豎向荷載作用下盾構(gòu)開挖引起的樁身豎向響應(yīng)分析

魏世廣 蔣敏敏 肖昭然 周長明

(河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 鄭州 450001)

隨著城市地下工程的大規(guī)模建設(shè)，不少地鐵盾構(gòu)隧道會(huì)穿越鄰近既有高層建筑和高架橋梁的樁基礎(chǔ)．盾構(gòu)開挖造成樁體周圍土體的擾動(dòng)，改變了原有的地基位移場，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)產(chǎn)生附加變形及內(nèi)力，進(jìn)而影響到上部結(jié)構(gòu)的安全，因此，研究不同影響因素下盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近樁基的響應(yīng)具有重要意義．

針對(duì)盾構(gòu)施工引起的鄰近樁基響應(yīng)，Loganathan等[1]通過離心試驗(yàn)和理論分析，研究了盾構(gòu)開挖引起的鄰近樁基軸力及彎矩計(jì)算方法．熊巨華等[2]采用兩階段分析法，基于荷載傳遞法和Winkler地基模型，通過迭代得到了隧道開挖與鄰近單樁相互作用的彈塑性解答．王炳軍等[3]采用FINAL軟件建立有限元模型，分析了樁隧距離、樁端位置對(duì)樁體內(nèi)力及變形的影響．朱逢斌等[4-5]通過數(shù)值模擬與離心試驗(yàn)研究了土體模量、上部荷載等參數(shù)的變化對(duì)群樁工作性狀的影響．王麗等[6-7]采用有限元法研究了盾構(gòu)開挖對(duì)群樁沉降、變形以及樁側(cè)摩阻力的影響規(guī)律，并通過改變隧道位置分析了盾構(gòu)開挖對(duì)鄰近樁基的影響．黃飛[8]采用單因素分析法通過FLAC3D有限差分軟件，研究了樁徑、樁長以及上部荷載等參數(shù)的變化對(duì)樁基內(nèi)力及變形特征的影響．王立峰[9]采用數(shù)值模擬與正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了盾構(gòu)開挖對(duì)鄰近樁基沉降的影響因素，提出了樁基鄰近度的概念，并按照鄰近度方法將樁基礎(chǔ)分成4類．徐長節(jié)等[10]通過現(xiàn)場測試和數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)杭州地鐵1號(hào)線下穿立交橋問題進(jìn)行了研究，得出了樁基上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形規(guī)律．漆偉強(qiáng)等[11]通過有限元數(shù)值法研究了北京地鐵16號(hào)線近距離側(cè)穿肖家河立交匝道橋的問題，分析了盾構(gòu)開挖中樁基的縱橫向變形以及沉降規(guī)律．孫雪兵等[12]采用三維彈塑性有限元法，研究了武漢地鐵三號(hào)線盾構(gòu)施工對(duì)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)變形的影響．目前國內(nèi)外學(xué)者[13-17]已經(jīng)對(duì)盾構(gòu)開挖引起的樁身內(nèi)力及變形研究取得了很大的進(jìn)展，但目前的研究往往忽略了上部豎向荷載的作用，實(shí)際工程中上部豎向荷載不可避免地對(duì)樁基軸力及豎向位移產(chǎn)生較大的影響．

本文針對(duì)鄭州軌道交通4號(hào)線盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿擬建賈魯河大橋問題，對(duì)比分析了樁頂無豎向荷載時(shí)樁身內(nèi)力、變形的計(jì)算與實(shí)測結(jié)果，并通過MIDAS有限元程序?qū)Χ軜?gòu)施工全過程進(jìn)行了模擬，得出了不同豎向荷載、不同隧道埋深下鄰近樁基的軸力及豎向位移的變化規(guī)律．

1 工程概況及測點(diǎn)布設(shè)

賈魯河大橋鄰近鄭州軌道交通4號(hào)線安順路站與關(guān)陳車輛出入段線區(qū)間隧道，全長184.2 m，為6～30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，橋墩承臺(tái)尺寸為5.4 m×5.4 m×2 m，承臺(tái)下方布置4根直徑為1.2 m的圓樁構(gòu)成群樁基礎(chǔ)，樁長為53 m．?dāng)M建地鐵4號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間基本平行于賈魯河大橋，受周邊環(huán)境及線路走向限制，區(qū)間左線距離樁基最小距離為1.3 m．隧道開挖采用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工，管片外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，環(huán)寬1.5 m．盾構(gòu)隧道與橋樁的位置關(guān)系如圖1所示．

圖1 橋隧空間位置關(guān)系圖(單位：mm)

本文基于工程的特殊性，通過在樁基中預(yù)埋應(yīng)力計(jì)實(shí)測計(jì)算樁身的軸力，應(yīng)力計(jì)布置如圖2所示，由于盾構(gòu)埋深較淺，因此只在盾構(gòu)影響較大的樁基上部安裝應(yīng)力計(jì)進(jìn)行測量，從上到下共布置6個(gè)截面，在每個(gè)截面上布置兩個(gè)應(yīng)力計(jì)．

圖2 應(yīng)力計(jì)截面布置圖(單位：mm)

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

盾構(gòu)施工對(duì)5倍洞徑以外的土體影響較小，本文數(shù)值計(jì)算模型中寬度方向從隧道中心線至約束邊取隧道直徑的5倍左右，為85 m；計(jì)算過程中盾構(gòu)掘進(jìn)開挖步長為3 m，左右線隧道開挖共50步，模型長度方向取為75 m；模型高度方向尺寸為樁長的1.5倍左右，取為80 m．模型邊界條件如下，側(cè)面約束水平位移，底部約束豎向位移，模型頂部為自由邊界．三維有限元模型如圖3所示．

圖3 有限元計(jì)算模型

2.2 模型參數(shù)

數(shù)值模型中各類材料參數(shù)如下：①土體為理想彈塑性本構(gòu)模型，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；②樁體和承臺(tái)等結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬，隧道管片采用板單元模擬，結(jié)構(gòu)為彈性材料，模型參數(shù)見表1；③間隙單元主要由盾殼體積、盾尾操作間隙以及刀盤超挖間隙三部分組成，采用低模量材料進(jìn)行模擬，彈性模量取盾殼周圍土體材料的0.1%[18]，為7.2 kPa．④注漿材料：將注漿分為初凝和終凝兩個(gè)階段來模擬施工過程中漿液凝固的過程，初凝階段為液體注漿材料，看作是有內(nèi)壓的低剛度材料，彈性模量取1.8 MPa；終凝階段為固體注漿材料，彈性模量取400 MPa．

表1 模型材料參數(shù)

2.3 施工過程的模擬

通過改變預(yù)設(shè)單元的屬性(剛度遷移法)以及激活或鈍化單元來模擬盾構(gòu)的施工過程．①土體開挖及管片拼裝階段：首先進(jìn)行土體開挖，生成盾殼單元并賦予其屬性，盾構(gòu)繼續(xù)向前推進(jìn)的同時(shí)，進(jìn)行管片拼裝；②注漿初凝階段：通過生死單元將盾殼單元鈍化，轉(zhuǎn)化成液體注漿層單元，并向隧道周圍土體施加向外的徑向應(yīng)力，模擬注漿壓力；③注漿終凝階段：注漿層逐漸凝固，將初凝階段液體注漿材料的屬性轉(zhuǎn)化為固體注漿材料的屬性，并將注漿壓力鈍化．④盾構(gòu)施工完成后，對(duì)樁基逐級(jí)施加豎向荷載(100 kN、500 kN、1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN)模擬上部結(jié)構(gòu)的施工．

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 模擬與實(shí)測結(jié)果對(duì)比分析

樁頂無豎向荷載時(shí)，通過數(shù)值模擬和實(shí)測計(jì)算，靠近隧道側(cè)的樁身豎向位移及軸力分布曲線如圖4所示．

圖4 樁頂無荷載時(shí)樁身豎向位移和軸力

由于通過現(xiàn)場實(shí)測的方式難以得到樁身豎向位移的變化量，因此樁身豎向位移選取數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果[19]進(jìn)行對(duì)比分析．由圖4(a)可見，理論計(jì)算沒有考慮時(shí)間因素的影響，故比數(shù)值模擬結(jié)果偏小，數(shù)值模擬與理論分析得到的樁身豎向位移變化規(guī)律基本一致．

由圖4(b)可見，數(shù)值模擬和實(shí)測計(jì)算的樁身軸力分布大致相同，最大軸力均出現(xiàn)在隧道中心線附近，數(shù)值分析得出最大軸力為520.4 kN，實(shí)測最大軸力為492.2 kN，數(shù)值分析與實(shí)測結(jié)果較一致．樁身軸力呈現(xiàn)出“先線性增大后線性減小”的特點(diǎn)，在隧道中心線附近達(dá)到最大值．這是由于隧道的開挖對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，拱頂上方的土體發(fā)生較大的松動(dòng)變形，土體的沉降量大于樁身的沉降量，產(chǎn)生負(fù)摩阻力，樁身軸力逐漸增加；拱頂下方土體無松動(dòng)變形，樁身的沉降量大于土體的沉降量，產(chǎn)生正摩阻力，樁身軸力逐漸減?。?/p>

3.2 不同豎向荷載作用下的樁基響應(yīng)規(guī)律

通過在樁頂施加不同的豎向荷載P，探究盾構(gòu)施工對(duì)承載狀態(tài)下鄰近樁基的影響規(guī)律．圖5為不同豎向荷載作用下樁身豎向位移和軸力的結(jié)果．

圖5 不同荷載下的樁身豎向位移及軸力變化圖

由圖5(a)可見，樁頂豎向荷載從100 kN增加到500 kN，樁端豎向位移量從0.14 mm增大到0.25 mm，樁身壓縮量從0.15 mm增加到0.28 mm，樁身壓縮量變化不大，且主要集中在樁基下部，因此當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，樁頂?shù)呢Q向荷載主要由樁端反力和下部的樁側(cè)正摩阻力承擔(dān)．樁頂豎向荷載從1 000 kN增加到2 000 kN的加載過程中，隧道中心線以上的樁身豎向位移變化較大，而以下樁身豎向位移基本保持不變，主要是由于樁身下部側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度大于上部，當(dāng)樁頂外荷載較大時(shí)，下部側(cè)摩阻力和樁端反力接近極限，繼續(xù)增加的豎向荷載由上部的側(cè)摩阻力承擔(dān)．當(dāng)隧道中心線位于樁端以上時(shí)，在豎向荷載作用下，樁身側(cè)摩阻力呈現(xiàn)出下部先于上部達(dá)到極限的特點(diǎn)，不同于樁基上部側(cè)摩阻力先于下部達(dá)到極限的認(rèn)識(shí)，本研究中出現(xiàn)這一規(guī)律的原因在于盾構(gòu)開挖改變了土體的初始位移場．

由圖5(b)可見，在不同的豎向荷載作用下，樁身軸力的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先緩慢增大、再急劇減小、最后再緩慢減小的三段式規(guī)律，且隨著豎向荷載的增大，軸力增大的趨勢逐漸放緩，三段式規(guī)律更加明顯，與樁頂無荷載時(shí)軸力先線性增大后線性減小的趨勢不同．原因是當(dāng)有一定的豎向荷載作用時(shí)，樁基下部的側(cè)摩阻力基本達(dá)到極限值，繼續(xù)加載樁基下部的軸力會(huì)呈現(xiàn)出緩慢減小的特點(diǎn)；由于隧道位于樁基上部，因此隧道中心線以下的樁身側(cè)摩阻力發(fā)揮作用較大，一開始平衡了部分豎向荷載，導(dǎo)致樁基上部產(chǎn)生負(fù)摩阻力，所以樁基上部軸力先緩慢增大；當(dāng)下部側(cè)摩阻力達(dá)到極限后，豎向荷載只能由上部側(cè)摩阻力來承擔(dān)，因此樁基的軸力就會(huì)急劇減?。?/p>

3.3 隧道埋深的影響

樁基在豎向荷載作用下隧道埋深對(duì)樁身軸力及豎向位移分布規(guī)律有較大的影響，隧道中心軸線埋深為H，樁長為L，分別選取H為12 m(L/h=2)、18 m(L/h=1.33)、24 m(L/h=1) 3種工況建立數(shù)值模型進(jìn)行對(duì)比分析，隧道直徑D為6 m，樁長L為24 m，樁體直徑d為0.8 m，彈性模量為32 GPa，隧道軸線與樁的水平距離為4.5 m，土體彈性模量為20 MPa，泊松比為0.3，內(nèi)摩擦角為25°，粘聚力為20 kPa，不同隧道埋深的樁身豎向位移及軸力分布規(guī)律如圖6～7所示．

圖6 不同埋深下的樁身豎向位移變化圖

圖7 不同埋深下的樁身軸力變化圖

由圖6(a)、(b)可知，此時(shí)隧道中心線位于樁端上部．樁身豎向位移曲線存在著一個(gè)拐點(diǎn)，位于隧道中心線附近，且隨著隧道埋深的增加，拐點(diǎn)逐漸下移，從-11.4 m移動(dòng)到-16.6 m處．在曲線拐點(diǎn)的上部，隨著豎向荷載的增加，樁身壓縮量逐漸增大，在拐點(diǎn)的下部，樁身壓縮量逐漸減?。蓤D6(c)可知，當(dāng)隧道中心線位于樁端以下時(shí)，拐點(diǎn)消失，樁身豎向位移整體呈現(xiàn)出線性變化的特點(diǎn)．隧道埋深為12 m、18 m和24 m，最大樁身豎向位移分別為7.55 mm、6.64 mm、4.21 mm，都出現(xiàn)在樁頂處，而且隨著隧道埋深的增加而減?。?/p>

圖7為不同隧道埋深條件下，鄰近樁基的軸力結(jié)果．圖7(a)是隧道埋深為12 m(L/h=2)的結(jié)果，樁身軸力呈現(xiàn)先緩慢增大再急劇減小最后再緩慢減小的三段式規(guī)律，與圖5(b)的規(guī)律一致．圖7(b)是隧道埋深為18 m(L/h=1.33)的結(jié)果，樁身軸力呈現(xiàn)出先緩慢減小再急劇減小最后再緩慢減小的三段式規(guī)律，與隧道埋深12 m相比，樁身上部軸力不明顯，這是由于此時(shí)隧道位于樁基下部，隧道中心線以下的樁身側(cè)摩阻力發(fā)揮作用減小，導(dǎo)致樁基上部承擔(dān)較大豎向荷載，樁基上部沉降量大于周圍土體，產(chǎn)生正摩阻力，所以上部軸力先緩慢減?。畧D7(c)是隧道埋深為24 m(L/h=1)的結(jié)果，樁身軸力大致呈現(xiàn)出線性減小的規(guī)律，與無盾構(gòu)開挖時(shí)的分布規(guī)律基本一致，這是由于此時(shí)樁基全部位于隧道上方，盾構(gòu)開挖對(duì)樁端下部的土體擾動(dòng)較大，導(dǎo)致樁基的沉降始終大于樁側(cè)土體，樁身整體為正摩阻力，所以軸力逐漸線性減?。?/p>

4 結(jié) 論

本文通過現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬的方法，研究了盾構(gòu)施工對(duì)鄰近樁基豎向響應(yīng)的規(guī)律，并分析了隧道埋深、樁基上豎向荷載對(duì)豎向響應(yīng)的影響，得出了以下結(jié)論：

1)通過數(shù)值模擬，研究了鄭州地鐵四號(hào)線鄰近穿越賈魯河大橋樁頂無豎向荷載時(shí)的樁身豎向位移和軸力變化規(guī)律，并通過現(xiàn)場測試和理論方法進(jìn)行了驗(yàn)證．表明無豎向荷載時(shí)樁身豎向位移沿深度逐漸減小，由于拱頂上方開挖卸荷，軸力隨著深度逐漸增大，隧道中心線處最大軸力約500 kN，而在隧道下方軸力逐漸減?。?/p>

2)樁頂豎向荷載對(duì)鄰近隧道樁基的豎向位移模式產(chǎn)生較大影響，豎向荷載小于1 000 kN，樁身變形較小，樁體沉降主要在樁端；大于1 000 kN時(shí)，隧道中心線以上樁不同位置沉降顯著增大．由于受到盾構(gòu)施工位移場的影響，不同豎向荷載作用下樁身軸力呈現(xiàn)出先緩慢增大，在隧道中心線出現(xiàn)最大值，之后再急劇減小，最后再緩慢減小的規(guī)律．

3)隧道中心線位于樁端以上時(shí)，樁身豎向位移曲線在隧道中心線處出現(xiàn)拐點(diǎn)，隧道中心線以上樁身壓縮量逐漸增大，而以下樁身壓縮量逐漸減小；隧道中心線位于樁端以下時(shí)樁身豎向位移曲線無拐點(diǎn)．樁頂豎向荷載2 000 kN時(shí)，隧道埋深從12 m增大至24 m，樁頂最大豎向位移從7.5 mm減小為4.2 mm．隧道埋深小于18 m時(shí)，樁身軸力呈現(xiàn)先緩慢增大再急劇減小最后再緩慢減小的三段式規(guī)律，隧道埋深達(dá)24 m時(shí)，樁身軸力大致呈現(xiàn)出線性減小的規(guī)律．