粉土地層中盾構(gòu)施工對臨近高鐵橋樁的影響

肖昭然，張洋，蔣敏敏，劉海軍

(河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450000)

0 引 言

隨著城市地鐵線路不斷增加，盾構(gòu)隧道穿越房屋、橋梁等樁基礎(chǔ)的工程越來越多，盾構(gòu)施工環(huán)境也越來越復(fù)雜。因此，開展盾構(gòu)隧道施工對臨近樁基影響及加固措施的研究具有重要意義。

N.Loganathan等[1]基于離心試驗提出，盾構(gòu)隧道開挖會使臨近樁基產(chǎn)生明顯的軸力及彎矩；王明年等[2]基于廣州地鐵西村換乘站近接高架橋樁基施工，對近接高架橋樁基進行近接影響分區(qū)研究；王麗等[3-5]利用數(shù)值模擬的方法對盾構(gòu)開挖，對單樁、群樁的沉降及樁側(cè)摩阻力進行了研究；朱逢斌等[6-7]采用數(shù)值模擬及室內(nèi)模型試驗的方法，研究了隧道開挖對臨近樁體的內(nèi)力及變形的影響；漆偉強等[8]利用FLAC3D對砂卵石地層中盾構(gòu)側(cè)穿橋樁進行模擬分析；賀善寧[9]使用ANSYS軟件，對南京地區(qū)盾構(gòu)下穿橋梁樁基礎(chǔ)及加固措施進行了模擬分析；方詩濤[10]采用有限元分析軟件，對盾構(gòu)側(cè)穿施工引起的污水泵站沉降進行了分析研究；容繼盤等[11]對南寧市地鐵盾構(gòu)引起的建筑物沉降進行研究，得到了建筑物沉降預(yù)測公式；劉建威等[12]采用數(shù)值模擬的方法，對長沙地區(qū)盾構(gòu)施工對橋樁的影響進行了模擬分析。

盡管國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者[13-17]對盾構(gòu)隧道施工引起的樁基礎(chǔ)變形進行了一些研究，但已有研究大多集中在盾構(gòu)施工對常規(guī)建筑物和城市高架橋樁基的影響，而運營中的高鐵橋樁具有樁徑大、樁長長、變形要求嚴格的特點，針對鄭州粉土地層中盾構(gòu)施工對既有高鐵橋樁影響的系統(tǒng)研究較少。且綜合考慮盾殼剛度、管片折減、盾尾注漿壓力、注漿層凝固過程等因素的盾構(gòu)施工全過程模擬也較少。因此，有必要建立考慮多因素共同作用的數(shù)值模型，進一步分析盾構(gòu)施工對臨近高鐵橋樁的影響。

本文以鄭州粉土地層中盾構(gòu)隧道施工側(cè)穿既有高鐵橋樁為工程背景，對周圍土層和橋墩沉降進行現(xiàn)場實測?；趨?shù)反算法，并綜合考慮盾殼剛度、管片折減、盾尾注漿壓力、注漿層凝固過程等因素，模擬了盾構(gòu)施工全過程,將盾構(gòu)施工對周圍土體和高鐵橋樁的影響及加固措施對橋樁的保護效果進行量化分析，研究其中的規(guī)律,以期對類似工程的設(shè)計和施工起到一定的指導(dǎo)作用。

1 現(xiàn)場實測分析

1.1 工程概況和測點布設(shè)

盾構(gòu)隧道側(cè)穿鄭西客運專線鄭州聯(lián)絡(luò)線跨環(huán)城高速特大橋，橋梁結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，每墩設(shè)置10根樁,直徑1 m，深47 m。隧道左右線分別在60～61、61～62號橋墩間穿過，盾構(gòu)隧道距離橋樁最小水平凈距5.39 m，隧道中心線埋深約16.7 m，隧道直徑為6.2 m，隧道管片厚度為0.35 m。

為了減小施工對周邊環(huán)境的影響，對穿越區(qū)域土體進行土層注漿加固后再進行穿越施工。土體注漿加固施工工藝采取預(yù)先在地面預(yù)埋注漿管的方式進行加固，注漿漿液采用單液水泥漿，注漿壓力為0.5～0.8 MPa，根據(jù)試驗的漿液擴散半徑控制注漿管與樁基的凈距，以減少注漿對樁基的產(chǎn)生附加擠壓作用。經(jīng)對加固段的質(zhì)量進行檢測，加固后的地基具有良好的均勻性與自立性。注漿加固范圍為12.2 m×12.2 m×30 m。施工時，先進行左線隧道穿越，再進行右線隧道穿越。盾構(gòu)隧道與橋樁的實際位置關(guān)系如圖1所示(圖中單位為mm)。

圖1 盾構(gòu)與橋樁實際位置圖Fig.1 Actual position diagram of shield and piles

地表沉降觀測點共布設(shè)2個斷面，第1斷面位于未注漿加固的試驗段，第2斷面位于采取注漿加固的穿越段，每個斷面布設(shè)15個監(jiān)測點(DBC1-1～DBC2-15)。在穿越段布設(shè)2個深度為11 m的分層沉降觀測點(FC1～FC2)。在60，61，62號橋墩上各布設(shè)2個豎向位移觀測點，共布設(shè)6個觀測點位(QC601～QC622)?，F(xiàn)場實測點位布置如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場實測點位置布置Fig.2 Field measurement points layout

1.2 實測結(jié)果分析

1.2.1 土體豎向位移分析

從實測點位中選出個別有代表性的點位進行數(shù)據(jù)分析。圖3分別為土體分層沉降觀測點(FC1)隨著左線盾構(gòu)施工進度土體豎向位移變化曲線。圖4為第2斷面地表沉降點(DBC2-1～DBC2-15)隨著左線盾構(gòu)施工進度地表豎向位移變化曲線。橫軸為左線盾構(gòu)開挖面距測點的水平距離，負值代表開挖面未到達測點。

由圖3可知,隨著盾構(gòu)施工進行，土體豎向位移先發(fā)生隆起，這是盾構(gòu)推力對前方土體的擠壓造成的，最大隆起量為8.1 mm。隨后土體應(yīng)力不斷得到釋放，豎向位移表現(xiàn)為不斷下沉。最終又趨于穩(wěn)定，最大沉降量為33 mm。最大隆起與最大沉降量均位于地下10 m位置處。

由圖4可知,隨盾構(gòu)施工進行，地表最大隆起為3.5 mm。隨后開始逐漸下沉，最終地表沉降趨于穩(wěn)定，地表豎向位移最大沉降值為15.9 mm。

根據(jù)圖3和圖4，可將土體的沉降過程大致可分為3個階段，即擠壓隆起階段、持續(xù)沉降階段、后期穩(wěn)定階段。擠壓隆起階段均大致位于掘進面前方0～15 m區(qū)域。距盾構(gòu)隧道中線20 m范圍內(nèi)的土體，持續(xù)沉降階段大約位于掘進面后方0～50 m區(qū)域，后期沉降階段大致位于掘進面后方50 m區(qū)域。距盾構(gòu)隧道中線20～40 m內(nèi)的土體，持續(xù)沉降階段大約位于掘進面后方0～30 m區(qū)域，后期沉降階段大致位于掘進面后方30 m區(qū)域。

盾構(gòu)隧道施工會對周圍土體產(chǎn)生巨大擾動，使土體產(chǎn)生較大豎向位移，但盾構(gòu)隧道施工完成一段時間內(nèi)土體會再次回到平衡狀態(tài)。由圖4可知，距隧道中線距離越遠，土體再次恢復(fù)平衡狀態(tài)的時間越短。

圖3 土體分層沉降(FC1)曲線Fig.3 Soil layered settlement(FC1)curves

圖4 第2斷面地表豎向位移曲線Fig.4 Curves of vertical displacement of the second section surface

1.2.2 橋樁變形分析

盾構(gòu)左、右線穿越完成后，依據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，60號橋樁最大沉降為0.4 mm；61號橋樁Q611點沉降為0.8 mm，Q612點沉降為0.6 mm；62號橋樁最大沉降為0.5 mm，控制值為2 mm，均在控制范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

2 盾構(gòu)施工過程模擬

2.1 計算模型的建立

模型X方向從隧道中線分別向左右兩邊延伸5倍洞徑。模型Y方向，即盾構(gòu)掘進方向，總長度取60 m。模型Z方向尺寸為1.5倍的樁長，模型整體尺寸為92.4 m×60 m×70.5 m。模型四周約束水平方向位移，底部約束X，Y，Z方向位移，頂部為自由邊界。三維有限元模型見圖5。

圖5 有限元計算模型Fig.5 Finite element calculation model

有限元計算分為2種工況，工況1：先對穿越段土體采取注漿加固措施后，再進行盾構(gòu)穿越施工，注漿加固范圍為12.2 m×12.2 m×30 m；工況2：不采取加固措施，直接進行盾構(gòu)穿越施工。分析時選取61號橋樁作為典型橋樁進行研究，并選取其中的4根樁(a,b,c,d)對比分析。隨機選擇工況1對4根樁進行縱向?qū)Ρ确治?，不同工況下選取c樁進行橫向?qū)Ρ确治?。選取的4根樁相互位置關(guān)系如圖6所示。

圖6 典型位置關(guān)系水平斷面圖Fig.6 Horizontal section digaram of typical positional relation

2.2 模型參數(shù)的選取

土體采用C3D8實體單元，本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準則。為了節(jié)約計算資源，同時又盡可能保證模擬的準確性，依據(jù)工程勘察資料，將研究范圍內(nèi)的土體按土層厚度加權(quán)平均簡化成4層，以此作為有限元數(shù)值模擬初始土層參數(shù)，對試驗段進行模擬，并進行參數(shù)調(diào)整，使模擬結(jié)果與實測結(jié)果一致，得到最終的土層參數(shù)。經(jīng)過反算的各土層參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil

樁體及承臺均采用C3D8實體單元進行模擬。對于裝配式管片，參考前人研究[18]，按照均質(zhì)的圓環(huán)結(jié)構(gòu)進行模擬，環(huán)向和縱向剛度折減系數(shù)分別為0.8,0.01。

在實際施工過程中，前方土體會受到盾構(gòu)推進的擾動，通過對即將被開挖的土體進行彈性模量折減，實現(xiàn)對此過程的模擬，折減系數(shù)為0.7。對掘進面前方土體的開挖面施加均布力，模擬盾構(gòu)掘進面推力，取掘進面推力為150 kPa，為盾構(gòu)機總推力的1/3[17]。關(guān)于盾尾注漿壓力，姜忻良[19]取均布壓力為0.05 MPa，得到的土體沉降比實測結(jié)果略大，因此本文取均布注漿壓力為0.07 MPa。盾尾注漿層是土、水泥漿及其他注漿材料的混合體，在實際施工中難以對其量化。在數(shù)值模擬中可將其簡化為均質(zhì)、等厚、彈性的圓環(huán)狀等代層[20]。關(guān)于盾構(gòu)機盾殼的模擬，可將其簡化為均質(zhì)、等厚、彈性的圓環(huán)。因此，根據(jù)等代層的實際狀態(tài)變化情況，將其分為3種：等代層1，此時模擬盾構(gòu)機外殼；等代層2，注漿剛完成時半液體注漿層的狀態(tài)；等代層3，注漿材料逐漸凝固，強度不斷增加，此時注漿材料的彈性模量取為注漿階段的10倍[18]，為17 MPa。結(jié)構(gòu)物物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

2.3 盾構(gòu)施工過程模擬

2.3.1 初始地應(yīng)力平衡及土體注漿加固階段

首先建立三維模型，地層分布如圖7所示，在承臺頂施加均布荷載，以模擬橋樁既有狀態(tài)，并進行初始應(yīng)力場平衡。工況1時，對加固區(qū)土層進行注漿加固，采用變剛度法，通過場變量改變加固范圍內(nèi)土體參數(shù)，實現(xiàn)對土體注漿加固的模擬。工況2時，此步驟省略。

表2 結(jié)構(gòu)物物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parameters of structural objects

圖7 土層分布示意圖Fig.7 Distribution diagram of soil layer

2.3.2 土體開挖階段

由于盾構(gòu)開挖步長對模擬結(jié)果的影響不大[21]，本文取開挖步長為3 m，開挖20步，共計60 m。對掘進面前方開挖面施加均布荷載，模擬掘進面推力，同時對掘進面前方的土體進行模量折減，隨后通過生死單元控制技術(shù)將被開挖土體移除。施工各階段如圖8所示。

圖8 盾構(gòu)開挖過程數(shù)值模擬示意圖Fig.8 Schematic diagram of numerical simulation of shield excavation process

2.3.3 管片拼裝及注漿階段

土體被移除的同時，生成盾殼(等代層1)單元。隨著盾構(gòu)機向前推進，生成管片單元。并通過ABAQUS單元追蹤技術(shù)將盾殼(等代層1)轉(zhuǎn)化為半液體注漿層(等代層2)。對隧道周圍土體施加均布壓力，模擬注漿壓力。

2.3.4 盾尾脫離階段

注漿層材料逐漸凝固，強度不斷增加。將半液體注漿層(等代層2)轉(zhuǎn)化為固體注漿層(等代層3)，取消注漿壓力。

2.4 計算結(jié)果分析

2.4.1 注漿加固效果分析

圖9為盾構(gòu)左、右線穿越施工完成后第2斷面位置處(測點編號為DBC2-1～DBC2-15)，地表沉降實測值與2種工況模擬值的對比圖。地表沉降實測值與模擬值變化規(guī)律一致且變化量相近，其中盾構(gòu)左線中線正上方處的實測沉降量為15.9 mm，數(shù)值模擬沉降量為16.77 mm，實測值約為模擬值的94.8%。盾構(gòu)右線中線正上方處的實測沉降量為13.4 mm，數(shù)值模擬沉降量為14.46 mm，實測值約為模擬值的92.7%。采取注漿加固措施的模擬結(jié)果與實測結(jié)果相近，表明ABAQUS有限元計算軟件可綜合考慮提前土層注漿加固施工工藝，實現(xiàn)對盾構(gòu)側(cè)穿高鐵橋樁施工過程的精細模擬。

由圖9可知，盾構(gòu)雙線穿越完成后，在同一斷面上的地表沉降曲線近似呈“W”型，其中左線中線位置(DBC2-5)位置沉降為15.9 mm，右線中線位置(DBC2-11)位置沉降為13.4 mm，左線中線位置處由于受到右線施工的二次擾動，導(dǎo)致其沉降量比右線略大。未采取注漿加固直接穿越時，地表最大沉降為-22.1 mm，采用注漿加固時，地表最大沉降為-16.7 mm，注漿加固措施可使地表沉降值減小約24.4%。

圖9 第2斷面地表沉降曲線圖Fig.9 Surface settlement curves of second section

關(guān)于橋墩沉降，數(shù)值模擬結(jié)果表明：工況1時，左、右線盾構(gòu)施工穿越完成后，橋墩最終最大沉降值為3.1 mm，超出2 mm的控制值，不滿足要求；工況2時，按前文介紹的土體加固施工工藝，進行土體注漿加固處理后，再進行穿越施工，橋墩最終最大沉降值為0.85 mm，滿足要求，均位于61號橋樁處。注漿加固措施使橋樁沉降值減小了約72.6%。

圖10所示為2種工況下61號橋樁中間樁c(中間樁c所在位置見圖6)的變形和內(nèi)力對比圖。由圖10可知，c樁樁頂水平位移最大值為1.01 mm，樁身水平位移最大值1.2 mm，樁頂水平位移最大值約為樁身水平位移最大值的89.2%。采取注漿加固后樁頂水平位移最大值為0.43 mm，樁身水平位移最大值為0.5 mm，樁頂位置的水平位移為樁身最大值的86%。注漿加固措施使水平位移在樁頂位置減小約57.4%，樁身位置減小約58.3%。同時，樁頂位置處的水平位移值相對樁身最大水平位移值減小3.2%，這是由于加固措施可降低盾構(gòu)施工對周邊環(huán)境的影響，加固后樁身整體水平位移降低了，導(dǎo)致樁頂承臺對于樁頂水平位移的約束更為明顯。

c樁樁身彎矩最大值為82.1 kN·m，側(cè)摩阻力最大值為43.4 kPa，采取加固措施后彎矩最大值為51.2 kN·m；側(cè)摩阻力最大值為33.1 kPa，分別減小了37.6%和23.7%。

對盾構(gòu)穿越區(qū)域的土層提前采取注漿加固措施，可提高附近土體的彈性模量，增強土體的黏聚力，減小盾構(gòu)施工引起的地層損失比，從而降低周圍土體的沉降量，減小對附近橋樁的擾動。

圖10 2種工況下中間樁c位移及內(nèi)力變化圖Fig.10 Variation of displacement and internal force of c pile under two working conditions

2.4.2 群樁內(nèi)不同樁變形及內(nèi)力對比分析

圖11為盾構(gòu)左、右線穿越完成后61號橋樁中群樁(a，b，c,d樁)位移及內(nèi)力變化圖。由圖11(a)可知，同一承臺下的a,b,c,d樁，由于承臺的約束作用，在樁頂位置處水平位移值幾乎一致。各樁均在隧道埋深處，水平位移達到最大值。

樁身彎矩變化趨勢與樁身水平位移變化趨勢類似，均在隧道埋深處達到最大值，群樁最大彎矩62.3 kN·m。直徑1 m的樁，配筋率0.4%時，鋼筋均勻布置，能承受最大彎矩463 kN·m[22]。因此，由盾構(gòu)隧道開挖產(chǎn)生的樁身附加彎矩，不足以對橋樁安全造成威脅。

關(guān)于樁身側(cè)摩阻力，隨著樁身埋深增加，樁身側(cè)摩阻力先逐漸增加，至隧道埋深處樁身側(cè)摩阻力達到最大值，隨后逐漸減小，樁身側(cè)摩阻力整體為單駝峰式分布。此項目中高鐵橋樁樁長47 m，屬于超長樁，而隧道埋深相對較淺，因此，樁身上部側(cè)摩阻力發(fā)揮比較充分，樁身下部側(cè)摩阻力值較小，側(cè)摩阻力發(fā)揮不充分。

圖11 群樁位移及內(nèi)力變化圖Fig.11 Variation of displacement and internal force of group piles

由圖11可知，從a,b樁到c樁再到d樁，樁身距離盾構(gòu)左線的距離越來越近，樁身位移和內(nèi)力值也逐漸增大。這是由于盾構(gòu)左、右線距離61號橋樁的最小水平凈距分別為5.39,13.13 m，左線與橋樁的距離明顯大于右線與橋樁的距離。因此，對于61號橋樁，盾構(gòu)左線施工的影響為主要影響因素。所以a,b樁可認為是前排樁，d樁為后排樁，由于前排樁對后排樁存在遮攔效應(yīng)，a,b樁會減小左線施工對于c樁,d樁的擾動。而在同一軸線上的樁(如：a樁與b樁)水平位移、彎矩及側(cè)摩阻力的大小及變化趨勢都極為相近。

3 結(jié) 論

(1)通過對鄭州粉土地層中盾構(gòu)近接既有高鐵橋樁施工影響進行現(xiàn)場實測，并對比加固段與未加固段的地表沉降值，表明加固措施可使地表沉降量降低約24.4%。加固段高鐵橋樁附近的土體隨著距掘進面距離的變化，豎向位移大致可分為前期隆起階段、急劇沉降階段、沉降穩(wěn)定階段。注漿加固范圍約為2倍盾構(gòu)直徑時，盾構(gòu)施工引起的地表最大沉降量為15.9 mm，橋墩最大沉降量為0.8 mm，均滿足規(guī)范變形要求。

(2)基于參數(shù)反算法，綜合考慮盾殼剛度、管片折減、盾尾注漿壓力、注漿層凝固過程等因素，對盾構(gòu)施工穿越既有高鐵橋樁全過程進行模擬分析，并通過現(xiàn)場實測驗證了數(shù)值模擬的可靠性。

(3)數(shù)值模擬表明，同一高鐵橋樁承臺中，右角樁a與同一軸線的邊樁b水平位移、彎矩及側(cè)摩阻力變化趨勢一致且變化量相近。隨著樁體距盾構(gòu)軸線距離的減小，高鐵橋樁右角樁a、中間樁c和左角樁d受施工的影響依次減小。采用土體提前注漿加固的施工工藝，可使高鐵橋樁最大沉降量減小約72.6%，樁體水平位移、彎矩及側(cè)摩阻力最大值分別降低58.3%，37.6%和23.7%。對穿越區(qū)土體采取提前注漿加固措施，可減小盾構(gòu)施工對周圍土體的擾動，保證高鐵橋樁的安全。