雙線隧道盾構(gòu)側(cè)穿施工對(duì)橋樁內(nèi)力的影響分析

王馨霆

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

隨著我國(guó)城市地鐵隧道的大量興建，出現(xiàn)大量地鐵隧道與既有橋樁相互影響的案例。橋樁的安全是保證橋梁正常工作的基礎(chǔ)，城市盾構(gòu)施工所面臨的重要問題。

孫逸瑋等[1]，采用三維有限元模型，分析不同樁徑和樁-隧道間距對(duì)地表沉降槽曲線的影響，提出一種適用于預(yù)測(cè)盾構(gòu)近距離側(cè)穿橋樁時(shí)地表沉降槽的偏態(tài)分布曲線。高利琴等[2]，對(duì)側(cè)穿鄭西高鐵跨繞城高速大橋段區(qū)間隧道進(jìn)行設(shè)計(jì), 揭示了地鐵盾構(gòu)側(cè)穿作業(yè)施工過程對(duì)高速鐵路上跨繞城公路特大橋基礎(chǔ)影響的規(guī)律。豐土根等[3]，依托廣州地鐵8 號(hào)線盾構(gòu)隧道側(cè)穿華南快速高架橋樁基工程，研究了橋樁附加軸力、附加彎矩和樁身位移的變化并開展了加固優(yōu)化設(shè)計(jì)。甄正等[4]，依托太原鐵路樞紐新建西南環(huán)線盾構(gòu)隧道，在考慮流固耦合作用下，研究了盾構(gòu)下穿高架橋時(shí)地表和地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。劉強(qiáng)等[5]，模擬某工程雙線小直徑電力盾構(gòu)隧道對(duì)臨近立交橋樁基的影響, 重點(diǎn)分析了影響樁基水平位移的主要因素及位移發(fā)展規(guī)律。楊冬梅等[6]，為降低完全疊落段盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對(duì)鄰近橋樁的影響,確保鄰近橋梁結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)營(yíng)，提出并實(shí)施了在隧道內(nèi)對(duì)隧道和橋樁間的土體實(shí)施斜向注漿的保護(hù)措施, 并采用三維數(shù)值模擬方法研究了完全疊落段區(qū)間盾構(gòu)隧道施工影響下橋樁的變形規(guī)律。綜上可知，目前盾構(gòu)施工影響橋樁力學(xué)性能是當(dāng)前的熱點(diǎn)內(nèi)容，上述研究中對(duì)橋樁附加內(nèi)力的研究，針對(duì)卵石地層的較少。本研究依托洛陽(yáng)地鐵2 號(hào)線側(cè)穿牡丹大橋工程為依托，研究卵石地層盾構(gòu)開挖對(duì)大直徑橋樁的影響。

1 工程概況

洛陽(yáng)市地鐵2 號(hào)線，博物館站-九都西路站區(qū)間需要下穿牡丹大橋，由博物館站始發(fā)，九都西路站接收。區(qū)間左、右線線間距為12.0～14.8 m，線路最大縱坡為26.2‰。隧道結(jié)構(gòu)覆土約為9.6～19.2 m，盾構(gòu)穿越的主要地層為卵石層。盾構(gòu)隧道與牡丹大橋相對(duì)位置見圖1，在河道位置兩者為平行狀態(tài)。

圖1 洛陽(yáng)地鐵2 號(hào)線與牡丹大橋位置

圖2 為隧道與牡丹大橋的空間相對(duì)位置關(guān)系，樁基與隧道的最小水平凈距離6.5 m。取最靠近隧道的樁作為研究對(duì)象，樁身直徑1.5 m，樁端高于隧道底部1.2 m，蓄水期間河面高程134 m，樁頂取河床底部標(biāo)高為130 m，樁長(zhǎng)23 m。隧道直徑6.2 m，隧道中心間距12.0 m。場(chǎng)地除了表層1～2 m 淤泥外，均處于卵石地層，分布于全場(chǎng)地，雜色，中密，局部稍密，稍濕-飽和，級(jí)配一般，粒徑以2～10 cm 為主，最大粒徑可達(dá)40 cm，多呈亞圓形，磨圓度中等，分選性差，卵石成分主要為砂巖、石英巖、安山巖、玄武巖等，一般為微風(fēng)化，少量為強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化，卵石含量約為50%～60%，填隙物砂、礫砂為主，次為黏性土，局部夾有粉質(zhì)黏土薄層，見圖3。層底標(biāo)高99.00～112.68 m，層底埋深26.40～36.50 m，層厚21.00～35.80 m，平均厚度26.81 m。超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)經(jīng)桿長(zhǎng)修正后平均值N120=10.7 擊。由地勘資料知，樁側(cè)摩阻力為120 kPa，樁端阻力為2 200 kPa。

圖2 隧道與牡丹大橋橋樁空間位置關(guān)系

圖3 沿線基坑現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

2 有限元分析

2.1 有限元模型

如圖4 所示為幾何模型，為了消除邊界效應(yīng)的影響，本計(jì)算中，模型尺寸長(zhǎng)50 m 寬9 m 高32 m。模型左右前后兩側(cè)為水平方向約束，底部為豎向約束。隧道襯砌管片采用板單元模擬，樁體采用嵌入式樁單元模擬，有限元網(wǎng)格見圖5。襯砌管片采用C50 混凝土，樁基采用C40 混凝土。土體參數(shù)取值見表1。

圖4 幾何模型

表1 土層參數(shù)

圖5 有限元網(wǎng)格

2.2 計(jì)算過程

本次計(jì)算中考慮隧道的施工過程，具體的計(jì)算步驟如下：

（1） 場(chǎng)地地應(yīng)力平衡。

（2） 樁安置并再次進(jìn)行地應(yīng)力平衡。

（3） 開挖左側(cè)隧道，每次開挖1.5 m，分6 步開挖結(jié)束。

（4） 開挖右側(cè)隧道，每次開挖1.5 m，分6 步開挖結(jié)束。

（5） 計(jì)算結(jié)束。

3 結(jié)果分析

選取典型的3 個(gè)工況進(jìn)行分析，分別為左側(cè)盾構(gòu)開挖至樁所在位置（左中），左側(cè)貫通，右側(cè)貫通。隧道開挖導(dǎo)致的樁體內(nèi)力主要涉及軸力、剪力、彎矩。見圖6。另外土體位移是樁基礎(chǔ)受荷的基礎(chǔ)，因此本節(jié)將首先分析土體位移，再分析樁身內(nèi)力的變化。

圖6 計(jì)算工況

隧道開挖導(dǎo)致土體產(chǎn)生豎向沉降，豎向沉降在3個(gè)工況下的土體位移場(chǎng)見圖7，從圖7 中可以發(fā)現(xiàn)，隨著開挖的進(jìn)行，隧道產(chǎn)生的土體沉降逐漸增大，在隧道貫通后土體沉降值達(dá)到最大，沉降槽寬度也達(dá)到最大。從圖中也可以發(fā)現(xiàn)，由于樁的存在，左側(cè)沉降稍小于右側(cè)沉降，云圖上呈現(xiàn)出不對(duì)稱性。

圖7 土體沉降

樁身附加軸力變化見圖8，隧道開挖導(dǎo)致樁身產(chǎn)生向下的拉力，即樁身存在負(fù)摩阻力。當(dāng)左線隧道開挖至樁身所處位置時(shí)，軸力超過500 kN，當(dāng)左線隧道貫通后，軸力值超過700 kN，當(dāng)右線隧道貫通后，軸力值最大超過800 kN。右線隧道由于距離樁較遠(yuǎn)，其影響遠(yuǎn)小于左線隧道，說明隨著距離的增加，隧道開挖對(duì)樁基礎(chǔ)的影響迅速減小。樁身剪力產(chǎn)生來自兩個(gè)方向，一個(gè)是向隧道方向的土體位移產(chǎn)生的，即橫向剪力；一個(gè)是由于盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤壓力導(dǎo)致的沿隧道前進(jìn)方向產(chǎn)生的剪力，即縱向剪力。從圖9 中可以發(fā)現(xiàn)，橫向剪力隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)過程在樁的底部逐漸增加，樁的中部在左側(cè)貫通后達(dá)到最大，樁頂部在右側(cè)貫通后達(dá)到最大。從圖10 中可以看出，對(duì)于縱向剪力，主要與刀盤與樁的距離有關(guān)，當(dāng)?shù)侗P位于左中時(shí)，剪力最大，當(dāng)?shù)侗P原理樁后，剪力減小，左側(cè)和右側(cè)貫通時(shí)差別不大。

圖8 樁身附加軸力變化

圖9 橫向剪力

圖10 縱向剪力

樁身彎矩產(chǎn)生也來自兩個(gè)方向，一個(gè)是向隧道方向的土體位移產(chǎn)生的，即橫向彎矩；一個(gè)是由于盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤壓力導(dǎo)致的沿隧道前進(jìn)方向產(chǎn)生的彎矩，即縱向彎矩。從圖11 和圖12 中可以看出，橫向彎矩隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)過程逐漸增加?？v向彎矩，主要與刀盤與樁的距離有關(guān)，當(dāng)?shù)侗P位于左中時(shí)，彎矩最大，當(dāng)?shù)侗P遠(yuǎn)離樁后，彎矩減小，左側(cè)和右側(cè)貫通時(shí)差別不大。

圖11 橫向彎矩

圖12 縱向彎矩

4 結(jié)論

（1） 對(duì)于雙線隧道開挖導(dǎo)致的樁身內(nèi)力變化，距離樁較近的隧道對(duì)樁的影響遠(yuǎn)大于距離較遠(yuǎn)的樁。

（2） 橫向剪力和彎矩均隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)逐漸增加，樁身軸力和彎矩較大位置均處在樁的中下部。

（3） 縱向剪力和彎矩在靠近一側(cè)隧道開挖時(shí)達(dá)到最大值，當(dāng)隧道貫通后，剪力和彎矩值均減小，且右側(cè)隧道開挖后差別與左側(cè)不大。