盾構(gòu)切削樁引起的樁基承載特性變化及可行性研究*

李景茂，王 旭,2，王博林，牛亞強

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學 道橋工程災害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

地鐵常建于城市主干道下方，故可能會穿越既有橋梁樁基。盾構(gòu)法是地鐵隧道施工的主要方法，但其施工會對隧道周圍土體產(chǎn)生擾動，導致土體體積損失，從而造成應力場的改變，對既有橋梁樁基產(chǎn)生不利影響，致使整體結(jié)構(gòu)存在安全隱患[1-2]。

目前，針對盾構(gòu)法施工穿越既有建構(gòu)筑物基礎可行性方案的研究方法主要包括理論計算、現(xiàn)場實測、模型試驗以及數(shù)值分析等。Peck[3]提出假定土體不排水、體積不產(chǎn)生壓縮的隧道施工引起的地層沉降計算公式，該公式被廣泛應用；張治國等[4]采用Pasternak地基模型，從理論上探討隧道掘進過程與相鄰樁基間相互作用的理論表達式；Franza等[5]采用變剛度的鋁板模擬樁及上部結(jié)構(gòu)，室內(nèi)模擬研究在砂土中隧道開挖對樁基建筑物的影響；Meguid等[6]、Lee等[7]基于離心模型試驗，探討盾構(gòu)隧道開挖過程對樁基承載力以及附加內(nèi)力的影響；唐仁等[8]依托盾構(gòu)下穿建筑物工程，研究盾構(gòu)直接切削樁通過后剩余基樁的沉降和承載力計算問題；朱逢斌等[9]通過對比分析離心試驗結(jié)果和有限元模擬，研究軟土地區(qū)盾構(gòu)施工對鄰近樁基的影響規(guī)律；田曉艷等[10]基于剪切位移法及Winkler地基模型，研究隧道掘進對鄰近樁基在非均質(zhì)地基中的影響以及隧道埋深對鄰近樁基的影響；姜忻良等[11]以天津地鐵為背景，基于ABAQUS軟件采用動態(tài)法對盾構(gòu)隧道的施工進行模擬，探討隧道開挖對鄰近樁基的影響；王飛等[12]利用現(xiàn)場試驗，分析盾構(gòu)穿越大直徑橋樁的切樁效果、機制、掘進參數(shù)特征和刀具損傷規(guī)律等，并進一步探討盾構(gòu)切削樁的可行性和關(guān)鍵技術(shù)；成煒康等[13]采用有限元軟件Midas GTS NX建立地鐵盾構(gòu)隧道下穿建筑物的三維實體模型,分析盾構(gòu)隧道下穿建筑物的不同階段對樁體位移、內(nèi)力的影響，并提出安全防護措施。

目前國內(nèi)外的研究成果主要集中在盾構(gòu)下穿或側(cè)穿樁基，對于因盾構(gòu)施工直接切削既有樁基而引起的樁基承載特性的變化及可行性研究仍有不足。本文以蘭州軌道交通1號線拱星墩—東崗區(qū)間盾構(gòu)施工穿越既有橋梁樁基工程為背景，基于數(shù)值計算(Midas GTS)，分析盾構(gòu)切削樁對既有樁基承載特性的影響及可行性，為該工程后期施工及類似工程提供參考。

1 工程概況

蘭州軌道交通1號線西起蘭州市西固區(qū)，東至蘭州市城關(guān)區(qū)，線路全長34 km，是蘭州市從西向東通過城市蜂腰地段的1條主干交通線路。其中拱星墩-東崗區(qū)間隧道中心線埋深16.5 m，地下水埋深約16.5 m，該區(qū)間的主要地層情況見表1。

表1 主要地層情況

按照該區(qū)間設計方案，該線路將與爛泥溝橋、魚兒溝橋2座橋梁的樁基礎相交。2座橋的結(jié)構(gòu)型式相同，上部結(jié)構(gòu)為預應力混凝土空心板梁，下部結(jié)構(gòu)采用樁接蓋梁式橋臺，樁直徑1.2 m，樁長22 m。該項目在前期設計中提出切削樁穿越、切削樁托換、拆除重建等方案。故通過數(shù)值計算探討盾構(gòu)切削樁引起的既有樁基承載特性變化及可行性，為后期施工方案的選取提供參考。

2 有限元模型

采用Midas GTS軟件建立三維有限元模型，如圖1所示，樁基與隧道位置關(guān)系如圖2所示。計算范圍：上部至地表、下部至地表以下44 m，長、寬均為31 m。采用修正摩爾-庫倫屈服準則進行計算。承臺頂面施加357.34 kN/m2的均布荷載，盾構(gòu)掘進壓力為95 kN/m2，樁體采用1D單元模擬，樁土相互作用通過添加的樁界面單元模擬。土體物理力學參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2～3。

圖1 三維有限元模型

圖2 樁基與隧道位置關(guān)系

表2 土體物理力學參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 樁基承載特性變化分析

3.1 基樁軸力和側(cè)摩阻力分析

各基樁在隧道開挖前與切削樁后軸力的變化如圖3所示。

圖3 隧道開挖前與切樁后基樁軸力變化對比

由圖3可知，初始工作荷載下，隧道開挖前各樁的樁頂荷載分布比較均勻，其中3號樁樁頂荷載最大，為1 866.40 kN，5號樁樁頂荷載最小，為1 753.84 kN。切樁后各樁樁頂荷載發(fā)生重分布，1～5號樁樁頂荷載與開挖前樁頂荷載比較，各基樁變化分別為：+19.3%，-25.5%，-29.2%，+26.7%，-5.3%。即隧道兩側(cè)1，4號樁樁頂荷載增大且增大19.3%～26.7%，而切斷樁荷載減小且減小25.5%～29.2%。

樁土相對位移是影響樁基側(cè)摩阻力發(fā)揮程度的重要因素，各基樁在隧道開挖前與切樁后樁土相對位移變化如圖4所示。

圖4 隧道開挖前與切樁后樁土相對位移變化對比

由圖4可知，隧道開挖前樁土相對位移較小，各樁樁土相對位移變化曲線相近，在基樁延土體埋深1/4位置，增長速度明顯下降，這是由于樁周土壓縮沉降變形隨基樁埋深增加而減小所致。開挖后各基樁樁土相對位移均增大，2，3號樁切樁后在樁體自身沉降、承臺削弱、土體壓縮和鄰樁影響的共同作用下樁土相對位移出現(xiàn)3個反彎點，和開挖前增長趨勢完全不同。5號樁樁土相對位移增長最小。

各基樁在隧道開挖前與切樁后側(cè)摩阻力變化如圖5所示。

圖5 隧道開挖前與切樁后側(cè)摩阻力變化對比

由圖5可知，各樁在隧道開挖前側(cè)摩阻力的發(fā)揮趨勢相近，基樁延土體埋深2 m位置處存在1個中性點，中性點以下側(cè)摩阻力為正值，以上為負值。切樁后各基樁側(cè)摩阻力發(fā)生變化，隨樁與隧道位置關(guān)系不同而呈現(xiàn)完全不同的變化趨勢。

切樁后，緊鄰盾構(gòu)隧道兩側(cè)基樁(1，4號樁)在中性點以下至7.5 m附近，側(cè)摩阻力相對于切樁前有所增大，但增幅很小，而此段樁土相對位移又明顯增大，這是由于樁間土位于隧道開挖沉降槽內(nèi)，樁土相對位移增大的同時，土體也發(fā)生較大位移，對樁的壓縮作用下降，以致于側(cè)摩阻力增幅較小。而在7.5 m至隧道頂面范圍內(nèi)側(cè)摩阻力增加明顯，是由于此段位于沉降槽以外，土體沉降小，側(cè)向壓縮作用強，又由于樁自身在樁基切樁后發(fā)生較大沉降，引起樁土相對位移增加，導致側(cè)摩阻力迅速增大。

盾構(gòu)隧道正上方基樁(2，3號樁)在盾構(gòu)掘進過程中被切斷，中性點較開挖前出現(xiàn)在稍淺的區(qū)域，而產(chǎn)生的負摩阻力也較小。在中性點以下由于樁土相對位移增大，摩阻力得以充分的發(fā)揮。

切樁后，離開挖影響范圍較遠基樁(5號樁)在中性點以上負摩阻力增大，在樁深2～6 m之間側(cè)摩阻力小于切樁前，而在6～16 m之間側(cè)摩阻力大于切樁前，但在樁深0～16 m之間總體趨勢一致，側(cè)摩阻力的變化量很小。在樁深16 m以下，側(cè)摩阻力明顯小于切樁前。

3.2 基樁彎矩分析

各基樁在隧道開挖前與切樁后彎矩變化如圖6所示。

圖6 隧道開挖前與切樁后基樁彎矩變化對比

由圖6可知，各樁彎矩在切樁后均顯著增大，1～5號樁樁身最大彎矩相比開挖前分別增長3.9，2.9，3.2，5.2，2.0倍。最大彎矩發(fā)生在1號樁樁頂以下4 m處，為151.98 kN·m；在隧道中心線平面也存在不利截面，彎矩增幅明顯，1，4號樁彎矩分別達到了-129.38，147.33 kN·m。

4 可行性分析

4.1 樁-土-承臺豎向位移分析

文獻[14]數(shù)值計算結(jié)果表明，盾構(gòu)掘進施工在隧道上部形成沉降槽而在下部存在明顯的土體隆起。根據(jù)土體豎向位移的大小將隧道橫剖面劃分為A，B，C，D 4個區(qū)域，如圖7所示。由于應力釋放導致A區(qū)地層表現(xiàn)為明顯的沉降，而B區(qū)隆起明顯，C區(qū)亦為隆起，但位移遠小于B區(qū)，D區(qū)受施工影響較小，土體基本不產(chǎn)生豎向位移。

圖7 土體變形區(qū)域劃分

隧道中心線兩側(cè)地表沉降隨開挖進程變化如圖8所示，其中，原點為隧道中心線，以x軸正負方向表示地表沉降點距離隧道中心線兩側(cè)距離，圖注中距離樁正值代表掘進面未到達樁基的距離，負值代表隧道穿越樁基后掘進面與樁基的距離。

圖8 地表沉降隨開挖進程變化分析

由圖8可知，盾構(gòu)掘進初始階段，施工面距離樁基較遠時樁周地表沉降小，且不存在明顯的差異沉降。隨著掘進靠近樁基，地表沉降開始逐漸增大，當施工面距離樁基2.4 m時，地表沉降開始增大，地表開始出現(xiàn)沉降凹槽，最大沉降量為2.9 mm。切樁后土體位移變化明顯，地表最大沉降出現(xiàn)在隧道中心線處，沉降量達到6.1 mm，相比掘進面距離樁2.4 m時突增3.2 mm，但在距離隧道中心線兩側(cè)7.9 m處地表沉降變化小，最大增量僅為0.2 mm，說明地表產(chǎn)生明顯的差異沉降，并在隧道中心線右側(cè)7.9 m處出現(xiàn)反彎點，此點遠處沉降均較小。切樁后盾構(gòu)繼續(xù)掘進，地表沉降仍呈現(xiàn)增大趨勢，但增幅較小，當施工面距離樁基-8.4 m時，最大沉降量為6.9 mm，相比切樁時沉降增量為0.8 mm，之后隧道施工對樁基影響較小，地表沉降幾乎不再變化。

盾構(gòu)開挖前樁基承受初始工作荷載，相對位移較小，切樁后各樁沉降均增大。各樁樁頂?shù)綐抖顺两党尸F(xiàn)減小趨勢，但遞減速度各樁存在差異，切樁后1～5號樁各截面沉降增量如圖9所示，其中，縱坐標0刻度為樁頂位置。

圖9 切樁后樁基沉降增量

由圖9可知，切樁后各樁沉降增量不同，1，4號樁沉降增量從樁頂至樁端呈現(xiàn)遞減趨勢，而2，3，5號樁則呈現(xiàn)遞增趨勢。3號樁沉降增量最大，樁頂最大增量為5.87 mm，2號樁次之，樁頂為5.79 mm，5號樁由于距離隧道最遠，受施工影響最小，沉降增量也最小，樁頂為2.46 mm。

群樁基礎受荷后，承臺、樁和土形成1個相互作用、共同工作的體系[15]，開挖前與切樁后承臺的沉降變化如圖10所示。

圖10 開挖前與切樁后承臺沉降對比

由圖10可知，開挖前承臺變形和樁沉降規(guī)律一致，以整體沉降為主，最大沉降量為6.29 mm，最小沉降量為5.27 mm，相對沉降為1.02 mm。切樁后承臺發(fā)生明顯的撓曲變形，最大沉降量為12.40 mm，發(fā)生在隧道中心線位置，最小沉降量為7.39 mm，最大相對沉降為5.01 mm。

4.2 基樁水平位移分析

盾構(gòu)隧道開挖引起土體發(fā)生水平位移，導致樁發(fā)生傾斜和撓曲變形，樁體水平位移變化如圖11所示。

圖11 開挖前與切樁后樁體水平位移對比

由圖11可知，開挖前各樁水平變形量均較小，截樁后受隧道施工和樁頂荷載重分布影響，各樁均發(fā)生不同程度的水平變形。1，4號樁距離隧道最近，發(fā)生的水平變形也最大，分別為-0.91，0.95 mm，基樁最大水平位移均發(fā)生在隧道中線附近。

根據(jù)盾構(gòu)施工引起的變形控制值要求，施工引起的地表最大沉降不大于30 mm，單樁沉降不大于10 mm，承臺差異沉降不大于3 mm。綜合分析樁、土和承臺開挖前和切樁后豎向位移變化，各單樁沉降和地表沉降在切樁后仍在變形控制范圍內(nèi)，但直接切樁將導致承臺差異沉降超過限值，樁基將不適于繼續(xù)承載，此方案不可行，必須在施工前采取有效的加固措施。

5 結(jié)論

1)樁基在隧道開挖前后承載特性不同，直接切削樁將導致樁頂荷載重分布，緊鄰樁樁頂荷載增大且增長19.3%～26.7%，截斷樁樁頂荷載減小且減小25.5%～29.2%。

2)樁土相對位移因盾構(gòu)掘進而增大，促使基樁側(cè)摩阻力整體呈現(xiàn)增強趨勢；各基樁最大彎矩同比增大2.0～5.2倍，樁基最大彎矩發(fā)生在1號樁樁頂以下4 m處，為151.98 kN·m，隧道中心線所在平面也存在不利截面。

3)直接切削樁將導致地表、基樁沉降激增，其中位于盾構(gòu)上方的基樁沉降最大，沉降增量達到5.87 mm，盾構(gòu)掘進引起各基樁水平位移增大，最大水平位移均發(fā)生在隧道中線平面附近。

4)直接切削樁導致樁基承臺由初始受力狀態(tài)時的整體沉降變?yōu)閾锨冃螢橹?，最大相對沉降?.01 mm，超過控制限值，可知，直接切削樁方案不可行，必須采用有效的加固措施。