huán)高架橋樁基允許變形量要求如下：

（1）樁基沉降：單次量不大于2 mm，累計變形量不大于5 mm。

（2）樁基傾斜不大于1/3 500。

盾構(gòu)隧道設(shè)計及施工中應(yīng)嚴格按照上述允許變形要求進行考慮。

1.4 穿越施工控制措施

（1）區(qū)間穿越高架橋段設(shè)計已采用增設(shè)注漿管管片，施工中需加強監(jiān)測，做到“勤量測、速反饋”，若監(jiān)測表明變形量接近或達到控制標準，及時進行二次注漿，并按“多點、均勻、少量、多次”的原則有序進行，直至土體變形穩(wěn)定，以此來控制高架橋樁基變形。

（2）設(shè)置試驗段，采用信息化施工，盾構(gòu)推進過程中不斷調(diào)整和優(yōu)化施工參數(shù)。

（3）穿越段區(qū)間位于曲線上，盾構(gòu)機穿越過程中在不斷調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，對控制變形不利，更需嚴格控制地層損失率，盡量減小變形。

（4）控制好盾構(gòu)姿態(tài)，勻速、連續(xù)地推進，減小變速推進對周圍土體的擾動。

（5）嚴格控制管片拼裝精度，確保防水材料處于最佳工作狀態(tài)，防止管片滲漏水造成上方土體的沉降。

（6）盾構(gòu)推進過程中及時填充隧道襯砌壁后空隙，控制注漿壓力和注漿量。

（7）加強對高架橋樁基的變形監(jiān)測，根據(jù)現(xiàn)場情況建議對穿越節(jié)點做深層土體位移監(jiān)測。如發(fā)生較大變形及時反饋并調(diào)整施工參數(shù)。

（8）高架橋樁基預警值為變形控制值的0.7倍。當變形量超過預警值時，及時查明原因，采取有效措施防止變形繼續(xù)發(fā)展。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

選取盾構(gòu)隧道穿越橋樁斷面進行數(shù)值模擬，應(yīng)用有限元軟件P l a x is建模，考慮盾構(gòu)施工影響范圍，模型尺寸取100 m×50 m（X×Y）,計算范圍內(nèi)的土體按照實際穿越的地層選取，采用15節(jié)點三角形單元模擬；樁基及盾構(gòu)隧道均采用8節(jié)點線彈性板單元模擬；條基-土、襯砌-土之間設(shè)置接觸面單元，用二維G oo d m a n單元來模擬，以更好地模擬條基-土、襯砌-土之間的相互作用狀況；在幾何模型底部施加完全固定約束，在兩側(cè)施加豎直滑動約束，在模型上表面取為自由邊界。

樁基模擬時，將空間問題簡化為平面應(yīng)變問題，根據(jù)剛度等效原則將樁基簡化為樁墻，建模時對樁身彈性模量進行折減的方法模擬樁基[8]。

盾構(gòu)隧道掘進過程為先上行線開挖，后下行線開挖，盾構(gòu)隧道開挖通過“殺死”單元實現(xiàn)。計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

2.2 參數(shù)選擇

計算模型中，土層按照工程實際地層參數(shù)選取，土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型。橋樁、承臺采用板單元模擬，樁頂與承臺采用剛接進行計算。

土層參數(shù)見表2。

表2 土層參數(shù)

結(jié)構(gòu)物參數(shù)見表3。

表3 結(jié)構(gòu)物參數(shù)

2.3 模擬過程

計算模擬盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越內(nèi)環(huán)高架施工引起樁基變形情況，計算過程按照實際施工過程模擬，先施工上行線區(qū)間隧道，后施工下行線區(qū)間隧道。

計算過程中不考慮地面荷載及自重情況下高架橋樁基已經(jīng)產(chǎn)生的先期位移，只考慮區(qū)間盾構(gòu)隧道施工引起的附加位移。

本次分析取地層損失率為4‰進行計算，分4個工況進行分析，具體如下：

工況1：初始地應(yīng)力計算，位移清零。

工況2：高架橋樁基完成，位移清零。

工況3：盾構(gòu)區(qū)間上行線隧道開挖，襯砌完成。

工況4：盾構(gòu)區(qū)間下行線隧道開挖，襯砌完成。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

經(jīng)計算，盾構(gòu)隧道施工引起的高架橋樁基附加變形結(jié)果如下：

3.1 上行線區(qū)間隧道施工

本工況分析上行線區(qū)間隧道穿越施工后引起的變形，如圖4～圖6所示。

圖4 上行線區(qū)間隧道施工引起周邊變形

圖5 上行線區(qū)間隧道施工引起樁基水平變形

圖6 上行線區(qū)間隧道施工引起樁基豎向變形

根據(jù)計算結(jié)果，上行線施工引起高架橋樁基附加最大水平位移為1.5 mm，樁基傾斜為1/14 100，附加豎向位移為1.7 mm。

3.2 下行線區(qū)間隧道施工

本工況分析下行線區(qū)間隧道穿越施工后引起的變形，并考慮上行線施工變形的疊加，如圖7～圖9所示。

圖7 下行線區(qū)間隧道施工引起周邊變形

圖8 下行線區(qū)間隧道施工后樁基水平變形

圖9 下行線區(qū)間隧道施工引起樁基豎向變形

根據(jù)計算結(jié)果，下行線施工引起的高架橋樁基附加最大水平位移為2.0 mm，樁基傾斜度為1/10 150，附加豎向位移為2.1 mm。

根據(jù)上述結(jié)果可知，盾構(gòu)隧道施工引起的高架橋樁基最大豎向位移約3.8 mm，最大水平位移約3.5 mm，樁基傾斜＜1/6 000。故盾構(gòu)隧道施工產(chǎn)生的影響在高架橋樁變形允許范圍之內(nèi)，對其影響可控，滿足中山南二路內(nèi)環(huán)高架正常運營的需要。

4 穿越施工及實測數(shù)據(jù)

上行線盾構(gòu)隧道先行穿越，間隔32 d后，下行線盾構(gòu)隧道穿越。穿越期間盾構(gòu)土壓力值控制在0.17～0.18 MPa，推力控制在18 000 k N，推進速度平均為2.5 c m/m in。穿越后及時對影響段區(qū)間隧道進行二次注漿，據(jù)施工記錄，上行線盾構(gòu)穿越后30 d，共進行二次注漿78次，注漿量共計42 m3；下行線盾構(gòu)穿越后30 d，共進行二次注漿80次，注漿量共計43.5 m3。

盾構(gòu)隧道掘進施工過程中，通過對鄰近樁基布設(shè)變形監(jiān)測點進行監(jiān)測。相關(guān)測點布置如圖10所示。

圖10 監(jiān)測點布置圖

選擇鄰近盾構(gòu)隧道穿越的樁基沉降觀測點，共3組，分別為G4/G6/G8、G3/G5/G7、G9/G10/G11。整理上行線、下行線盾構(gòu)隧道依次穿越施工后引起的樁基沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖11所示。

由圖11可見，盾構(gòu)隧道刀盤掘進接近樁基時，可以看到樁基豎向變形有受擠壓上抬的趨勢，待盾尾脫出樁基范圍后，樁基豎向變形下沉，通過管片二次注漿使樁基變形趨于平穩(wěn)。

上行線盾構(gòu)隧道穿越，引起鄰近樁基最大沉降值約為2 mm；下行線盾構(gòu)隧道穿越后，引起的總沉降約4.4 mm。樁基的變形在允許變形范圍內(nèi)，且與數(shù)值模擬的結(jié)果較為接近。

5 結(jié)語

本文通過有限元數(shù)值計算，就盾構(gòu)隧道穿越內(nèi)環(huán)高架橋樁基施工進行模擬，分析盾構(gòu)隧道穿越對橋樁的影響。結(jié)合施工實測數(shù)據(jù)，分析盾構(gòu)隧道穿越效果。主要得到以下結(jié)論：

圖11 樁基沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

（1）使用有限元軟件模擬盾構(gòu)穿越施工，可以較好地得到盾構(gòu)隧道穿越引起的鄰近橋樁變形量，以及樁基變形變化趨勢，以此分析盾構(gòu)穿越施工對橋樁的影響。

（2）數(shù)值計算結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比表明，在采取可靠措施前提下，盾構(gòu)隧道施工引起的鄰近樁基豎向變形、傾斜，在樁基變形允許范圍內(nèi)，滿足高架橋正常運營要求。

（3）小半徑盾構(gòu)隧道施工，需嚴格控制地層損失率，避免糾偏量過大、過猛。

[1]M O R T O N J D，K I N G K H.E ff e c t s o f t u nn el in g o n t h e b e a r in g c apa ci t y a nd s ettle m e n t o f p i le d f o u nd a t i o ns[C]//T u nn el in g 1979. P r o c ee din g s o f t h e 2nd In te r n a t i o n a l S y m p o si u m.L o nd o n,1979：51-68.

[2]楊永平，周順華，莊麗.軟土地區(qū)地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道近接樁基數(shù)值分析[J].地下空間與工程學報,2006,2(4):561-565.

[3]朱逢斌，楊平，O N G C W.盾構(gòu)隧道開挖對鄰近樁基影響數(shù)值分析[J].巖土工程學報,2008,30(2):298-302.

[4]凌燕婷.盾構(gòu)隧道施工對臨近樁基影響數(shù)值分析[J].廣東公路交通,2009(3):69-71.

[5]侯玉偉.盾構(gòu)隧道側(cè)向穿越樁基時對樁體土體及地面變形的影響[J].城市軌道交通研究,2010,13(5):71-74.

[6]吳劭旸.大直徑盾構(gòu)穿越樁基時對樁體及地面變形的影響[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2011(31):91-93.

[7]周冠南，周順華.盾構(gòu)隧道施工對短樁基-框架結(jié)構(gòu)的影響[J].中國鐵道科學,2009,30(4):51-57.

[8]孟宇，毛毳，吳素瓊，陳悅，李娜.鋼筋混凝土靜力等效簡化模型的數(shù)值模擬[J].天津城市建設(shè)學院學報,2011,17(1):21-24.

U455

B

1009-7716（2017）06-0282-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.083

2017-03-06

王春凱（1985-），男，上海人，工程師，從事地下結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。