南通富水砂層盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近樁基影響分析*

鄭選榮，祁嘉輝，成煒康，楊 康，陳箐芮，薛瑞蕾

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054 )

0 引言

隨著我國(guó)城市的快速發(fā)展，地鐵成為緩解城市地面交通壓力的有效途徑。盾構(gòu)法以其施工進(jìn)度快、安全性能高、地面影響小等優(yōu)點(diǎn)，成為城市地鐵的主要修建方法，但在地鐵修建過(guò)程中，不可避免的會(huì)遇到地鐵隧道近距側(cè)穿橋梁樁基礎(chǔ)的情況[1]。

地鐵近距離穿越樁基礎(chǔ)時(shí)，其受力和變形情況是目前地鐵隧道施工中的熱門研究方向。Loganathan等[2]提出計(jì)算盾構(gòu)施工引起的地層位移場(chǎng)的解析解，并分析位移場(chǎng)作用下鄰近樁基的內(nèi)力和位移；可文海等[3]將2階段法與疊加法相結(jié)合，得到盾構(gòu)隧道開挖引起的鄰近群樁豎向位移；朱逢斌等[4]通過(guò)數(shù)值模擬方法分析盾構(gòu)隧道開挖引起附近群樁不同位置的樁基變形及內(nèi)力變化影響；文獻(xiàn)[5-6]基于橋樁結(jié)構(gòu)，耦合彈簧力學(xué)與有限差分法，分析盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中不同工況下橋樁結(jié)構(gòu)受力、水平變形、地層沉降的變化規(guī)律；賴金星等[7]通過(guò)三維數(shù)值模擬研究盾構(gòu)穿越群樁基礎(chǔ)過(guò)程中群樁基礎(chǔ)水平位移和地表變形的變化規(guī)律；魏亞輝等[8]采用土的修正劍橋本構(gòu)模型模擬盾構(gòu)隧道施工過(guò)程，分析隧道開挖中鄰近樁基變形和地表沉降規(guī)律；成煒康等[9]采用數(shù)值模擬方法分析鄭州粉細(xì)砂層地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿建筑物不同階段對(duì)樁體位移、內(nèi)力的影響；文獻(xiàn)[10-13]通過(guò)理論與數(shù)值模擬法分析盾構(gòu)穿越樁基時(shí)的力學(xué)變形規(guī)律和樁-土力學(xué)效應(yīng)。

隨著城市地鐵修建數(shù)目逐漸增多，盾構(gòu)隧道穿越地層越來(lái)越復(fù)雜，地鐵鄰近地下結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)也逐漸增加。為保證盾構(gòu)隧道開挖過(guò)程中樁基礎(chǔ)的變形和承載力，以及隧道的安全和質(zhì)量，本文以南通富水砂層盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿橋梁樁基為工程背景，研究富水砂層盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對(duì)近距樁基受力和變形的影響，研究結(jié)果可為該地區(qū)相似工程施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

南通市城市軌道交通1號(hào)線中央商務(wù)區(qū)站-海霞路站區(qū)間隧道右線長(zhǎng)597.3 m，左線長(zhǎng)599.73 m，區(qū)間左右線間距15.00～53.22 m，地面高程3.93～4.11 m，隧道拱頂覆土厚約10.19～11.52 m(下穿河道處最淺覆土為5.67 m)，從上到下主要穿越土層為雜填土、砂質(zhì)粉土、粉砂夾砂質(zhì)粉土、粉砂、粉細(xì)砂。地下水位在-1 m處，區(qū)間隧道處于粉砂夾砂質(zhì)粉土層中，隧道穿越地層含水量豐富、滲透性強(qiáng)，周邊環(huán)境和施工條件復(fù)雜。

區(qū)間隧道采用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，為避開樁基，隧道左右線拉開設(shè)置，盾構(gòu)左線側(cè)穿距樁基最小水平間距為1.25 m，右線最小水平間距為3.5 m，與隧道鄰近關(guān)系屬十分接近。盾構(gòu)與橋樁基礎(chǔ)位置關(guān)系如圖1～2所示。左線與樁基非常鄰近，盾構(gòu)施工對(duì)橋樁基的影響風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖1 隧道側(cè)穿園林河橋平面示意Fig.1 Plane schematic diagram of tunnel side-crossing Yuanlin River bridge

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 建立幾何模型

采用三維有限差分軟件FLAC3D建立計(jì)算模型。將該區(qū)間曲線隧道視為直線隧道，模型長(zhǎng)寬高為70 m ×100 m×40 m。隧道直徑6.4 m，管片外徑6.2 m，厚度0.35 m，注漿等待層厚0.10 m，隧道埋深12 m，左右線豎向軸線間距46.45 m。園林河橋樁基直徑1 m，樁長(zhǎng)21 m，樁凈間距1.3 m，沿隧道掘進(jìn)方向布置4排樁，樁頂為混凝土現(xiàn)澆板，上部施加荷載75 kPa。數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示，地層從上到下為雜填土、砂質(zhì)粉土、粉砂夾砂質(zhì)粉土、粉砂、粉細(xì)砂。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型示意Fig.3 Schematic diagram of numerical calculation model

2.2 地層和材料參數(shù)

土層為實(shí)體單元，采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系，物理力學(xué)參數(shù)見表1[14]。盾構(gòu)管片和注漿等代層用殼結(jié)構(gòu)單元模擬，樁基礎(chǔ)用樁結(jié)構(gòu)單元模擬，橋板以板單元模擬，管片、注漿層、樁基礎(chǔ)、橋板均為彈性本構(gòu)關(guān)系；隧道開挖單元使用空單元模擬；模型除頂部為自由邊界外，其他邊界均采用法向約束。樁基、橋板和隧道襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表1 土層計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of soil layer

表2 彈性材料計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of elastic materials

2.3 盾構(gòu)施工過(guò)程模擬

盾構(gòu)開挖及支護(hù)過(guò)程包括刀盤掘削土體、盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)、管片拼裝以及壁后注漿4個(gè)步驟[15-16]。本文采取盾構(gòu)機(jī)推力為地層側(cè)壓力，取240 kPa，管片施加150 kPa的切向力模擬千斤頂力，注漿層施加120 kPa的法向力模擬同步注漿壓力。保持盾構(gòu)推力不變情況下，每環(huán)開挖，每次開挖1.5 m，每掘進(jìn)1環(huán)激活管片襯砌和注漿層單元，左右線隧道分別為40環(huán)，施工順序?yàn)橄茸蠛笥摇?/p>

2.4 流-固耦合相互作用

對(duì)于含水量豐富、滲透性強(qiáng)的高水位砂土地層，當(dāng)進(jìn)行盾構(gòu)開挖對(duì)環(huán)境影響分析時(shí)，必須考慮土層的流-固耦合作用[17]。隧道開挖造成地層和地下水的損失，導(dǎo)致土體位移及水位下降，進(jìn)而導(dǎo)致土中孔隙水壓力減小和地層變形，并最終影響土體的滲透性和力學(xué)性質(zhì)。利用FLAC3D軟件計(jì)算時(shí)，首先關(guān)閉滲流計(jì)算，僅進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，當(dāng)力學(xué)計(jì)算達(dá)到平衡狀態(tài)或設(shè)定計(jì)算步時(shí)，再打開滲流計(jì)算，進(jìn)行流固耦合計(jì)算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

模型中盾構(gòu)隧道側(cè)穿的橋樁基礎(chǔ)數(shù)量較多，為更準(zhǔn)確表達(dá)盾構(gòu)施工動(dòng)態(tài)過(guò)程對(duì)各個(gè)橋樁基礎(chǔ)的影響和樁基與隧道的相對(duì)位置關(guān)系，選取隧道穿越的第2排樁基礎(chǔ)，從左向右依次編號(hào)為1～16號(hào)樁。

3.1 群樁水平位移分析

為分析盾構(gòu)隧道開挖過(guò)程中樁基水平位移變化，選擇距離左隧道最近的1號(hào)樁、中間6號(hào)樁、中間11號(hào)樁以及距離右隧道最近的16號(hào)樁作為研究對(duì)象，取上述樁位于盾構(gòu)中心深度(即樁基深度15 m)的結(jié)果進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 沿隧道開挖進(jìn)程的樁基水平位移Fig.4 Horizontal displacement of pile foundations along tunnel excavation process

由圖4可知，樁基礎(chǔ)水平位移隨盾構(gòu)掘進(jìn)逐漸增大，隨樁基與隧道距離增大而減小。左線開挖進(jìn)程中，由于盾構(gòu)開挖面的掘進(jìn)力、千斤頂力以及注漿壓力，樁基礎(chǔ)開始產(chǎn)生沿X正方向的水平位移且位移值逐漸增大；當(dāng)開挖至第17環(huán)時(shí)，盾構(gòu)刀盤到達(dá)橋梁樁基處，每根樁的正向水平位移達(dá)到最大值。1號(hào)樁水平位移為16.13 mm，6號(hào)樁水平位移7.34 mm，11號(hào)樁水平位移3.61 mm，16號(hào)樁水平位移2.02 mm，隨盾構(gòu)開挖面遠(yuǎn)離橋樁，樁基水平位移逐漸減小。但距離左隧道最近的1號(hào)樁水平位移仍呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，當(dāng)開挖至第24環(huán)時(shí)水平位移達(dá)到最大值，這是由于隧道的開挖造成地層損失以及富水砂層中孔隙水壓力的減小，導(dǎo)致樁基進(jìn)一步變形。

盾構(gòu)右線開挖進(jìn)程中，對(duì)樁基產(chǎn)生沿X負(fù)方向的水平位移。右線開挖至第17環(huán)，盾構(gòu)對(duì)樁基產(chǎn)生的X負(fù)向水平位移最大，1、6、11、16號(hào)樁水平位移分別為13.82，2.57，-4.15，-13.17 mm。疊加盾構(gòu)左右線的影響，1、6號(hào)樁水平位移沿X正向逐漸減??；11、16號(hào)樁由于距離左線較遠(yuǎn)而距離右線較近，產(chǎn)生的X負(fù)向水平位移大于左線產(chǎn)生的正向位移，最終水平位移沿X向?yàn)樨?fù)。

盾構(gòu)引起樁基發(fā)生的水平位移最大為16.13 mm，盾構(gòu)開挖面距樁基軸線在1D(D為隧道直徑)范圍內(nèi)，樁基發(fā)生水平位移5.65 mm，約為最大水平位移的35%；在2D范圍內(nèi)，樁基發(fā)生水平位移9.96 mm，約為最大水平位移的60%；在3D范圍內(nèi)，樁基發(fā)生的水平位移2.44 mm，約為最大水平位移的15%。盾構(gòu)開挖面距樁基軸線在3D范圍內(nèi)，對(duì)樁基產(chǎn)生影響；盾構(gòu)開挖面距樁基軸線在2D范圍內(nèi)，對(duì)樁基引起的水平位移超過(guò)總水平位移的85%，因此在盾構(gòu)刀盤到樁基12 m時(shí)必須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

為進(jìn)一步定量化分析樁基水平位移與樁基距離隧道遠(yuǎn)近的關(guān)系，選擇盾構(gòu)左線開挖至第17環(huán)時(shí)隧道水平中心深度處的水平位移，得到樁基水平位移與左隧道距離關(guān)系如圖5所示。

圖5 樁基水平位移與左隧道距離關(guān)系Fig.5 Relationship between horizontal displacement of pile foundation and distance of left tunnel

由圖5可知，樁基水平位移隨距離的增大而減小，在0～9 m范圍內(nèi)，曲線斜率相對(duì)最大，水平位移變化相對(duì)最明顯，說(shuō)明盾構(gòu)在1.5D(9 m)范圍內(nèi)對(duì)樁基礎(chǔ)水平位移的影響相對(duì)最大，此時(shí)，距離左隧道僅有1.25 m的1號(hào)樁水平位移值16.13 mm，距離左隧道8.35 m的樁基水平位移9.78 mm，樁基水平位移與距離基本呈線性變化。隨距左隧道越遠(yuǎn)，樁基礎(chǔ)水平位移的減小趨勢(shì)變小，曲線斜率逐漸減小，最小水平位移2.07 mm位于距離左隧道36.25 m處的16號(hào)樁，一方面由于樁基距盾構(gòu)較遠(yuǎn)，受盾構(gòu)開挖造成的地層損失變小，另一方面由于群樁的遮攔效應(yīng)，使樁基水平位移的減小趨勢(shì)逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 樁基內(nèi)力分析

由于左右隧道距遠(yuǎn)側(cè)樁基在6D范圍外，所以左線開挖對(duì)16號(hào)樁及右線開挖對(duì)1號(hào)樁的影響較小，可忽略不計(jì)。左右線開挖不同施工步時(shí)1號(hào)樁、16號(hào)樁的軸力、彎矩如圖6～9所示。

圖6 左線不同施工步開挖時(shí)1號(hào)樁剪力Fig.6 Shearing force of No.1 pile at different construction steps in left line excavation

圖7 左線不同施工步開挖時(shí)1號(hào)樁彎矩Fig.7 Bending moment of No.1 pile at different construction steps in left line excavation

由圖6～7可知，左線開挖時(shí)，剪力和彎矩隨樁體埋深基本呈先增大后減小趨勢(shì)。內(nèi)力在隧道埋深范圍內(nèi)變化較大，且隨開挖進(jìn)程不斷接近樁基而逐漸增大。左線隧道開挖時(shí)，樁基上部產(chǎn)生正彎矩，開挖至樁身-10 m時(shí)，開始產(chǎn)生向左隧道趨近的負(fù)彎矩。1號(hào)樁在盾構(gòu)刀盤開挖至2倍洞徑(施工步9)時(shí)的最大剪力為352.16 kN，最大彎矩為155.77 kN·m；當(dāng)盾構(gòu)刀盤到達(dá)樁基附近(施工步17)時(shí)，剪力最大值達(dá)到311.18 kN，最大彎矩增至181.51 kN·m；當(dāng)盾尾穿過(guò)樁基(施工步25)時(shí)，剪力最大值為262.57 kN，彎矩最大值190.11 kN·m。

由圖8～9可知，右線隧道開挖時(shí)，樁基在埋深8 m范圍內(nèi)產(chǎn)生遠(yuǎn)離右隧道的負(fù)向彎矩，彎矩值先增大后減小。在樁身埋深6 m以下，樁體產(chǎn)生向右隧道趨近的正向彎矩，彎矩值隨樁深先增大后減小，在隧道中心處彎矩為最大值。16號(hào)樁在盾構(gòu)刀盤開挖2倍洞徑(工況55)時(shí)的最大剪力為257.12 kN，最大彎矩為119.36 kN·m；當(dāng)盾構(gòu)刀盤到達(dá)樁基附近(工況63)時(shí)，最大剪力增至288.48 kN，最大彎矩為139.62 kN·m；當(dāng)盾尾穿過(guò)樁基(工況71)時(shí)，最大剪力為329.26 kN，最大彎矩為146.24 kN·m。因此，盾構(gòu)開挖對(duì)樁基剪力和彎矩會(huì)產(chǎn)生較大的影響，且隨施工進(jìn)行上述影響具有疊加效應(yīng)。在地下-10～-20 m范圍內(nèi)，即豎直方向盾構(gòu)1.5倍洞徑內(nèi)，樁基和地層受擾動(dòng)較明顯，引起樁基礎(chǔ)剪力和彎矩變化較大，進(jìn)而可能影響樁基的正常承載能力。

圖8 右線不同施工步開挖時(shí)16號(hào)樁剪力Fig.8 Shearing force of No.16 pile at different construction steps in right line excavation

圖9 右線不同施工步開挖時(shí)16號(hào)樁彎矩Fig.9 Bending moment of No.16 pile at different construction steps in right line excavation

3.3 地表沉降分析

通過(guò)在數(shù)值計(jì)算模型地表X方向布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到盾構(gòu)雙線掘進(jìn)完成后地表不同位置處的沉降量分布，并與現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)施工地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。

圖10 雙線開挖完成后地表沉降分布Fig.10 Surface settlement distribution after completion of double-line excavation

由圖10可知，盾構(gòu)雙線開挖完成后地表沉降分布整體呈W型沉降槽，其中2個(gè)峰值沉降分別在左右線隧道中心軸線地表處。左右線軸線處地表沉降量分別為5.01，5.12 mm。當(dāng)距離隧道4倍洞徑時(shí)，地表沉降量斜率明顯變緩，表明富水砂層盾構(gòu)開挖對(duì)地表沉降的影響范圍在4倍洞徑左右。隧道開挖造成土體損失和地下水位下降，使土體向隧道方向發(fā)生位移，帶動(dòng)土中水的滲流，孔隙水壓力減小，進(jìn)而使更大范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生位移，沉降槽范圍大于一般地層。在進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置時(shí)，應(yīng)在隧道兩側(cè)4D范圍內(nèi)均需進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。

兩隧道之間的樁基受到盾構(gòu)開挖擾動(dòng)造成土體產(chǎn)生沉降和較大的水平位移。此外，由于樁的存在，地表沉降量在樁基附近呈減小趨勢(shì)，這是由于樁基之間產(chǎn)生遮攔效應(yīng)，起到加固土體的作用。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)左右線軸線沉降量分別為5.33，5.36 mm，與數(shù)值計(jì)算沉降量相差較小，并且變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

1)在盾構(gòu)開挖面距樁基軸線2～3D范圍內(nèi)，樁基發(fā)生的水平位移約為最大水平位移的15%；在1～2D范圍內(nèi)，樁基發(fā)生的水平位移約為最大水平位移的60%；在1D范圍內(nèi)，樁基水平位移約為最大水平位移的35%；在2D范圍內(nèi)，盾構(gòu)對(duì)樁基產(chǎn)生的影響達(dá)總水平位移的85%，對(duì)樁基影響顯著。

2)盾構(gòu)施工橋樁基礎(chǔ)發(fā)生較大的水平位移。左線開挖時(shí)，距離最近的樁基水平位移為16.13 mm；右線開挖時(shí)，造成樁基的最大水平位移13.17 mm。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程，左右線軸線處地表沉降量最大分別為5.01，5.12 mm，富水砂層盾構(gòu)開挖對(duì)地表沉降的影響范圍在4倍洞徑左右。

3)盾構(gòu)使得園林河橋樁基剪力和彎矩增大，在盾構(gòu)穿越過(guò)程中變化明顯。盾構(gòu)到達(dá)前，樁體在隧道1.5倍洞徑范圍內(nèi)剪力和彎矩增大；在盾構(gòu)到達(dá)時(shí)，樁體剪力彎矩進(jìn)一步增大。左線開挖到達(dá)時(shí)，距離隧道最近的樁基最大剪力為352.16 kN，最大彎矩為190.11 kN·m；右線開挖到達(dá)時(shí)，距離隧道最近的樁基最大剪力329.26 kN，最大彎矩為146.24 kN·m。在盾構(gòu)穿越后，需對(duì)樁基剩余承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

4)富水砂層盾構(gòu)施工側(cè)穿園林河橋樁，引起橋樁產(chǎn)生較大的位移變形和內(nèi)力分布，使橋樁基礎(chǔ)承載力下降，從而影響橋梁的安全使用。因此，在盾構(gòu)到達(dá)橋樁前2D時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)橋樁變形的監(jiān)測(cè)，并及時(shí)采取調(diào)整施工參數(shù)、地面注漿等加固保護(hù)措施，以減小對(duì)橋樁的影響。