近側(cè)穿樁基盾構(gòu)區(qū)間隧道掘進(jìn)擾動(dòng)分析

王運(yùn)濤，李志寬，賈江峰

(1.中鐵隧道股份有限公司 鄭州市 450001； 2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 杭州市 310014)

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程對(duì)臨近建筑的影響進(jìn)行了大量的研究。高飛等[1]通過數(shù)值模擬分別對(duì)動(dòng)、靜荷載條件下盾構(gòu)隧側(cè)穿橋梁樁基進(jìn)行了影響性分析。袁海平等[2]采用FLAC3D進(jìn)行了盾構(gòu)側(cè)穿橋樁過程的力學(xué)行為研究。汪鵬程等[3]采用數(shù)值模擬軟件并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)情況分析了盾構(gòu)側(cè)穿過程中土體參數(shù)對(duì)群樁遮攔效應(yīng)的影響。張辛未[4]運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)黃土地區(qū)樁基群分析發(fā)現(xiàn)了在豎向荷載作用下樁間距一定時(shí)樁數(shù)、樁長(zhǎng)和群樁系數(shù)之間的規(guī)律。何海健等[5]通過運(yùn)用有限元分析方法,對(duì)我國(guó)盾構(gòu)橫梁施工運(yùn)行過程中主要不確定影響因素及其對(duì)于盾構(gòu)鄰近橫梁橋樁應(yīng)力沉降的直接影響問題進(jìn)行了深入解析。

1 工程地質(zhì)條件

杭州市軌道交通七號(hào)線吳山廣場(chǎng)站—江城路站區(qū)間,位于杭州上城區(qū)河坊街道的正下方,線出吳山廣場(chǎng)站后,沿河坊街道自西往東地下鋪設(shè),起止里程YDK0+604.822～YDK1+696.269(ZDK0+674.370～ZDK1+696.269)，右線長(zhǎng)度為1090.052m,左線長(zhǎng)度為1026.485m。

盾構(gòu)隧道側(cè)穿高架橋位置分別為隧道右線YDK1+240～280.4、左線ZDK1+240～280.4處。隧道上覆土層厚度約為24m，主要有雜填土、素填土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉砂、黏土以及黏土混角礫。左右隧道凈距2.11m，左右線隧道中軸線埋深約為27.1m。該區(qū)間隧道全部使用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)實(shí)施挖掘,刀盤直徑為6.5m，管片厚度為0.35m，隧道與高架橋樁基的最小間距為1.056m。樁基群的形式為承臺(tái)+鉆孔灌注樁，承臺(tái)厚度為1m，樁基直徑為1.2m，樁長(zhǎng)為43m，隧道與高架橋樁基的平面位置關(guān)系見圖1。

圖1 樁基與隧道平面位置關(guān)系

2 盾構(gòu)隧道施工模擬

2.1 數(shù)值模型

三維數(shù)值模擬通過Midas GTS NX軟件實(shí)現(xiàn)建立,利用軟件中的擴(kuò)展命令得到三維地層實(shí)體，x×y×z=84m×60m×50m,利用軟件中的數(shù)字化掃描擴(kuò)展命令得到圓柱形隧道開挖區(qū)，半徑為2.75m，管片厚度為0.35m，使用印刻命令將承臺(tái)輪廓線印刻在第一層土體表面，再通過析取命令生成承臺(tái)部分的網(wǎng)格，以保證承臺(tái)和土體的耦合，承臺(tái)厚度為2m，最后采用擴(kuò)展命令生成橋梁樁基實(shí)體，并在樁基表面設(shè)置界面單元保證樁基和周圍土體的耦合。

隧道與底層模型建立完成之后，開始進(jìn)行橋梁模型的建立。首先需要把高架橋的結(jié)構(gòu)自重荷載以及車輛荷載通過軟件Midascivil轉(zhuǎn)化為等效荷載，最后將二者轉(zhuǎn)化為均布荷載的形式作用在承臺(tái)表面。三維數(shù)值模型的網(wǎng)格數(shù)為65539，節(jié)點(diǎn)數(shù)為49517。三維模型網(wǎng)格劃分效果如圖2所示。

圖2 三維模型網(wǎng)格剖分

2.2 計(jì)算參數(shù)

此次數(shù)值模擬的施工背景,是由于杭州軌道交通七號(hào)線吳山廣場(chǎng)-江城路站隧道工程范圍位于杭州上城區(qū)河坊街的正下方,工程地質(zhì)情況相當(dāng)復(fù)雜,因此按照本區(qū)間的巖土地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告,將本工程區(qū)域的地層分為8層，再按照施工單位所給出的巖土地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告,同時(shí)結(jié)合在現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試之后,確定各地層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。盾殼所用鋼材、管片、混凝土、承臺(tái)、注漿后的復(fù)合地層等的物理力學(xué)參數(shù)見表2。本次數(shù)值模擬計(jì)算過程中,混凝土體材質(zhì)均適用摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),即將盾殼視作各向同性的彈性材料,將混凝土樁基、承臺(tái)和管片材質(zhì)視作各向同性的理想彈塑性材料。

表1 地層參數(shù)

表2 材料參數(shù)

2.3 施工荷載及邊界條件

本工程選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，正常掘進(jìn)過程中刀盤對(duì)掌子面的推進(jìn)力大小為120kN/m2，管片安裝時(shí)千斤頂?shù)耐屏Υ笮?00kN/m2，注漿完成后周圍土體對(duì)管片的注漿壓力大小為150kN/m2。三維數(shù)值模型的邊界條件采用位移邊界條件，約束模型4個(gè)側(cè)面的橫向位移，固定底面，模型上部為自由移動(dòng)邊界，樁基與土體的交界面遵循變形協(xié)調(diào)原理，同時(shí)約束樁基頂部使其不能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.4 盾構(gòu)掘進(jìn)過程的模擬

盾構(gòu)掘進(jìn)過程的模擬與實(shí)際開挖過程相同，模擬盾構(gòu)施工階段時(shí)，每一個(gè)開挖步是一個(gè)單元的長(zhǎng)度，即一環(huán)管片的寬度1.2m。實(shí)際模擬流程:第一步:激活盾殼單元,鈍化混凝土體的開挖區(qū)單元,以及鈍化注漿區(qū)單元;第二步:激活刀盤的推進(jìn)力;第三步:首先啟動(dòng)管片單元,再啟動(dòng)注漿材料區(qū)單元,然后再把注漿材料區(qū)土體屬性轉(zhuǎn)換為注漿后的復(fù)合材料屬性;第四步:重新激活管片安裝時(shí)的千斤頂推力。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

左線隧道模擬開挖進(jìn)行到第十四步時(shí)，盾構(gòu)機(jī)刀盤距1號(hào)樁基最近，最小凈距為1.05m，開挖至第七十步時(shí)，左隧道開挖完成。右隧道開挖至第八十四步時(shí)，盾構(gòu)機(jī)刀盤距離1號(hào)樁基最近，最小凈距為7.25m，開挖至第一百四十步，右隧道開挖結(jié)束。對(duì)隧道周圍地層的沉降規(guī)律進(jìn)行分析，見圖3所示。

圖3 土體沉降等值線圖(單位：mm)

從圖3得知,在雙線隧洞施工結(jié)束時(shí),從左線隧洞拱頂中間部位所產(chǎn)生的最大沉降量約為8.9mm；右線隧道在拱頂中間部位所產(chǎn)生的最大沉降量約為8.5mm。隧道下部土體所產(chǎn)生的最大凸起量位于左、右線隧道下部軸線位置,凸起量分別為5.6mm和5.3mm。圖4為雙線隧道施工完成后，x=17m斷面位置地表豎向沉降的變化規(guī)律。左線隧道在第七十步開挖完成后地表沉降最大值為5.8mm。

圖4 x=17m斷面地表隨開挖步沉降規(guī)律

右線隧道開挖完成后，x=17m斷面的地表沉降曲線如圖4所示，沉降曲線向右發(fā)生明顯偏移。右線隧道開挖完成時(shí)，該斷面地表沉降最大值為8.6mm。

3.2 樁基偏位分析

左線隧道開挖后，1號(hào)樁基發(fā)生明顯偏位，如圖5所示，可見樁頂向著靠近左線隧道方向發(fā)生偏位，樁底向遠(yuǎn)離左線隧道方向發(fā)生偏位，樁頂位移大小為-2.8mm，樁端位移大小為1.6mm。右線隧道開挖完成后，右線隧道的開挖使得1號(hào)樁基發(fā)生相同的傾斜，但程度較小，兩隧道的開挖產(chǎn)生了疊加效應(yīng)，最終樁頂位移大小為-3.5mm，樁端位移大小為2.07mm。

圖5 1號(hào)樁在垂直隧道方向上的位移

4 監(jiān)測(cè)

4.1 地表沉降監(jiān)測(cè)

為了掌握盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程對(duì)周邊地表產(chǎn)生的沉降變化，評(píng)估工程掘進(jìn)所帶來的影響，便于采取相應(yīng)的措施及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，本工程中盾構(gòu)隧道橫斷面地表沉降點(diǎn)的布設(shè)原則如下：對(duì)稱軸線點(diǎn)左右2.5m各布設(shè)一點(diǎn)，隧道外側(cè)按照3.5m、5m、10～15m間距分別布設(shè)。

1#樁基所在隧道斷面根據(jù)上述地表沉降點(diǎn)布設(shè)原則，共布設(shè)10個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制出左線開挖完成后及右線開挖完成后的地表沉降曲線如圖6所示。

圖6 1號(hào)樁所在斷面沉降監(jiān)測(cè)值

由圖6可得，左線開挖完成后，1號(hào)樁基所在斷面的沉降最大值發(fā)生在偏左線隧道軸線位置處，最大沉降值為-3mm左右；左線開挖完成后進(jìn)行隧道右線的開挖，右線開挖完成后，1號(hào)樁基所在斷面的沉降最大值向右移動(dòng)，靠近左右隧道中心線，最大沉降值為-7mm左右。由于斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置較少，地表沉降值的最大值可能不發(fā)生在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，數(shù)值模擬的地表沉降結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果較為接近，但實(shí)測(cè)結(jié)果稍低于數(shù)值模擬結(jié)果，主要原因是數(shù)值模擬過程中盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)保持不變，在實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，根據(jù)每天的監(jiān)測(cè)值對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整能夠有效減少盾構(gòu)掘進(jìn)過程對(duì)土體及周圍建筑物的影響。

4.2 樁基傾斜監(jiān)測(cè)

中河高架橋共布設(shè)傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)4組(4個(gè)橋墩)，盾構(gòu)掘進(jìn)過程對(duì)高架橋進(jìn)行傾斜監(jiān)測(cè)分析。采用直接測(cè)定建(構(gòu))筑物傾斜的方法實(shí)施。在距高架橋墩1.5倍距離以外設(shè)置測(cè)站。在橋墩的外立面上下分別粘貼兩反光片，要求兩片反光片位于同一垂線上，全站儀同反光片間視線需同橋墩面垂直。

根據(jù)施工單位提供的建筑物傾斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得，1號(hào)樁基的傾斜值為0.07‰，換算后得1號(hào)樁基樁頂偏移值約為3mm，與數(shù)值模擬得到的結(jié)果相近。

5 結(jié)論

利用三維有限元數(shù)值仿真軟件MIDAS GTS NX,對(duì)盾構(gòu)隧道的近距側(cè)穿中河高架橋樁基位置進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,并與現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行了比較，得出如下結(jié)果：

(1)在垂直于隧道掘進(jìn)的方位上，樁基位置在盾構(gòu)掘進(jìn)過程發(fā)生了偏移，其樁端位移方向是遠(yuǎn)離隧道方位，而樁頂位移方向接近隧道方位。

(2)在單線隧洞盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，地表下沉的最大值出現(xiàn)于隧洞軸線以上地表位置處；右線隧道掘進(jìn)使得地表沉降最大值向右發(fā)生偏移，雙線貫通后基本處于兩隧道中間位置。

(3)在實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，可以有效減少盾構(gòu)掘進(jìn)過程引起的地表沉降。