基于滲流應(yīng)力耦合的盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近橋梁樁基的影響

黃戡，孫逸瑋，楊偉軍，匡希龍，周經(jīng)偉，李宇健，黃先強(qiáng)

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410114；2.長(zhǎng)沙學(xué)院土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410022)

隨著我國(guó)城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，人口密度持續(xù)加大，地面交通擁堵已成為制約城市發(fā)展的主要因素。為緩解人口流動(dòng)相對(duì)集中給交通帶來(lái)的壓力，修建地下鐵道成為必然趨勢(shì)。盾構(gòu)法因其具有自動(dòng)化程度高、施工速度快、易于管理、一次成洞、不受氣候影響、對(duì)周?chē)h(huán)境影響小等特點(diǎn)，已成為城市軌道交通的主要施工方法。盾構(gòu)法施工技術(shù)具有優(yōu)良的性質(zhì)，但采用此法施工時(shí)仍不可避免地會(huì)引起地層擾動(dòng)。城市軌道交通規(guī)劃常與地面交通主干道(如城市高架橋等)平行，因而，地鐵施工必然要穿越大量橋樁基礎(chǔ)。目前，許多研究者對(duì)盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿橋梁樁基進(jìn)行了大量研究，如：MU 等[1]提出了一種用于計(jì)算層狀土中隧道開(kāi)挖引起的土體損失對(duì)樁水平響應(yīng)的簡(jiǎn)化分析方法；張治國(guó)等[2]基于Pasternak模型推導(dǎo)了隧道開(kāi)挖對(duì)臨近樁基水平作用的簡(jiǎn)化理論解和體現(xiàn)三維作用效應(yīng)的群樁反應(yīng)表達(dá)式；梁發(fā)云等[3]基于Pasternak 地基模型提出了一種考慮土體剪切作用的雙參數(shù)水平受荷樁分析方法；SOOMRO等[4-5]建立了三維固結(jié)有限元模型，對(duì)單線、雙線隧道在3種不同覆徑比下引起的樁基沉降、傾斜及荷載傳遞機(jī)理進(jìn)行了分析；MESCHKE 等[6]建立了隧道機(jī)械掘進(jìn)過(guò)程中樁-土有限元計(jì)算模型，并通過(guò)研究并行化技術(shù)提高數(shù)值分析的計(jì)算效率。KHABBAZ 等[7]以隧道下穿悉尼馬丁廣場(chǎng)建筑物樁群為背景，對(duì)隧道位置、地下室、建筑樁基之間的關(guān)系進(jìn)行了參數(shù)化研究。YANG 等[8]采用位移控制模型模擬隧道開(kāi)挖引起的地層損失并通過(guò)離心試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)引起鄰近樁產(chǎn)生內(nèi)力和位移的主要因素取決于樁與隧道的距離、樁長(zhǎng)與隧道深度的比值和地層損失率。ZHAO 等[9]對(duì)鄰近堆載產(chǎn)生的樁身內(nèi)力進(jìn)行了研究，總結(jié)出不同排樁形式下的樁身位移情況。漆偉強(qiáng)等[10]研究了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中樁基產(chǎn)生的橫向位移、縱向位移及開(kāi)挖后的樁基沉降規(guī)律，并結(jié)合實(shí)測(cè)沉降提出對(duì)側(cè)穿橋樁的保護(hù)措施。JONGPRADIST等[11]采用三維有限元分析方法研究了隧道開(kāi)挖對(duì)近接樁基的影響范圍及不同施工參數(shù)下的樁身響應(yīng)。ZHAO等[12]采用FLAC3D軟件對(duì)盾構(gòu)穿越鐵路橋樁的各種加固方案進(jìn)行了計(jì)算，并采用正交試驗(yàn)分析了隧道的穩(wěn)定性。XU等[13]以上海地鐵10號(hào)線穿越四平路沙涇港橋群樁基礎(chǔ)為例，采用樁基托換技術(shù)，對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行理論分析與數(shù)值模擬。趙坤等[14]通過(guò)三維數(shù)值計(jì)算比較了不同地層損失率和同步注漿材料下盾構(gòu)施工對(duì)鄰近立交橋樁基的位移影響。盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中由于開(kāi)挖卸荷和土拱作用，其應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。孔隙水壓力會(huì)因盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中地下水位發(fā)生升降而改變。通常由于來(lái)自盾構(gòu)掌子面的掘進(jìn)壓力使土中水從土體中排出，進(jìn)而引起盾構(gòu)前方地下水位下降，因此，盾構(gòu)施工過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)變化引起滲流場(chǎng)變化，滲流場(chǎng)變化繼而又引起應(yīng)力場(chǎng)變化。對(duì)于地下施工中的滲流應(yīng)力耦合分析，黃戡等[15]基于流固耦合理論建立了三維仿真模型，分析了滲流特性、不同降水速度下基坑施工特性及其對(duì)鄰近地鐵線路的影響。LI等[16]提出考慮滲流壓力、襯砌、注漿和巖體之間相互作用及中間主應(yīng)力的解析解。WU等[17]基于流固耦合下隧道開(kāi)挖變形的巖體參數(shù)提出反分析新算法。LI等[18]對(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中的土體變形進(jìn)行了三維完全流固耦合分析。YANG等[19]基于強(qiáng)度折減理論研究了考慮滲流作用下的淺埋隧道開(kāi)挖面安全系數(shù)。宋錦虎等[20]對(duì)水位變化條件下盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面的孔壓分布特性進(jìn)行了研究。徐成華等[21]結(jié)合比奧固結(jié)理論，采用由Fortran95 語(yǔ)言研發(fā)的有限元程序模擬預(yù)測(cè)了盾構(gòu)施工過(guò)程中引發(fā)的地面沉降和土體中孔隙水壓力的變化特征。當(dāng)前人們對(duì)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起橋樁變形的研究主要集中在樁基水平位移方面，全面考慮隧道施工影響的研究較少，對(duì)于樁基豎向及沿隧道縱向的位移研究也較少。根據(jù)有效應(yīng)力原理，地層的有效應(yīng)力增加導(dǎo)致自身產(chǎn)生壓縮固結(jié)沉降，表現(xiàn)為越靠近地表，壓縮固結(jié)沉降越大，鄰近樁基將在土的帶動(dòng)下產(chǎn)生新的沉降，并在樁身上部出現(xiàn)負(fù)摩阻力。若沉降超過(guò)一定限值，則將影響上部結(jié)構(gòu)物的正常使用。目前，國(guó)內(nèi)外分析盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋梁的影響性時(shí)較少考慮滲流應(yīng)力耦合的作用，為此，本文作者對(duì)流固耦合模式下盾構(gòu)隧道對(duì)鄰近樁基的影響過(guò)程進(jìn)行研究。

1 盾構(gòu)施工對(duì)鄰近橋樁的作用機(jī)理

1.1 盾構(gòu)施工對(duì)橋樁的影響

盾構(gòu)開(kāi)挖后使得樁的一側(cè)卸載，進(jìn)而影響橋樁的受力性能。盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)橋樁的影響示意圖如圖1所示。

由于城市高架橋的樁底位置較深，通常位于盾構(gòu)隧道之下，因此，隧道開(kāi)挖對(duì)樁端承載力的影響較小。盾構(gòu)在勻速穿越橋樁的過(guò)程中，橋樁基礎(chǔ)受開(kāi)挖影響的主要因素體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1)盾構(gòu)開(kāi)挖引起地層損失及地下水位下降；

圖1 盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)橋樁的影響示意圖Fig.1 Diagram of influence of shield excavation on bridge piles

2)土體側(cè)向位移引起樁身側(cè)向位移；

3)樁周土沉降引起負(fù)摩阻力，進(jìn)一步導(dǎo)致樁的附加沉降。

1.2 盾構(gòu)施工對(duì)單樁豎向位移的計(jì)算

基于Pasternak 地基模型，假定樁與土之間保持彈性接觸，樁土間不發(fā)生滑移，用連續(xù)分布的彈簧來(lái)模擬樁與樁側(cè)土體之間的相互作用。單樁豎向位移計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示，圖中P0為樁頂處節(jié)點(diǎn)所受上部結(jié)構(gòu)荷載。由于在深度z處樁身沉降和樁側(cè)土沉降相等，可得土體豎向位移對(duì)樁身影響的沉降控制方程：

式中：Wt(z)為隧道開(kāi)挖引起的樁基沉降；St(z)為土體豎向位移；z為沉降計(jì)算點(diǎn)距地表的深度；k為地基反力模量；G為剪切層的剛度。k和G的計(jì)算式如下[22-23]：

式中：Es為土體彈性模量；d為樁基等效寬度；EI為樁基抗彎剛度；ν為土的泊松比；t為剪切層厚度。

圖2 單樁豎向位移計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.2 Vertical displacement calculation of single pile

在通常情況下，橋樁會(huì)深入多層土體中，對(duì)于分層地基中的單樁，可將樁長(zhǎng)分為n等份。設(shè)樁長(zhǎng)為L(zhǎng)，樁頂處為結(jié)點(diǎn)O，該處有邊界條件P(0)=P0，樁端處為節(jié)點(diǎn)n。采用中心差分形式，以節(jié)點(diǎn)i為例，其導(dǎo)數(shù)與差分的關(guān)系式為：

將式(4)代入式(1)可得如下差分表達(dá)式：

式中：h為相鄰兩節(jié)點(diǎn)之間的距離，h=L/n；L為樁長(zhǎng)。則盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)單樁豎向影響的差分方程為

式中：[Kpz]為樁基豎向剛度矩陣；{Fz}為樁基豎向外荷載列向量；{Wt}為隧道開(kāi)挖過(guò)程樁身節(jié)點(diǎn)豎向位移列向量，{Wt}=[Wt,0，Wt,1，…，Wt,i，…，Wt,n-1，Wt,n]T；{St}為隧道開(kāi)挖在樁身相應(yīng)位置處的土體豎向自由位移列向量，采用LOGANATHAN等[24]提出的式(8)計(jì)算，式(8)適用于計(jì)算盾構(gòu)隧道在不排水開(kāi)挖時(shí)的土體自由場(chǎng)位移，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證具有較高的計(jì)算精度；{St}=[St,0，St,1，…，St,i，…，St,n-1，St,n]T；[Ksz]為土體豎向剛度矩陣；R為隧道半徑；H為隧道埋深；x為樁距離隧道中心線的水平距離；g為等效地層損失參數(shù)；ksz,i=0≤i≤n。

可得非均質(zhì)地基中隧道開(kāi)挖引起的鄰近單樁豎向位移為

1.3 盾構(gòu)施工對(duì)單樁的水平位移計(jì)算

分析盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起的樁身處土體自由水平位移時(shí)，采用以下假定：

1)土體視為連續(xù)均質(zhì)彈性體；

2)不考慮軸力的影響；

3)將基于Pasternak 地基模型視樁為彈性地基梁；

4)樁土間相互作用采用連續(xù)分布的彈簧模擬，樁土間不發(fā)生分離，滿(mǎn)足變形協(xié)調(diào)條件。

盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)鄰近單樁水平方向影響性分析計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示，其中，Q0為樁頂處節(jié)點(diǎn)所受水平力，M0為樁頂處節(jié)點(diǎn)所受彎矩。樁底采用鏈桿連接。

圖3 單樁水平位移計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.3 Horizontal displacement calculation of single pile

根據(jù)彈性地基梁計(jì)算公式可得土體水平向位移對(duì)樁身影響的水平控制方程：

式中：ym(z)為盾構(gòu)開(kāi)挖引起的樁基水平位移；Sx(z)為土體水平位移。

將分層地基中的單樁按樁長(zhǎng)分為n等份，將式(5)代入式(9)可得有限差分表達(dá)式：

盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)樁基水平影響的差分方程為

式中：[Kμx]為樁基水平向剛度矩陣；{Fx}為樁基水平向外荷載列向量；{ym}為隧道開(kāi)挖過(guò)程樁身節(jié)點(diǎn)水平向位移列向量，{ym}=[ym,0，ym,1，…，ym,i，…，ym,n-1，ym,n]T；{Sx}為隧道開(kāi)挖在樁身相應(yīng)位置處的土體水平向自由位移列向量，采用LOGANATHAN 等[24]提出的公式(式(14))，計(jì)算，{Sx}=[Sx,0，Sx,1，…，Sx,i，…，Sx,n-1，Sx,n]T；[Kδx]為土體水平向剛度矩陣。

式中：kδx,i=0≤i≤n。

可得分層地基中隧道開(kāi)挖引起的鄰近單樁水平位移為

將上述公式進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程，可得出Pasternak 地基中盾構(gòu)不排水開(kāi)挖時(shí)引起的單樁豎向和水平位移。

2 盾構(gòu)側(cè)穿橋梁工程實(shí)例

2.1 工程概況

長(zhǎng)沙市軌道交通5號(hào)線一期工程勞動(dòng)?xùn)|路站—華雅站區(qū)間沿萬(wàn)家麗路東側(cè)與萬(wàn)家麗高架橋平行展布。萬(wàn)家麗高架橋主橋橋樁位于區(qū)間左線西側(cè)，距離高架橋樁基最近處僅3.07 m。該處隧道埋深為19.2 m，管片環(huán)寬為1 500 mm，內(nèi)徑為5 400 mm，管片厚度為300 mm。周?chē)貙游锢砹W(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 有限元模型

為具體分析流固耦合下盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近橋梁樁基的影響，選取本區(qū)間內(nèi)隧道與樁基距離最近處建立有限元模型，該處橋墩號(hào)為Pm334。左線隧道距離2 根直徑為1 200 mm 的灌注樁最短直線距離僅為3.07 m。有限元模型如圖4所示。在實(shí)際工程中，當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)挖至鄰近橋樁附近時(shí)，會(huì)減緩盾構(gòu)推進(jìn)速度，以保持開(kāi)挖面的平衡和穩(wěn)定，故此時(shí)在模型中設(shè)置盾構(gòu)掘進(jìn)壓力為8 MN，注漿壓力為0.6 MPa。施工階段盾構(gòu)始終保持勻速推進(jìn)，每2 h 推進(jìn)1 環(huán)。為考慮盾構(gòu)掘進(jìn)使土體卸荷的影響，采用修正Mohr-Coulomb模型。

2.3 流固耦合理論

流固耦合理論采用三維Biot 理論，方程如式(17)所示。式(17)中的3 個(gè)方程式包含4 個(gè)未知數(shù)：us，vs，ws和u。根據(jù)達(dá)西定律可得式(18)。

表1 周?chē)貙游锢砹W(xué)參數(shù)Table 1 Physical mechanical parameters of surrounded layers

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 盾構(gòu)開(kāi)挖引起地下水滲流速度分析

基于流固耦合理論，盾構(gòu)開(kāi)挖引起的地下水滲流速度云圖如圖5所示。從圖5可以看出：滲流速度沿隧道開(kāi)挖掌子面至地表方向依次減弱，盾構(gòu)機(jī)前上方土體中的地下水滲流速度較快，周?chē)馏w的地下水滲流速度較慢，兩側(cè)的地下水向隧道正上方進(jìn)行滲流補(bǔ)給，在地表呈現(xiàn)出“U”形的流動(dòng)趨勢(shì)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是：隨著盾構(gòu)機(jī)不斷推進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)前上方的地下水損失較多，此時(shí)，前上方土體中的地下水滲流速度較快，而隧道兩側(cè)的地下水損失較少，向隧道正上方進(jìn)行流動(dòng)補(bǔ)給。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)采用精密水準(zhǔn)儀、裂縫觀測(cè)儀、經(jīng)緯儀、傾斜儀等設(shè)備重點(diǎn)對(duì)萬(wàn)家麗高架橋橋墩沉降、橋樁豎向位移及橋樁傾斜度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中，樁身豎向位移通過(guò)傾角變化量和數(shù)字處理技術(shù)轉(zhuǎn)化得到。在每個(gè)墩柱上對(duì)稱(chēng)布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，要求高架橋連續(xù)梁樁基沉降不大于10 mm，同一跨相鄰樁基的沉降差不大于5 mm。橋墩沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖6所示。

3.3 橋墩沉降量分析

選取不考慮地下水、穩(wěn)定地下水位及流固耦合共3種不同工況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)盾構(gòu)隧道引起該處橋墩的沉降量進(jìn)行分析。其中，不考慮地下水工況指整個(gè)盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程均不考慮地下水的影響；穩(wěn)定地下水位工況指在整個(gè)盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中，地下水位均保持在初始水位不變；流固耦合工況指通過(guò)布置節(jié)點(diǎn)水頭模擬盾構(gòu)開(kāi)挖引起地下水位的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。橋墩Pm334 隨盾構(gòu)掘進(jìn)的沉降對(duì)比如圖7所示。對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可得出：

1)不考慮地下水作用時(shí)，橋墩沉降量明顯偏小。在盾構(gòu)開(kāi)挖面到達(dá)樁基前方10～20 m 時(shí)，橋墩出現(xiàn)少量抬升；隨著盾構(gòu)進(jìn)一步開(kāi)挖，通過(guò)樁基10 m位置后，橋墩不發(fā)生沉降，出現(xiàn)回彈趨勢(shì)，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果不符。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因主要是忽略地下水作用時(shí)，土體變形量較小，同時(shí)，開(kāi)挖面的擠壓會(huì)引起一部分土體隆起，使得沉降量總體上偏小。

2)采用穩(wěn)定地下水位與不考慮地下水位相比，所得橋墩沉降量與實(shí)測(cè)橋墩沉降量較接近，但假定地下水位始終保持不變，便忽略了盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)地下水的影響，不能完全反映實(shí)際情況。流固耦合工況考慮了地下水隨盾構(gòu)開(kāi)挖出現(xiàn)升降的工程實(shí)際，所得橋墩沉降量與實(shí)測(cè)橋墩沉降量相吻合。

3)結(jié)合流固耦合工況及實(shí)測(cè)結(jié)果可知，隨著盾構(gòu)開(kāi)挖面至樁基的距離不斷減小，橋墩沉降持續(xù)增加；開(kāi)挖面距樁基15 m 以?xún)?nèi)，橋墩沉降量迅速增大；盾構(gòu)開(kāi)挖經(jīng)過(guò)樁基位置后，橋墩沉降量仍繼續(xù)增大，但增加速率有所減小，約在經(jīng)過(guò)樁基后15 m 沉降量基本保持穩(wěn)定，并小于沉降控制值。

圖5 滲流速度云圖Fig.5 Contours of flow velocity

圖6 橋墩沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖Fig.6 Layout diagram of settlement monitoring points

3.4 鄰近樁基豎向位移對(duì)比

在實(shí)際工程中，忽略地下水影響往往會(huì)引起較大誤差，因此，在分析樁基豎向位移規(guī)律時(shí)，分別選取流固耦合工況、穩(wěn)定地下水位工況、基于Pasternak 地基的解析計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。盾構(gòu)掘進(jìn)至距離樁基最近處，3種計(jì)算方法的樁身豎向位移對(duì)比如圖8所示(圖中樁長(zhǎng)0 m對(duì)應(yīng)樁頂，樁長(zhǎng)50 m對(duì)應(yīng)樁底)。從圖8可見(jiàn)：

圖7 橋墩沉降量Fig.7 Settlements of pier

1)盾構(gòu)通過(guò)鄰近樁基過(guò)程中，位于隧道頂部以上區(qū)域的樁身呈現(xiàn)出一定沉降，且隨著埋深減小而增大。隧道頂部以下至樁底范圍內(nèi)，樁身位移方向豎直向上。其原因主要是：盾構(gòu)開(kāi)挖引起隧道上方產(chǎn)生地層損失，同時(shí)，在負(fù)摩阻力的影響下，樁身上部分向下沉降；盾構(gòu)開(kāi)挖使隧道以下范圍內(nèi)的土體卸荷，底部出現(xiàn)少量回彈；在地下水影響下進(jìn)一步引起樁周土體變形，樁身下部分在土體帶動(dòng)下產(chǎn)生少量豎直向上的位移。

圖8 樁身豎向位移對(duì)比Fig.8 Comparison of vertical pile deformation

2)采用流固耦合理論，當(dāng)隧道開(kāi)挖至距離樁基最近處時(shí)，樁頂?shù)呢Q向位移為-0.368 mm，樁底的豎向位移為+0.284 mm；考慮穩(wěn)定地下水作用時(shí)，樁頂?shù)呢Q向位移為-0.331 mm，較流固耦合結(jié)果小10%，樁底的豎向位移為+0.449 mm，較流固耦合結(jié)果大58%。將理論結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：考慮穩(wěn)定地下水位會(huì)使樁身上部位移偏小，同時(shí)夸大了下部樁身的位移。這是由于考慮地下水損失時(shí)，隧道底部的浮力會(huì)比考慮穩(wěn)定地下水時(shí)的浮力小，因此，考慮流固耦合的計(jì)算方法更符合實(shí)際工況。

3.5 鄰近樁基豎向位移變化過(guò)程分析

由于當(dāng)前研究分析盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)鄰近橋樁的完整影響過(guò)程較少，為初步確定樁基受盾構(gòu)的影響范圍及最大位移，基于流固耦合工況，重點(diǎn)研究其位移變化發(fā)展規(guī)律。樁身豎向位移變化過(guò)程如圖9所示。

由圖9可以看出：盾構(gòu)開(kāi)挖至樁基前16環(huán)時(shí)，樁身幾乎不發(fā)生位移，其沉降主要由橋梁本身的上部荷載引起；從盾構(gòu)到達(dá)樁基前10 環(huán)開(kāi)始，樁身豎向位移開(kāi)始迅速增加；開(kāi)挖至樁基位置時(shí)，位移不會(huì)立即停止增加，但增長(zhǎng)速率減小，直至開(kāi)挖通過(guò)樁基后10 環(huán)，樁身豎向位移基本趨于穩(wěn)定；盾構(gòu)側(cè)穿橋樁最終引起的橋墩沉降量穩(wěn)定在-0.605 mm，與盾構(gòu)開(kāi)挖至樁基位置處的橋墩沉降量相比大64%；樁底豎向位移穩(wěn)定在+0.539 mm，較盾構(gòu)開(kāi)挖至樁基位置處的樁底位移大90%。因此，僅分析盾構(gòu)開(kāi)挖至樁基位置處的樁身位移不能完全滿(mǎn)足實(shí)際要求，還需進(jìn)一步分析開(kāi)挖通過(guò)樁基后產(chǎn)生的二次沉降。

圖9 樁身豎向位移變化過(guò)程圖Fig.9 Vertical displacement variation process diagrams of pile

3.6 鄰近樁基水平位移變化過(guò)程分析

基于流固耦合工況，樁身水平位移變化過(guò)程如圖10所示。樁身水平位移的最大值出現(xiàn)在樁頂及樁身靠近隧道范圍內(nèi)，與漆偉強(qiáng)等[10]研究的近距離匝道橋樁變形、張治國(guó)等[2]研究的群樁水平位移具有高度的相似性。當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)挖經(jīng)過(guò)鄰近樁基時(shí)，樁身水平位移表現(xiàn)為“S”狀，即在盾構(gòu)隧道附近，樁身水平位移向遠(yuǎn)離盾構(gòu)隧道的方向變形，樁頂及樁底部分水平位移向靠近盾構(gòu)隧道方向變形。產(chǎn)生的原因主要來(lái)自盾構(gòu)開(kāi)挖造成的上部地層損失及隧道底部以下卸荷后的土體回彈。

圖10 樁身水平位移變化過(guò)程圖Fig.10 Horizontal displacement variation process diagrams of pile

樁身水平位移較樁身豎向位移受開(kāi)挖影響更明顯，當(dāng)開(kāi)挖至樁基前16 環(huán)時(shí)，樁身整體水平位移較小，此后，水平位移便迅速增加，當(dāng)開(kāi)挖至樁基位置時(shí)，水平最大位移為-0.779 mm。盾構(gòu)通過(guò)樁基后，位移進(jìn)一步增加，開(kāi)挖至樁基后10環(huán)與14環(huán)時(shí)，兩者的位移幾乎沒(méi)有區(qū)別，可認(rèn)為此時(shí)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，水平位移最大值穩(wěn)定在-1.394 mm，較開(kāi)挖至樁基位置處的最大位移大78.9%?？梢?jiàn)，在盾尾脫出后，襯砌管片的變形、壁后注漿量、注漿壓力及流固耦合下土體有效應(yīng)力的變化都會(huì)進(jìn)一步使該處地層產(chǎn)生一定程度變形，進(jìn)而引起樁基的豎向和水平向位移繼續(xù)增大。

3.7 鄰近樁基沿隧道縱向位移變化過(guò)程分析

目前大多數(shù)學(xué)者對(duì)鄰近樁基的水平位移進(jìn)行了研究，但對(duì)樁基沿隧道縱向的位移研究很少。盾構(gòu)的掘進(jìn)壓力會(huì)引起部分樁身受到擠壓，產(chǎn)生沿隧道的縱向位移?；诹鞴恬詈瞎r，樁身沿隧道縱向位移過(guò)程如圖11所示。從圖11可見(jiàn)：當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)挖至樁基前16 環(huán)時(shí)，樁身與開(kāi)挖面重疊部分已出現(xiàn)最大為-0.371 mm的縱向位移；隨著開(kāi)挖面與樁基距離不斷減小，縱向位移逐漸增大；與豎向位移與水平位移不同，樁身縱向位移最大值出現(xiàn)在盾構(gòu)到達(dá)樁基位置處，此時(shí)，樁身位移為-1.45 mm，較水平位移最大值大4.0%。這充分說(shuō)明樁基沿隧道縱向的位移是盾構(gòu)側(cè)穿橋樁過(guò)程中不可忽略的重要部分。盾構(gòu)通過(guò)樁基位置后，縱向位移有所減小，但在恢復(fù)過(guò)程中，縱向位移最大值有向樁身上方移動(dòng)的趨勢(shì)，最終穩(wěn)定在-1.001 mm，位置沿樁身上移3.00 m。

圖11 樁身沿隧道縱向位移變化過(guò)程Fig.11 Longitudinal displacement variation process diagrams of pile along tunnel

3.8 鄰近樁基受力特性分析

盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起的樁身應(yīng)力變化過(guò)程如圖12所示。從圖12可見(jiàn)：樁基在未進(jìn)入盾構(gòu)影響范圍前，樁身應(yīng)力整體表現(xiàn)為由上到下的線性分布；隨著盾構(gòu)不斷接近，樁身在距離隧道最近位置附近呈現(xiàn)出較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象；隨著盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)，應(yīng)力持續(xù)增大；當(dāng)應(yīng)力過(guò)大時(shí)，需要在施工前進(jìn)行袖閥管注漿加固或設(shè)置隔斷來(lái)減小樁身局部應(yīng)力；開(kāi)挖至樁基后4 環(huán)與開(kāi)挖至樁基后10 環(huán)之間的應(yīng)力差別較小。

圖12 盾構(gòu)開(kāi)挖引起的樁身應(yīng)力變化過(guò)程Fig.12 Process of pile stress variation caused by shield excavation

因此，可認(rèn)為盾構(gòu)通過(guò)樁基10 環(huán)(15 m)范圍之后，樁基產(chǎn)生的應(yīng)力已基本穩(wěn)定。在盾構(gòu)近距離側(cè)穿橋樁的過(guò)程中，要注重距離隧道最近位置樁身所受的彎矩及產(chǎn)生于此位置以上和以下的抗剪強(qiáng)度，保證樁身不受到較大影響。

4 結(jié)論

1)根據(jù)有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果、理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)挖導(dǎo)致場(chǎng)地內(nèi)地下水位升降時(shí)，采用流固耦合理論的計(jì)算結(jié)果比不考慮地下水、考慮穩(wěn)定地下水及基于Pasternak地基模型的計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際結(jié)果。

2)在施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)前方滲流速度沿隧道開(kāi)挖面至地表方向依次減弱，盾構(gòu)掘進(jìn)掌子面上方土體的滲流速度比周邊土體滲流速度快。盾構(gòu)通過(guò)后，兩側(cè)地下水呈現(xiàn)出“U”形向隧道上方補(bǔ)給的流動(dòng)趨勢(shì)。

3)盾構(gòu)隧道側(cè)穿橋梁樁基過(guò)程中，樁身豎向位移表現(xiàn)為自隧道頂部以上范圍的樁體出現(xiàn)沉降，隧道頂部以下范圍的樁體出現(xiàn)豎直向上的位移；樁身水平位移在隧道開(kāi)挖范圍附近表現(xiàn)為遠(yuǎn)離隧道方向變形，呈“S”形分布。盾構(gòu)在接近樁基過(guò)程中，樁身應(yīng)力在隧道開(kāi)挖區(qū)域附近出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象；隨著盾構(gòu)繼續(xù)開(kāi)挖，樁身應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

4)樁身豎向位移和水平位移在盾構(gòu)開(kāi)挖經(jīng)過(guò)樁基位置后，位移會(huì)繼續(xù)增加，但增加速率減小，在盾構(gòu)通過(guò)樁基10 環(huán)(15 m)位置之后趨于穩(wěn)定。樁身縱向位移主要受掘進(jìn)壓力的影響，其受盾構(gòu)開(kāi)挖影響較豎向位移和水平位移受盾構(gòu)開(kāi)挖的影響更大，最大值出現(xiàn)在開(kāi)挖至樁基位置，之后產(chǎn)生一定程度回彈。在實(shí)際工程中，應(yīng)注重樁基沿隧道縱向產(chǎn)生的位移監(jiān)測(cè)，適當(dāng)調(diào)整掘進(jìn)壓力。