盾構(gòu)施工對建筑物樁基影響的數(shù)值分析

嚴(yán) 明，豆葉青，匡星晨

(1.太湖縣建設(shè)安全和人防工程維護(hù)管理站，安徽 太湖 246400；2.鄭州信息科技職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；3.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 合肥 231603)

0 引 言

盾構(gòu)法作為隧道施工的一種常見方法，在施工技術(shù)上盡管發(fā)展得比較成熟了,但是在施工過程中很難不對地層產(chǎn)生影響，因而影響了隧道周邊的地層變形以及會使地表產(chǎn)生沉降。城市軌道交通多處于人口密集、建筑物密布的市區(qū)中，由此會大量出現(xiàn)盾構(gòu)隧道鄰接和穿越建筑物樁基的施工情況。當(dāng)隧道下穿建筑物樁基時，會引起鄰近樁基礎(chǔ)產(chǎn)生變形，從而影響上部建筑物的安全使用。因此，開展盾構(gòu)施工引起的地層變形和地表沉降對樁基與上部建筑物影響的研究十分有必要。

國內(nèi)外學(xué)者對于盾構(gòu)隧道施工過程中鄰近建筑物樁基受到的隧道開挖影響方面進(jìn)行了大量研究[1-3]。Jenck等[4]基于FLAC 3D計算模型研究了盾構(gòu)掘進(jìn)中樁基的剛度對地表沉降的影響。朱逢斌等[5]針對軟土地層，利用有限元方法分析了盾構(gòu)掘進(jìn)對鄰近樁基的影響，并將數(shù)值計算結(jié)果與離心的試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。袁海平等[6]利用橋樁結(jié)構(gòu)的耦合原理，通過有限差分法分析了合肥地鐵1號線盾構(gòu)施工側(cè)穿某高架橋施工中，多種工況下橋樁的力學(xué)行為，結(jié)果表明雙線盾構(gòu)隧道依次開挖對橋樁水平位移和沉降的影響具有疊加效應(yīng)。王述紅等[7]基于兩階段法和數(shù)值計算對比研究了盾構(gòu)隧道開挖對周圍單樁的影響。葉松明[8]介紹了上海地鐵17號線盾構(gòu)近距離側(cè)穿西大盈港橋橋樁前的數(shù)值分析模擬及施工控制等多種技術(shù)。

本文以合肥地鐵5號線某區(qū)間隧道為工程背景，利用FLAC 3D有限差分軟件，對盾構(gòu)施工側(cè)穿建筑物樁基進(jìn)行模擬，研究地表沉降規(guī)律和建筑物樁基的變形特征。

1 FLAC 3D數(shù)值模擬過程

1.1 相關(guān)參數(shù)

1.1.1 土體數(shù)值相關(guān)參數(shù)

相關(guān)參數(shù)詳見表1。

表1 土體數(shù)值相關(guān)參數(shù)

1.1.2 管片相關(guān)參數(shù)

隧道襯砌結(jié)構(gòu)用的管片采用C30混凝土，將襯砌結(jié)構(gòu)管片單元設(shè)置為孔模型(Null)，支護(hù)時，將盾構(gòu)管片設(shè)置為各向同性彈性模型(Elastic)，具體參數(shù)詳見表2。

表2 盾構(gòu)管片混凝土材料計算參數(shù)

1.1.3 樁的相關(guān)參數(shù)

具體參數(shù)詳見表3。

表3 樁的相關(guān)參數(shù)

1.2 建立模型

如圖1所示，地鐵盾構(gòu)隧道外徑為6.0 m，襯砌厚度為0.3 m，注漿層厚度為0.15 m,埋深為 18m。根據(jù)隧道開挖的影響范圍，考慮盾構(gòu)隧道施工對周圍土體的影響，取左右邊界為19.5 m，模型底部距隧道中心19 m。在盾構(gòu)隧道左右兩側(cè)同一水平線上各布置3個樁單元，間距6 m，樁底距隧道頂部豎向距離為2 m。最后整個計算模型寬45 m、高40 m，縱向長度為36 m。為了方便施工的模擬計算，每次在隧道的縱向施工長度為2.0 m。

圖1 盾構(gòu)隧道與樁基位置關(guān)系

1.3 數(shù)值模擬過程

(1)第一步是將模型建立好，在模型上施加重力荷載，讓其在自重應(yīng)力的作用下使得土體固結(jié)直至穩(wěn)定，這樣就得到了在自重作用下的初始應(yīng)力場。

(2)第二步是在自重應(yīng)力作用完畢后將土體位移清零；然后激活樁體結(jié)構(gòu)的單元，計算上部建筑物荷載作用在樁-土體系后，土體與樁體共同作用時的應(yīng)變。

(3)第三步是在模型再次達(dá)到平衡之后，將土體與樁體的位移清零。

(4)第四步是進(jìn)行隧道開挖的數(shù)值模擬，賦值盾構(gòu)掌子面支護(hù)力為 0.30 MPa，注漿壓力為0.30 MPa等，每步步長為 2 m。

(5)最后在分步開挖一定步數(shù)后，便完成了一個完整的開挖工況。

(6)進(jìn)行下一個開挖工況，按同樣的步驟進(jìn)行開挖。

2 FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 地層沉降分析

圖2～圖6所示分別為盾構(gòu)掘進(jìn)2 m、10 m、18 m、26 m和36 m時的地層沉降圖。

圖2 盾構(gòu)掘進(jìn)2 m地層豎向位移云圖

圖3 盾構(gòu)掘進(jìn)10 m地層豎向位移云圖

圖4 盾構(gòu)掘進(jìn)18 m地層豎向位移云圖

圖5 盾構(gòu)掘進(jìn)26 m地層豎向位移云圖

圖6 盾構(gòu)掘進(jìn)36 m地層豎向位移云圖

從圖2～圖6中可以看出，沉降發(fā)生在掘進(jìn)隧道拱頂上部的地層，隆起發(fā)生在掘進(jìn)隧道拱底下部的地層，其中最大沉降值和最大隆起值分別出現(xiàn)在距拱頂和拱底最近的位置。當(dāng)隧道在掘進(jìn)36 m后，隧道拱頂會產(chǎn)生8.9 mm的最大沉降量，地層因為隧道的深度達(dá)到18 m而將部分沉降消耗，所以隧道正上方地表的沉降量只有5.5 mm。這個在盾構(gòu)施工開挖隧道過程中產(chǎn)生的最大沉降值仍在允許的沉降范圍以內(nèi)。此外，如圖7所示，整個掘進(jìn)過程中，地面的沉降槽類似于正態(tài)分布曲線，這與peck公式等經(jīng)驗法得出的結(jié)論相同。且圖7中樁基所在區(qū)域的地表沉降大于空曠地表沉降，這是因為樁體周邊土體受到了樁頂荷載的作用，從而導(dǎo)致樁體周邊土體位移更大。

圖7 地表沉降曲線

2.2 樁基變形分析

2.2.1 樁基豎向位移

本文模擬了在盾構(gòu)的不同施工階段，不同位置樁基的豎向位移變化。如圖8所示，盾構(gòu)到達(dá)樁基下方前，樁基的豎向位移量和它與盾構(gòu)的距離成反比，位移量越大距離越小，在開挖完全后，地層再次達(dá)到平衡狀態(tài)，豎向位移達(dá)到最大。另外，樁基的豎向位移隨著樁基與隧道中心的距離的減小而增大，且隧道兩側(cè)各個樁基豎向位移的變化符合正態(tài)分布的規(guī)律。從圖8中可以看出，盾構(gòu)開挖過后，距隧道中心最近的1號樁基的豎向位移最大，其值為4.75 mm，這個數(shù)值在城市地鐵盾構(gòu)施工的允許變形范圍內(nèi)，不會對建筑物造成破壞。

圖8 樁基豎向位移曲線

2.2.2 樁基水平位移

本文模擬了在盾構(gòu)的不同施工階段，不同位置樁基的水平位移變化。如圖9所示，整個盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，樁基的水平位移隨著它與盾構(gòu)距離的減小而增大，在盾構(gòu)到達(dá)樁基下方時，樁基水平位移值達(dá)到最大，當(dāng)盾構(gòu)與樁基距離較遠(yuǎn)時，對樁基的水平方向變形影響很小。從圖9中可以看出，盾構(gòu)到達(dá)樁基下方時，距隧道中心最近的1號樁基的水平位移最大，其值為2.76 mm，這個數(shù)值在城市地鐵盾構(gòu)施工的允許變形范圍內(nèi)，不會對建筑物造成破壞。

圖9 樁基水平位移曲線

3 結(jié) 論

本文結(jié)合合肥地區(qū)上軟下硬的地層特點，研究了盾構(gòu)開挖下穿建筑物對其樁基的影響，使用FLAC 3D有限差分軟件進(jìn)行模擬，得出如下結(jié)論：

(1)地表以正態(tài)分布的規(guī)律發(fā)生沉降，在隧道的正上方是沉降最大值，隧道兩邊沉降值較小，沉降影響范圍約為隧道左右各3倍洞徑。

(2)樁基的豎向位移與樁基距隧道中心的距離成反比，并且在盾構(gòu)到達(dá)樁基下方前，樁基的豎向位移量與它與盾構(gòu)距離成反比，位移量越大距離越小，在開挖完全后，豎向位移達(dá)到最大。

(3)樁基的水平位移隨著它與盾構(gòu)距離的減小而增大，在盾構(gòu)到達(dá)樁基下方時，樁基水平位移值達(dá)到最大，當(dāng)盾構(gòu)與樁基距離較遠(yuǎn)，約3倍洞徑時，對樁基的水平方向變形影響很小。

本文采用的數(shù)值模擬方法，盡管給予了研究人員較為可靠的數(shù)據(jù)，但是在缺乏室內(nèi)試驗支撐或者現(xiàn)場工況的監(jiān)控下，研究人員無法有更加直觀的感受，同時也無法將現(xiàn)場數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而無法保證模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以使得研究成果更有可靠性。因此，在今后類似課題的研究中，希望可以引入現(xiàn)場或室內(nèi)試驗的方法來豐富研究。