隧道開挖過程中橋樁沉降機理研究

劉小四

(吉安市路橋工程局，江西 吉安 343000)

隧道開挖過程中橋樁沉降機理研究

劉小四

(吉安市路橋工程局，江西 吉安 343000)

主要從爆破施工動力響應(yīng)和盾構(gòu)推進中受力過程中來分析研究樁土的變形理論，首先采用經(jīng)典Peck理論來預(yù)測底層損失，其次經(jīng)爆破施工和盾構(gòu)推進中巖土與橋樁之間的作用，以GAP等理論為參考，探討樁土的相互作用理論。

盾構(gòu)法；路橋結(jié)構(gòu)；間隙參數(shù)

1 路橋爆破動力響應(yīng)研究

1.1 爆破應(yīng)力波傳播特征

彈性波能夠?qū)Φ孛娼ㄖ斐删薮蟮膿p傷。按裝藥形式的不同，在爆破時產(chǎn)生的波大致可分為兩類，一類是柱形波，一類是球面波。且沖擊波在傳播過程中逐漸衰減稱為應(yīng)力波，而應(yīng)力波在經(jīng)過衰減之后就稱彈性波。如圖1 彈性波在介質(zhì)中的反射和折射可知，彈性波在不同的介質(zhì)中傳播時，波的折射和反射情況不同，并且在波的傳播過程中伴隨著波型的轉(zhuǎn)換。

圖1 彈性波在介質(zhì)中的反射和折射

1.2 巖土影響特征

在進行爆破施工時，爆破波首先會沖擊到地面，之后會沿著地面?zhèn)鞑?，如圖 2 巖土爆破破壞圖所示。由圖2可知，炸藥爆炸之后，產(chǎn)生的高溫氣體帶著高壓會向周圍的巖土層擴散，巖土結(jié)構(gòu)內(nèi)部會受到強烈的壓縮，產(chǎn)生爆炸腔體，當腔體內(nèi)部的氣體壓力下降后，會沿著爆破波的反向中心傳播，使得巖石在兩種力的作用下被拉斷，在腔體周圍產(chǎn)生裂縫。破壞區(qū)以外力的作用減小，形成振動區(qū)，會誘導周圍巖石產(chǎn)生裂縫。當傳播到地面的爆破波振動頻率與巖土結(jié)構(gòu)自振動頻率相近，則建筑物會在共振作用下加劇破壞的速度。

圖2 巖土爆破破壞圖

2 地層形變與橋樁位移的影響

2.1 隧道開挖對橋樁作用的研究

衡量鄰近橋樁是否需要保護的評價標準是鄰近度的大小。橋梁鄰近度需要在大量工程實踐和經(jīng)過精密的理論計算之后得到，在國內(nèi)沒有一套完整的橋梁鄰近度的評價標準，只能借用日本的施工經(jīng)驗來說明隧道施工對橋樁的影響。橋樁與隧道及破裂面的相對位置大致可分為短樁、中長樁和長樁情形，由表 1 三種位置橋樁的下沉量和側(cè)移量可知，側(cè)移量的大小隨著橋樁的變長而變大，對于長樁來說產(chǎn)生的側(cè)移量最大，而下沉量的大小隨著橋樁的變長而變小，短樁由于整個樁身都處在隧道頂部之上，其產(chǎn)生的下沉量最大。

表1 三種位置橋樁的下沉量及側(cè)移量

2.2 上部荷載對橋樁的作用研究

在橋樁受到振動干擾時，會在樁體沉降過程中與周圍的土體發(fā)生接觸，產(chǎn)生靜力平衡。樁體的位移是樁身與土體在靜力平衡過程中產(chǎn)生的沉降，在這個過程中，樁身通過側(cè)摩阻力將力擴散到土體中去，如圖3 樁體作用力傳遞過程所示。由圖3可知，橋樁在受到上部力的作用后發(fā)生沉降變形，且樁體的土體經(jīng)過彈性變形、塑性變形之后，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 樁體作用力傳遞過程

3 盾構(gòu)推進中的受力分析

3.1 土壓與盾構(gòu)平衡原理及其受力狀態(tài)

由于在挖掘盾構(gòu)時對周圍土體產(chǎn)生了振動及破壞，使得土體的原始應(yīng)力發(fā)生改變，破壞了原始應(yīng)力，引發(fā)了土體的位移。如圖 4 隧道掌子面受力圖，當水壓及土壓共同作用時，會使得隧道的壓力劇增，產(chǎn)生超孔隙水壓力，還會對隧道產(chǎn)生持續(xù)性的作用，使得隧道位移發(fā)生變化。

圖4 隧道掌子面受力圖

3.2 盾構(gòu)施工的力學效應(yīng)

在實際施工過程中，由于力的作用，使得盾構(gòu)機的刀盤處在一個復雜的力的作用范圍，導致周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。在開始注漿之前，周圍土體和管片之間會形成空隙，使得土體會下沉出現(xiàn)卸荷現(xiàn)象。注漿時，在注漿壓力作用下，土體會逐漸向上位移，反復循環(huán)進行隧道的挖掘。盾構(gòu)機在進行隧道挖掘時受到的力有土體帶來的阻力也有機器本身的摩擦力，如表 2 盾構(gòu)機受力及來源所示，盾構(gòu)機主要受到來自土體的阻力。

表2 盾構(gòu)機受力及來源

4 結(jié) 論

(1)由于施工方法的不同導致隧道土體的損失，使得隧道周圍的土體及其橋樁建筑物的變形破壞。(2)爆破施工時，路橋建筑物的主要破壞因素為爆破產(chǎn)生的爆破波的振動，并非地層沉降。(3)盾構(gòu)施工時，土體在盾構(gòu)機力的作用下產(chǎn)生沉降，進而在土體沉降過程中帶動建筑物的位移變化。

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U456

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1008-3383(2017)11-0131-02

2017-06-23

劉小四(1974-)，男，江西吉安人，高級工程師，研究方向：公路工程。