盾構(gòu)施工對(duì)不同齡期樁基影響分析

郭 聰

(福州市城鄉(xiāng)建總集團(tuán)有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隧道在盾構(gòu)施工過程難免將對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不同程度影響，特別是對(duì)建筑物(構(gòu)筑物)樁基產(chǎn)生不利的影響，甚至影響到建筑物(構(gòu)筑物)的正常使用和安全。其原因在于盾構(gòu)施工過程，土體的應(yīng)力釋放導(dǎo)致隧道周圍土體應(yīng)力重新分布，應(yīng)力的變化導(dǎo)致了土體中位移的產(chǎn)生，而任何影響土體應(yīng)力變化的因素都會(huì)引起樁基承載性狀的改變[1]。

對(duì)于隧道與樁相互作用的研究，Mair[2]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，Bezuijen等[3]、Loganathan等[4]進(jìn)行了大量的離心機(jī)模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隧道施工會(huì)改變臨近樁基的受力性態(tài)。Morton等[5]試驗(yàn)，研究了隧道施工對(duì)樁基承載力和沉降的影響，發(fā)現(xiàn)隧道施工會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，軟弱土層中鄰近樁基是設(shè)計(jì)和施工中必須考慮的重要因素。文獻(xiàn)研究表明[6-7]，對(duì)近鄰樁基承載性狀的影響因素，有樁基離開盾構(gòu)隧道的距離、土體力學(xué)性質(zhì)、樁基原有荷載的大小、樁長(zhǎng)、樁徑、襯砌支護(hù)時(shí)間、盾尾后注漿質(zhì)量、盾構(gòu)面水土平衡壓力和盾構(gòu)機(jī)的盾構(gòu)姿態(tài)等。

本文以福州市湖塘路至化工路段在建的橋梁樁基與盾構(gòu)隧道同步施工過程為例，結(jié)合三維有限元分析方法，分析盾構(gòu)隧道推進(jìn)至橋梁樁基過程中的樁基混凝土處于不同齡期情況下的樁基內(nèi)力和變形，并針對(duì)推進(jìn)過程遇到的最不利區(qū)段提出合理性措施，以便于最終確保橋梁樁基的安全。

1 工程背景

該項(xiàng)目為福州市前橫路快速化改造工程中的一部分，設(shè)計(jì)路段為福新東路至湖塘路段、湖塘路至化工路段和化工路至塔頭路段，項(xiàng)目與地鐵4號(hào)線共線。以湖塘路至化工路段為例，該段共 58 根樁基，其中 56 根樁基與盾構(gòu)凈距大于2m，2根與盾構(gòu)凈距：1m<凈距≤2m，對(duì)于1m<凈距≤2m的樁基采取保護(hù)措施(采用深護(hù)筒施工，鋼護(hù)筒底穿過盾構(gòu)底 3m，施工后不拔除)。

考慮到盾構(gòu)隧道施工與橋梁樁基施工工期較為接近，在盾構(gòu)推進(jìn)至橋梁樁基時(shí)，樁基混凝土將可能處于不同養(yǎng)護(hù)齡期，為了避免盾構(gòu)隧道施工對(duì)不同齡期樁基帶來不利影響，針對(duì)盾構(gòu)隧道對(duì)不同齡期的樁基內(nèi)力和變形進(jìn)行分析，以確保橋梁樁基安全。

2 有限元分析模型構(gòu)建

2.1 基本假定

三維有限元分析模型，建立在以下6個(gè)基本假定基礎(chǔ)：

(1)土體為各向同性的連續(xù)介質(zhì)彈塑性模型，各層土均不考慮層頂或?qū)禹數(shù)钠鸱吹群穸瓤紤]。

(2)土體在自重作用下產(chǎn)生的變形和應(yīng)力在開挖前已經(jīng)完成，計(jì)算中不予考慮，且不考慮土體變形的時(shí)間效應(yīng)。

(3)盾構(gòu)隧道不考慮管片之間的連接，按均勻、連續(xù)圓環(huán)管片進(jìn)行模擬分析。

(4)模型重點(diǎn)研究土體的短期變形，僅考慮在計(jì)算域范圍內(nèi)盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的土體變形，不考慮盾構(gòu)駛出計(jì)算域后土體長(zhǎng)期固結(jié)的影響。

(5)模型采用“剛度遷移法”來模擬盾構(gòu)向前推進(jìn)過程，即盾構(gòu)一步一步“跳躍”式推進(jìn)，推進(jìn)模擬中暫不考慮管片安裝與盾構(gòu)停機(jī)的影響。

(6)模型僅考慮單線盾構(gòu)施工階段對(duì)樁基影響，未考慮雙線盾構(gòu)下穿對(duì)樁基影響。

2.2 模型參數(shù)選取

本研究中Midas三維有限元分析模型的參數(shù)取值具體如下：

(1)土層長(zhǎng)度取60m，寬度取50m，厚度取70m，可忽略邊界效應(yīng)影響，如圖1所示。

圖1 總體模型

(2)土體采用小應(yīng)變硬化土模型，土體厚度選取鉆孔獲得的土層厚度，自上而下為4.6m雜填土、17.2m淤泥、1m粉質(zhì)黏土、19.7m淤泥質(zhì)土、2.5m粉質(zhì)黏土、6.1m卵石、10.7m砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、2.5m碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

(3)橋梁樁基采用線彈性模型進(jìn)行模擬，其彈性模量依據(jù)表1分別選取7d、14d和28d強(qiáng)度進(jìn)行考慮，泊松比取0.20，采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，樁徑包括1.5m、1.8m。

表1 不同齡期的混凝土強(qiáng)度及彈性模量

(4)盾構(gòu)隧道采用線彈性模型進(jìn)行模擬，內(nèi)徑取5.7m，厚度0.35m，彈性模量取3.45×104MPa，泊松比取0.20。

(5)樁基距隧道外邊線距離分別取1m、3m、5m。

(6)模型左、右側(cè)邊界約束土體水平位移，底部邊界約束土體豎向位移。

(7)盾構(gòu)機(jī)頭錐度所產(chǎn)生的地層損失率按1.5%考慮，管片安裝后隧道與襯砌間隙所產(chǎn)生的地層損失率按1.5%考慮。

(8)掌子面壓力在盾構(gòu)頂部按125kPa計(jì)算，沿深度按12.5kPa/m計(jì)算，注漿壓力按200kPa計(jì)算。

樁基的內(nèi)力及變形分析計(jì)算工況具體如下：

(1)根據(jù)橋梁施工前場(chǎng)地標(biāo)高，建立土層，形成初始地應(yīng)力，并對(duì)位移清零；

(2)不同距離的橋梁樁基施工；

(3)盾構(gòu)分步施工。

2.3 模型工況設(shè)計(jì)

本次樁基的內(nèi)力及變形分析計(jì)算工況具體如下：

(1)根據(jù)橋梁施工前場(chǎng)地標(biāo)高，建立土層，形成初始地應(yīng)力，并對(duì)位移清零；

(2)不同距離的橋梁樁基施工；

(3)盾構(gòu)分步施工。

具體如表2所示。

表2 模擬分析工況設(shè)計(jì)表

2.4 參數(shù)驗(yàn)證

工程實(shí)踐表明，盾構(gòu)隧道的影響分區(qū)可分為強(qiáng)烈影響區(qū)(Ⅰ)、顯著影響區(qū)(Ⅱ)、一般影響區(qū)(Ⅲ)，具體分區(qū)范圍如圖2所示，其中Hi表示隧道中心埋深。

圖2 盾構(gòu)隧道影響分區(qū)圖

結(jié)合地鐵盾構(gòu)隧道經(jīng)驗(yàn)，沉降槽反彎點(diǎn)距隧道軸線距離約0.5Hi，沉降槽主要影響范圍為距離隧道軸線與2.0Hi的范圍內(nèi)。

由圖3可知，計(jì)算所得的地表沉降槽與上述盾構(gòu)法隧道影響區(qū)的劃分范圍極為接近，與福州地區(qū)的盾構(gòu)隧道施工引起的沉降經(jīng)驗(yàn)較為吻合，表明本研究模型參數(shù)的取值合理。

圖3 計(jì)算所得地表沉降曲線

3 模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同樁徑下樁基變形及內(nèi)力分析

在養(yǎng)護(hù)齡期均為7d的樁基以及樁基與盾構(gòu)隧道凈距均為1m的情況，不同直徑樁基條件下樁基變形如圖4所示。

(1)1.2m直徑樁基條件下樁基變形圖(最大水平位移：9.5mm) (2)1.5m直徑樁基條件下樁基變形圖(最大水平位移：9.6mm)

另一方面，養(yǎng)護(hù)齡期均為7d的樁基以及樁基與盾構(gòu)隧道凈距均為1m的情況下，不同直徑樁基條件下盾構(gòu)隧道推進(jìn)引發(fā)的樁基彎矩如圖5所示。

(1)1.2m直徑樁基條件下樁基彎矩圖(遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)：676kNm；遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)：-939kNm) (2)1.5m直徑樁基條件下樁基彎矩圖(遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)：1024kNm；遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)：-1427kNm)

由圖4可知，在樁徑在1.2m～1.8m范圍內(nèi)，樁基最大水平位移隨著樁徑增大呈先增后減的變化模式，樁徑達(dá)到1.8m時(shí)其最大水平位移為最小值(為7.0mm)，同時(shí)由圖4可以看出樁基的變形趨勢(shì)基本相同，呈“拋物線”形式。由圖5可知，隨著樁徑的增大，遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)所受的彎矩值也相應(yīng)增加，同時(shí)在樁徑較大情況下，遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)的正負(fù)彎矩絕對(duì)值基本接近。

另一方面，根據(jù)上述分析結(jié)果可知，不同齡期、不同距隧道凈距的樁基偏位值如表3所示。

表3 樁基側(cè)向偏位最大值

由表3可以看出，當(dāng)樁基距離隧道較近(最小凈距不大于 3m)時(shí)，樁基最大偏位值隨著與隧道距離的減小而增大，而隨著樁基與隧道的距離增大時(shí)，樁基的最大偏位位置逐漸由隧道標(biāo)高附近轉(zhuǎn)移至地表。其主要原因在于：當(dāng)樁基距離隧道較近時(shí)，隧道周邊土體水平位移最大，此時(shí)地表附近土體位移很??；而隨著與隧道距離增大，隧道周邊土體水平位移逐漸減小，地表附近土體水平位移則逐漸增大，致使樁基的偏位值及最大偏位部位發(fā)生明顯不同。

同時(shí)，隨著齡期增大，樁基最大偏位逐漸減小。這是由于砼齡期增大后，其彈性模量逐漸提高，樁基抗變形能力也逐漸增大，故其變形逐漸減小。但由于樁基的砼齡期大于14d 后，其彈性模量變化量不大，故其對(duì)變形的影響也較小。

3.2 不同樁基齡期下樁基變形及內(nèi)力分析

在樁基直徑均為1.5m的樁基以及樁基與盾構(gòu)隧道凈距均為1m的情況下，不同齡期樁基條件下樁基變形如圖6所示。

(1)齡期為7d的樁基條件下樁基變形圖(最大水平位移：9.6mm) (2)齡期為14d的樁基條件下樁基變形圖(最大水平位移：9.0mm) (3)齡期為28d的樁基條件下樁基變形圖(最大水平位移：9.2mm)

另一方面，在樁基直徑均為1.5m的樁基以及樁基與盾構(gòu)隧道凈距均為1m的情況，不同齡期樁基條件下盾構(gòu)隧道推進(jìn)引發(fā)的樁基彎矩如圖7所示。

(1)齡期為7d的樁基條件下樁基彎矩圖(遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)：1024kNm；遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)：-1427kNm) (2)齡期為14d的樁基條件下樁基彎矩圖(遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)：1313kNm；遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)：-1521kNm) (3)齡期為28d的樁基條件下樁基彎矩圖(遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)：1386kNm；遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)：-1583kNm)

由圖6可知，7d齡期的樁基，其變形的最大水平位移相對(duì)較大，達(dá)到9.6mm，此后隨著齡期增長(zhǎng)，樁基混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)，因此到14d齡期時(shí)其最大水平位移相對(duì)變小(為9.0mm)，而隨著樁基混凝土強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)的過程中，后期出現(xiàn)一定的回彈，強(qiáng)度基本穩(wěn)定時(shí)其最大水平位移為9.2mm。由圖7可知，不同齡期下，樁基混凝土的彎矩遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)的前后差值基本在200～400 kNm之間浮動(dòng)，同時(shí)齡期越大，差值也相應(yīng)越小。

樁基附加內(nèi)力分析：

根據(jù)設(shè)計(jì)，直徑Φ1500 的樁基計(jì)算參數(shù)取值如下：系數(shù)α1=1.0，圓形截面半徑r=0.75m，縱向鋼筋重心所在圓周半徑rs=0.66m，混凝土抗壓強(qiáng)度fc=13.8N/mm2(C30)，鋼筋抗拉強(qiáng)度fy=330 N/mm2(HRB400)，樁基上部 35m 縱筋采用 30C28，下部采用 15C28。

在上部結(jié)構(gòu)尚未施工情況下，樁基上部荷載及樁身自重暫不予以考慮，樁基抗彎和抗剪承載力復(fù)核如表4～表5所示。

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表4 樁基抗彎承載力復(fù)核 kN·

表5 樁基抗剪承載力復(fù)核 kN·m

由表4可知，當(dāng)樁基與盾構(gòu)凈距不大于2m時(shí)，盾構(gòu)施工引發(fā)的樁基附加彎矩不滿足抗彎承載力；當(dāng)樁基與盾構(gòu)凈距大于2m時(shí)，樁基附加彎矩可滿足抗彎承載力。

由表5可知，當(dāng)樁基與盾構(gòu)凈距不大于3m時(shí)，樁基剪力無法滿足抗剪承載力要求；而當(dāng)樁基與盾構(gòu)凈距不少于3m時(shí)，樁基剪力可以滿足抗剪承載力要求。

3.3 不同樁基與盾構(gòu)隧道凈距下樁基變形及內(nèi)力分析

在樁基直徑均為1.5m以及養(yǎng)護(hù)齡期均為7d情況下，不同樁基與盾構(gòu)隧道凈距條件下樁基變形如圖8所示。

另一方面，在樁基直徑均為1.5m的樁基以及養(yǎng)護(hù)齡期均為7d的樁基情況，不同樁基與盾構(gòu)隧道凈距條件下盾構(gòu)隧道推進(jìn)引發(fā)的樁基彎矩如圖9所示。

(1)樁基與盾構(gòu)隧道凈距為1m條件下樁基變形圖(最大水平位移：9.6mm) (2)樁基與盾構(gòu)隧道凈距為2m條件下樁基變形圖(最大水平位移：6.6 mm)

(1)樁基與盾構(gòu)隧道凈距為1m條件下樁基彎矩圖(遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)：1024kNm；遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)：-1427kNm) (2)樁基與盾構(gòu)隧道凈距為2m條件下樁基彎矩圖(遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)：808kNm；遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)：-593kNm)

由圖8可知，樁基與盾構(gòu)隧道凈距越大時(shí)，隧道盾構(gòu)對(duì)橋梁樁基的影響程度就越小，因此樁基的最大水平位移值也越小，同時(shí)遠(yuǎn)離盾構(gòu)側(cè)的彎矩值也相應(yīng)越小。由此可知，樁基與盾構(gòu)隧道凈距越大越對(duì)橋梁樁基有利。

4 結(jié)論

為了了解盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)鄰近橋梁樁基內(nèi)力及變形的影響，本研究分別選取不同齡期(7d、14d、28d)、不同樁徑(1.2m、1.5m、1.8m、2.0m)及不同隧道凈距(1m、2m、3m、5m)樁基進(jìn)行計(jì)算，分析結(jié)果如下：

(1)當(dāng)樁基距離隧道較近(最小凈距不大于3m)時(shí)，樁基最大偏位值隨著與隧道距離的減小而增大，而隨著樁基與隧道的距離的增大時(shí)，樁基的最大偏位位置逐漸由隧道標(biāo)高附近轉(zhuǎn)移至地表。

(2)隨著樁基齡期的增大，樁基樁身混凝土強(qiáng)度和剛度不斷提高，其樁身偏位值逐漸減小，但附加內(nèi)力則逐漸增大。

(3)當(dāng)樁基與盾構(gòu)凈距不大于2m時(shí)，盾構(gòu)施工引發(fā)的樁基附加彎矩不滿足抗彎承載力；當(dāng)樁基與盾構(gòu)凈距大于2m時(shí)，樁基附加彎矩可滿足抗彎承載力；故，當(dāng)樁基與盾構(gòu)隧道距離較近時(shí)，建議按設(shè)計(jì)要求采取套管保護(hù)樁基安全。

(4)當(dāng)樁基與盾構(gòu)凈距不大于3m時(shí)，樁基的剪力無法滿足抗剪承載力要求；而當(dāng)樁基與盾構(gòu)凈距不少于3m時(shí)，樁基的剪力可以滿足抗剪承載力要求；故當(dāng)樁基與盾構(gòu)隧道距離較近時(shí)，建議按設(shè)計(jì)要求采取套管保護(hù)樁基安全。

結(jié)合上述分析結(jié)果可知，盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近橋梁樁基將產(chǎn)生不同程度的影響，為了確保樁基安全，建議如下：

(1)建議在樁基施工時(shí)，埋設(shè)必要的檢測(cè)設(shè)備，并按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行樁基施工質(zhì)量、完整性及承載力檢測(cè)，以確保樁基安全。

(2)考慮到盾構(gòu)機(jī)掌子面掘進(jìn)至樁基前一定距離即對(duì)樁基產(chǎn)生不利影響，故，建議在掌子面推進(jìn)至距樁基10m前，應(yīng)確保樁基混凝土養(yǎng)護(hù)齡期不少于14d，以確保樁基安全。

(3)鑒于實(shí)際地層損失率可能大于計(jì)算的理論地層損失率，且模型僅考慮單線盾構(gòu)施工階段對(duì)樁基影響，未考慮雙線盾構(gòu)下穿對(duì)樁基的影響，故，在盾構(gòu)施工期間，建議對(duì)樁基及鄰近土體布設(shè)深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便于掌握樁基的偏位情況。

(4)本研究未考慮盾構(gòu)管片的分塊安裝，且推進(jìn)模擬中未考慮管片安裝與盾構(gòu)停機(jī)的影響，掌子面壓力及注漿壓力等施工參數(shù)亦可能與實(shí)際情況存在一定差異，故，在盾構(gòu)施工期間應(yīng)及時(shí)了解盾構(gòu)施工參數(shù)，當(dāng)存在較大差異時(shí)，應(yīng)重新評(píng)估盾構(gòu)對(duì)樁基的影響。