王其炎,吳 健*,楊 飛,陳自海,楊建輝
(1.浙江交工集團(tuán)股份有限公司,浙江 杭州 310051;2.浙江科技學(xué)院,浙江 杭州 310023)
近年來,鄰近地鐵隧道橋梁建設(shè)工程越來越多,橋梁群樁施工引起地層位移,進(jìn)而對(duì)地鐵隧道形成擾動(dòng),引起隧道結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化。對(duì)位移規(guī)律開展研究,確保樁基工程順利實(shí)施對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
已有文獻(xiàn)主要采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值分析方法對(duì)樁基施工時(shí)鄰近地鐵隧道位移規(guī)律開展研究。徐云福等[1]開展了單樁全套管旋挖施工對(duì)緊鄰運(yùn)營(yíng)地鐵隧道影響的試驗(yàn)研究,監(jiān)測(cè)了隧道和土體位移,表明選擇全套管成樁工藝可以有效減小對(duì)地鐵隧道位移的影響。樓曉明等[2-3]開展了高層建筑物樁基施工對(duì)鄰近隧道位移和內(nèi)力的影響研究。莊妍等[4]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法,研究了全套管灌注樁施工時(shí)的土體位移發(fā)展過程,表明盾構(gòu)隧道處于安全工作狀態(tài)。鄧指軍[5]對(duì)位于地鐵上部的樁基施工引起的隧道變形問題開展了研究,表明鄰近隧道的鋼套管旋轉(zhuǎn)壓入施工可導(dǎo)致盾構(gòu)管片變形,采用跳樁施工以及布置泄壓孔可減小對(duì)隧道的影響。丁智等[6]依托試樁試驗(yàn),研究了樁基施工過程及完工后地層沉降對(duì)鄰近隧道的影響規(guī)律。路平等[7]采用有限元分析方法,對(duì)樁基施工引起的隧道內(nèi)力和形變進(jìn)行了研究,表明土體發(fā)生的豎向位移引起隧道整體沉降。代志萍[8]采用有限元分析方法,研究了灌注樁施工過程對(duì)鄰近隧道位移和內(nèi)力的影響,表明鉆孔過程影響較小,混凝土澆注過程對(duì)隧道影響較大。閆靜雅等[9-10]利用數(shù)值分析方法開展的研究表明,隨著樁間距及樁隧凈距的增大,樁基施工對(duì)隧道變形和內(nèi)力的影響逐漸減小,在隧道軸線方向上的樁間距對(duì)隧道的影響,要遠(yuǎn)大于在垂直方向的樁間距的影響。宋福貴等[11]分析了鋼套管樁不同的群樁施工順序?qū)︵徑扔兴淼赖挠绊懀o出了優(yōu)化的施工順序。歸浩杰等[12]采用有限元分析方法研究了群樁基礎(chǔ)施工工況對(duì)鄰近隧道的影響,表明群樁至隧道的距離對(duì)隧道豎向位移影響較大。
總體上,目前的研究成果多集中在單樁施工對(duì)鄰近隧道的影響,而對(duì)群樁施工的影響研究成果較少,特別是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果開展的研究更少,還沒有形成規(guī)律性認(rèn)識(shí)。杭州市一高架橋上跨地鐵 1號(hào)線和4號(hào)線,橋梁的群樁基礎(chǔ)鄰近地鐵隧道,本文采用工程實(shí)測(cè)和 ABAQUS三維有限元分析兩種方法,對(duì)群樁施工引起的隧道群位移開展研究。
地層柱狀圖見圖 1。地層主要由雜填土、素填土、塘泥、暗塘土、砂質(zhì)粉土、粉砂夾粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、圓礫、中細(xì)砂、含圓礫粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等組成,高架橋選擇⑨3層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖作為樁端持力層。地下水分為孔隙潛水、承壓水和基巖裂隙水三種情況。孔隙潛水主要賦存于淺部粉、砂性土層內(nèi),受沉積層理控制,透水性具有各向異性。承壓水賦存于下部粉砂、圓礫層內(nèi),含水層總厚度為10~15 m,透水性良好,上覆黏性土層為相對(duì)隔水層?;鶐r裂隙水賦存于第四系土層下部的風(fēng)化裂隙內(nèi),對(duì)本工程影響不大。
圖1 地基柱狀圖Fig.1 Stratigraphic column of ground
杭甬高速公路抬升工程主線高架橋第七聯(lián) 23號(hào)、24號(hào)墩位于運(yùn)營(yíng)地鐵1號(hào)線兩側(cè),每個(gè)樁群由12根直徑1.8 m單樁構(gòu)成,樁長(zhǎng)67.3~67.9 m,共計(jì)24根樁。群樁與地鐵隧道的平面關(guān)系見圖2。23號(hào)墩的群樁基礎(chǔ)離1號(hào)線右線管片外緣的最小距離為13.22 m,24號(hào)墩群樁基礎(chǔ)離1號(hào)線左線管片外緣的最小距離為 12.43 m。為了降低樁基施工對(duì)隧道的擾動(dòng),采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔,每根樁基施工順序?yàn)閴喝脘撎坠?、出土和灌注混凝土?4根樁基主要工序的施工組織見表1所示。
圖2 樁基與地鐵隧道位置關(guān)系示意圖Fig.2 Schematic of position relationship between piles foundation and subway tunnels
樁基施工需保護(hù)的地鐵設(shè)施為地鐵1號(hào)線左線和右線、1號(hào)線出段線、4號(hào)線的出線段和入段線,共計(jì)5條地鐵線路,見圖3所示。
圖3 地鐵隧道剖面圖Fig.3 Transverse section of subway tunnel
在隧道中選擇距群樁最近的斷面布置測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)群樁施工過程中隧道水平位移和豎向位移。這些測(cè)點(diǎn)位于斷面的側(cè)壁,是監(jiān)測(cè)斷面上離群樁最近的位置。1號(hào)線的左線和出段線、4號(hào)線出段線選取離24號(hào)群樁最近的點(diǎn),1號(hào)線右線和4號(hào)線入段線選取離23號(hào)群樁最近的點(diǎn),觀測(cè)斷面位置見圖4,測(cè)點(diǎn)見圖5。采用徠卡TM50型測(cè)量機(jī)器人并組成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)位移。
圖4 位移測(cè)點(diǎn)所在斷面的三維示意圖Fig.4 3-D diagram of section of displacement measurement points
圖5 位移測(cè)點(diǎn)剖面示意圖Fig.5 Profile diagram of displacement measurement points
模型土體選用M-C模型,為了將問題簡(jiǎn)化,根據(jù)地層構(gòu)成情況,將相近地層合并,模型共設(shè)7個(gè)土層,其物理力學(xué)取值見表 2。灌注樁、鋼套管、隧道管片選用線彈性模型,參數(shù)如表 3。模型沿隧道軸線方向(Y軸)和垂直隧道方向(X軸)取250 m,地層深度(Z軸)取60 m。在模型左右兩側(cè)邊界水平方向位移設(shè)置為零(UX=0,UY=0),在模型底部邊界設(shè)定豎向位移為零(UZ=0),模型頂部表面設(shè)置為自由邊界。
表2 土體參數(shù)表Table 2 Soil parameters
表3 線彈性材料參數(shù)表Table 3 Parameters of linear elastic materials
根據(jù)實(shí)際工程的鉆孔灌注樁施工工序,在數(shù)值分析時(shí)將單樁施工分為壓入鋼套管、出土-泥漿護(hù)壁、混凝土灌注、混凝土硬化4個(gè)步驟。壓入鋼套管工序模擬時(shí),將鋼套管X和Y兩個(gè)方向的位移設(shè)為零,即UX=0,UY=0,并將下壓深度值設(shè)為向下的位移;通過單元生死功能模擬出土工序,即將土體單元進(jìn)行移除,出土的同時(shí)設(shè)置靜水壓力模擬泥漿護(hù)壁工序,泥漿的重度設(shè)為12 kN/m3;混凝土灌注過程等效為靜水壓力,灌注混凝土的重度設(shè)為24 kN/m3;通過單元生死功能模擬混凝土硬化,即將混凝土單元激活。
數(shù)值分析模型上選取與現(xiàn)場(chǎng)相同的監(jiān)測(cè)斷面和觀測(cè)點(diǎn),對(duì)其位移進(jìn)行分析,見圖4和圖5所示。為了便于分析,定義位移數(shù)據(jù)的正負(fù),水平位移以靠近最近的樁基為正,反之為負(fù),隧道以上浮位移為正,沉降為負(fù)。考慮樁基施工時(shí)間較短(37 d),淤泥質(zhì)土層來不及固結(jié),故在本次模擬分析中沒有考慮流固耦合作用。
(1)水平位移分析
將工程實(shí)測(cè)和有限元模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到水平位移的發(fā)展過程,見圖6。從圖6可見,在樁基施工過程中,在水平方向上各條隧道發(fā)生移動(dòng),移動(dòng)方向總體是離開鄰近的樁基,期間有離開和靠近的波動(dòng)。1號(hào)線左線、1號(hào)和 4號(hào)線出段線的水平位移方向是離開24號(hào)樁基,1號(hào)線右線和4號(hào)線入段線的水平位移方向是離開23號(hào)樁基。6月22日前,各測(cè)點(diǎn)的位移增長(zhǎng)較緩慢,之后增長(zhǎng)較快。這與樁基每日的施工數(shù)量有關(guān),由表1可見,在6月22日之前每日只施工一根樁,之后每日成樁數(shù)量增多,導(dǎo)致對(duì)地層和地鐵隧道的擾動(dòng)程度加劇,于是出現(xiàn)了6月 22日前位移增長(zhǎng)較為緩慢,而后增長(zhǎng)較快的現(xiàn)象。
圖6 各測(cè)點(diǎn)水平位移發(fā)展規(guī)律Fig.6 Time-history curves of tunnel horizontal displacements
由圖6可見,有限元分析獲得的水平位移數(shù)據(jù)與工程實(shí)測(cè)存在一定差異,但兩者的發(fā)展規(guī)律基本相符。相比較可見,數(shù)值分析得到的水平位移隨著施工進(jìn)展增長(zhǎng)較為平緩,而工程實(shí)測(cè)曲線波動(dòng)幅度較大,這可能和項(xiàng)目工地的施工設(shè)備移位、社會(huì)車輛通行、出土和堆土情況有關(guān)。
由圖6可見,工程實(shí)測(cè)和有限元分析數(shù)據(jù)都說明,隧道群埋深越大,水平位移越大。各測(cè)點(diǎn)的水平位移較小,大部分測(cè)點(diǎn)水平位移均處于預(yù)警范圍之內(nèi)(2 mm),全部小于報(bào)警值(4 mm)。
(2)豎向位移分析
將工程實(shí)測(cè)和有限元分析數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到豎向位移的發(fā)展過程,見圖7。
圖7 各測(cè)點(diǎn)豎向位移發(fā)展規(guī)律Fig.7 Time-history curves of tunnel vertical displacements
由圖7可見,各隧道測(cè)點(diǎn)豎向位移總體上都是沉降,期間存在上浮和下沉的波動(dòng),與水平位移相似,6月22日之前豎向位移增長(zhǎng)緩慢,之后增長(zhǎng)較快。有限元分析獲得的豎向位移數(shù)據(jù)與工程實(shí)測(cè)存在一定差異,但兩者的發(fā)展規(guī)律基本相符,有限元分析獲得豎向位移的變化幅度較小,曲線平緩,工程實(shí)測(cè)曲線波動(dòng)幅度更大。從圖7可見,工程實(shí)測(cè)和有限元分析數(shù)據(jù)都說明,隧道埋深越大,沉降越小。各測(cè)點(diǎn)的豎向位移較小,全部測(cè)點(diǎn)水平位移均處于預(yù)警范圍(3 mm)之內(nèi)。
圖 6和圖 7中實(shí)測(cè)的隧道水平位移和豎向位移存在波動(dòng)(回彈)現(xiàn)象,這與群樁施工期間每天施工流程有關(guān)。由表1可見,施工內(nèi)容包括壓管、出土、灌注混凝土等,每個(gè)工序?qū)λ淼牢灰拼嬖谟绊?,不同工序的影響也存在耦合作用,?dǎo)致隧道的位移過程極為復(fù)雜,出現(xiàn)了圖6和圖7中的位移波動(dòng)現(xiàn)象。
(1)工程實(shí)測(cè)及有限元分析都表明,隧道群的水平移動(dòng)趨勢(shì)表現(xiàn)為離開鄰近的樁基,埋深越大的隧道,水平位移越大。
(2)豎向位移總體表現(xiàn)為下沉,隧道群埋深越大,豎向位移越小。各地鐵隧道水平位移均大于沉降沉降。
(3)水平和豎向位移增長(zhǎng)量與當(dāng)日樁基完成數(shù)量密切相關(guān),完成數(shù)量少,隧道位移增長(zhǎng)緩慢,數(shù)量多則位移增長(zhǎng)較快。
(4)各測(cè)點(diǎn)的水平位移和豎向位移均較小,測(cè)點(diǎn)位移處于預(yù)警范圍之內(nèi),全部小于報(bào)警值,說明全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔群樁施工對(duì)隧道擾動(dòng)較小。