盾構(gòu)隧道近距側(cè)穿施工對(duì)建筑物樁基的影響研究

劉先亮，王臨波

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州市 310023)

在城市地下隧道建設(shè)中，新建地下工程不可避免地與原有地下結(jié)構(gòu)相互影響，這必然會(huì)影響周圍建(構(gòu))筑物的安全使用。其中隧道側(cè)穿鄰近樁基的工程案例也越來(lái)越多。因此，研究隧道開(kāi)挖對(duì)樁基影響具有十分重要的工程意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面也做了不少的研究與探討[1-7]。如楊曉杰[1]采用三維拉格朗日有限差分法數(shù)值模擬方法，分析得到了位于隧道正上方近距樁受隧道上半部分開(kāi)挖的影響十分明顯。N. Loganathan等[2]通過(guò)離心機(jī)模型試驗(yàn)得出了隧道開(kāi)挖引起的擾動(dòng)對(duì)臨近樁基的影響。Chen L T等[3]也通過(guò)數(shù)值模擬研究過(guò)盾構(gòu)施工對(duì)樁的影響。

1 工程概況

以寧波市軌道交通4號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿寧波某金屬制品有限公司樁基工程為背景。如圖1和圖2所示，區(qū)間內(nèi)樁基采用振動(dòng)沉管灌注樁，樁長(zhǎng)31.2m，樁底標(biāo)高-33.1m；隧道側(cè)穿樁基，與樁基水平距離為1.60～11.60m，最小距離僅1.60m，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)。隧道近接施工將引起既有樁基產(chǎn)生較大的位移和反力，產(chǎn)生偏向隧道水平方向“拉伸”變形情況，嚴(yán)重影響樁基礎(chǔ)的安全使用。

區(qū)間隧道外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，左右線間距為12m，距樁基頂10.51～11.80m，如圖2所示。由上至下地層情況依次為：①雜填土②黏土③淤泥質(zhì)黏土④黏土⑤淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土⑥粉質(zhì)黏土⑦淤泥質(zhì)黏土⑧黏土。

圖1 隧道與樁基平面位置關(guān)系

圖2 隧道與樁基平面位置關(guān)系(單位：m)

2 計(jì)算模型概況

根據(jù)巖土勘察報(bào)告提供的地層參數(shù)，采用巖土有限元軟件Midas GTS NX，對(duì)某盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿寧波某金屬制品有限公司樁基工程施工進(jìn)行仿真模擬。

根據(jù)隧道與樁基、承臺(tái)的相對(duì)位置關(guān)系，建立100m×60m×40m(L×W×H)的數(shù)值模型，共有59361個(gè)單元，11323個(gè)節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖3。計(jì)算采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，3D計(jì)算模型土體分為8層，層厚、彈性模量、泊松比等具體土體參數(shù)見(jiàn)表1。盾構(gòu)和注漿采用2D板單元，厚0.06m，樁基位1D梁?jiǎn)卧瑯稄綖?.426m，長(zhǎng)31.2m。隧道與樁基位移關(guān)系及研究樁基編號(hào)見(jiàn)圖4。為了簡(jiǎn)化模型，將上部廠房轉(zhuǎn)換成均布荷載施加在承臺(tái)上，為23.47kN/m2。同時(shí)，為了探究注漿支護(hù)對(duì)樁基的影響，數(shù)值模型計(jì)算了兩種工況：未注漿工況和注漿支護(hù)工況。在模型中，隧洞一次盾構(gòu)開(kāi)挖，每步開(kāi)挖2m，盾構(gòu)設(shè)置和開(kāi)挖同步進(jìn)行，用改變單元屬性的方法反映盾構(gòu)的依次推進(jìn)并同時(shí)安裝襯砌管片。

圖3 三維計(jì)算模型

土層名稱層厚/m彈性模量/MPa泊松比μ密度ρ/(kg/m3)粘聚力c/kPa摩擦角φ/°①雜填土0.72.000.3119.0525②黏土1.613.860.3119.128.113.2③淤泥質(zhì)黏土1.98.070.3917.612.78.9④黏土0.99.480.3118.214.59.6⑤淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土9.38.520.3517.813.99.4⑥粉質(zhì)黏土7.811.440.3218.614.310.4⑦淤泥質(zhì)黏土5.88.220.3517.218.710.7⑧黏土12.08.730.3317.522.611.9

圖4 樁與隧道位置關(guān)系

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 隧道開(kāi)挖對(duì)樁基影響

圖5 樁基位移云圖

根據(jù)模擬設(shè)計(jì)方案，對(duì)盾構(gòu)近距側(cè)穿寧波某金屬制品有限公司樁基工程施工力學(xué)行為進(jìn)行了模擬計(jì)算。圖5顯示了隧道開(kāi)挖完成后的樁基位移變化情況，由圖5可知位移最大處發(fā)生在距離隧道最近的樁基處，距樁頂10.8m，最大位移為16.25mm；最小位移發(fā)生在距隧道遠(yuǎn)處的樁基的樁端位置，為7.46mm。在模型中，隧道中心距樁頂垂直距離為14.1m，而樁基位移集中處(即紅色區(qū)域)距樁頂約9～15m，即圖5表明樁基位移多發(fā)生在隧道拱頂附近的區(qū)域，并且離隧道越近，位移越大，這是因?yàn)樵谒淼篱_(kāi)挖時(shí)，地層土體向隧道徑向方向變形收斂，發(fā)生擾動(dòng)，使樁基產(chǎn)生變形，并且由于上部建筑物荷載作用，加劇了樁基位移。而最大位移值及最小位移值的位置表明樁基越靠近隧道，開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)樁基變形影響越大。

圖6 開(kāi)挖過(guò)程中樁基位移歷程曲線

因樁基數(shù)量過(guò)多，為節(jié)省篇幅，研究隧道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)樁基位移的影響，選取1#～5#號(hào)樁基進(jìn)行重點(diǎn)研究分析。所選樁基如圖4所示。

圖6為隧道在開(kāi)挖時(shí)，5根樁基的位移隨開(kāi)挖步增加而變化的位移曲線圖。1#樁在前期階段(1～7步)增長(zhǎng)幅度略大，而在中間階段(7～20)位移呈跳躍式上升，位移從3.58mm增至16.92mm，位移變化13.34mm，占1#樁基總位移的75.4%，并在21～30步開(kāi)挖中平緩上升至最大位移17.70mm，然后緩慢降低并漸漸趨于平穩(wěn)，最后開(kāi)挖完成后的位移值為16.25mm。相較于1#樁，2#樁基可以分為三個(gè)階段，即緩慢增長(zhǎng)階段、快速增長(zhǎng)階段、平穩(wěn)階段。2#樁在前期增長(zhǎng)幅度很小，1～11步僅增加1.48mm，而在11～29位移急劇增加，從1.48mm增加到14.93mm，增加13.45mm，占總位移86.4%，其后緩慢增加并平穩(wěn)波動(dòng)，至開(kāi)挖完成后，2#樁基位移為15.57mm。3#～5#樁與2#樁具有相似的位移趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)1#～5#樁的數(shù)據(jù)分析，可以看出樁基位移急劇增加的開(kāi)挖步范圍大致相等，約15步，而模型每步開(kāi)挖2m，并且影響范圍對(duì)稱分布，即影響樁基變形的開(kāi)挖范圍大致為樁基斷面前后15m。1#樁距初始開(kāi)挖面19.64m，接近位移快速增加的開(kāi)挖范圍，因此在前幾步范圍內(nèi)位移就有較大的增長(zhǎng)，也是1#樁與2#～5#樁的不同之處。因此，在開(kāi)挖距樁基位置15m范圍時(shí)，要注意盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)樁基的擾動(dòng)，及時(shí)支護(hù)與注漿，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，以減少開(kāi)挖對(duì)土體和樁基的擾動(dòng)。

3.2 注漿對(duì)樁基的影響

圖7 不同工況下的樁基位移歷程曲線

圖7為注漿和未注漿工況的1#樁的位移曲線圖。從圖中可以看出，兩者的位移曲線具有相同的趨勢(shì)。兩工況下的位移曲線在初期開(kāi)挖階段重合，表明在未進(jìn)入影響范圍時(shí)，無(wú)論注漿與否，初期開(kāi)挖對(duì)樁基位移的影響相同。但是在位移快速增加階段，未注漿的樁基位移明顯比注漿工況增加的快，至開(kāi)挖結(jié)束，未注漿工況下，樁基位移為18.29mm，注漿工況下，樁基位移為16.25mm，減少2.04mm，占比11.2%。經(jīng)分析可得，在注漿加固的情況下，加強(qiáng)了樁周土體的強(qiáng)度和剛度，降低樁的變形，表明了注漿加固有利于減小盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)樁基的擾動(dòng)，對(duì)樁基的整體穩(wěn)定性有著一定作用。

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)盾構(gòu)近距離側(cè)穿建筑物樁基的變形規(guī)律進(jìn)行了研究，得出如下主要結(jié)論：

(1)樁基與隧道的橫向距離直接影響樁基變形大小。數(shù)值模擬結(jié)果表明，開(kāi)挖完成后，樁基的位移最大值為16.25mm發(fā)生在最靠近隧道的1#樁上，距樁頂10.8m，接近隧道拱頂處。

(2)樁基位移的變化趨勢(shì)與盾構(gòu)和樁基的縱向距離密切相關(guān)：隨著盾構(gòu)逐步開(kāi)挖，樁基位移不斷增大，且在隧道距樁基前后15m范圍內(nèi)位移急劇增加，離開(kāi)開(kāi)挖影響范圍后，位移逐漸平穩(wěn)至固定值。因此，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)到樁基影響范圍時(shí)，要根據(jù)周邊監(jiān)測(cè)結(jié)果，合理調(diào)整盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)，防止樁基過(guò)度變形。

(3)盾構(gòu)開(kāi)挖注漿比不注漿樁基位移減少11.2%。表明注漿加固能大幅度地控制樁身變形。因此在盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)，需及時(shí)盾尾注漿，適時(shí)二次注漿。