盾構(gòu)隧道與碼頭樁基近接施工相互影響分析

羅士瑾，于旭東，呂媛媛

（1.舟山市鐵路建設(shè)中心，浙江 舟山 316021；2.舟山市新城公路與運輸2 理中心，浙江 舟山 316021；3.杭州交通投資建設(shè)管理集團有限公司，浙江 杭州 310024）

伴隨我國城鎮(zhèn)化進程不斷加快，地下空間大力建設(shè)成為城市可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。然而，由于地理位置與經(jīng)濟性限制，不少新建地下結(jié)構(gòu)施工將無法避免地近接既有地下建構(gòu)筑物。常見的如盾構(gòu)隧道穿越樁基或樁基作業(yè)鄰近已建隧道，都會破壞周圍地層土體，導致既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的變形與附加應力，存在不可忽視的安全隱患[1-3]。

針對這一問題，眾多學者開展了相關(guān)研究。周鑫等[4]針對杭州地鐵3 號線工大站—留和站盾構(gòu)區(qū)間工程，研究了盾構(gòu)開挖過程對鄰近橋梁樁基影響規(guī)律；黃戡等[5]基于流固耦合理論，分析了盾構(gòu)施工引起的樁身位移應力變化；王超雄等[6]運用小孔擴張－收縮理論，研究了下穿隧道開挖對鄰近樁基產(chǎn)生的作用；舒暢等[7]依托常州市朝陽大溝中橋工程上跨地鐵一號線隧道項目，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測總結(jié)了小凈距樁基施工對既有地鐵隧道的影響；卞榮等[8]通過數(shù)值方法，劃分了預制樁靜壓施工時隧道變形強、弱影響區(qū)。由此可見，上述研究主要集中于盾構(gòu)隧道或樁基單方面施工造成的影響，涉及盾構(gòu)隧道與樁基相互近接施工情形的研究較少。

鑒于此，依托甬舟鐵路金塘海底隧道工程，選取其沿線碼頭樁基分布特征區(qū)段，采用有限元軟件依次建立平面應變與三維地層－結(jié)構(gòu)精細化模型，分析鐵路與公路盾構(gòu)隧道開挖對既有碼頭樁基的影響以及規(guī)劃樁基施作對既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響，得到隧道與樁基相互近接施工變形情況與應力特征，為類似工程設(shè)計施工提供參考。

1 工程概況

甬舟鐵路金塘海底隧道沿線情況復雜，穿越冠保碼頭、木岙作業(yè)區(qū)、北侖側(cè)相關(guān)企業(yè)廠房、青峙河橋涵、石油管道等既有或規(guī)劃中建筑，需考慮相互近接施工影響。

2 盾構(gòu)隧道與碼頭樁基近接施工數(shù)值模擬

本文以隧道開挖鄰近冠保碼頭既有樁基以及木岙碼頭預制樁施工鄰近既有隧道為代表，展開具體數(shù)值模擬分析。

2.1 隧道開挖對既有樁基影響模擬方案

冠保碼頭系船柱排樁樁長61m，警示燈承臺樁樁長67m，樁基采用直徑1200mm，壁厚150mm 的管樁，鐵路隧道管片內(nèi)徑12.8m，厚0.6m，環(huán)寬2m，頂部覆土厚度為42.65m，鐵路隧道與碼頭系船柱排樁基水平距離為5.7m，與警示燈承臺樁基水平距離為7.56m。公路隧道側(cè)穿冠堡碼頭既有樁基和鐵路隧道，與既有樁基和鐵路隧道的最近水平距離分別為13.2m 和51.05m，兩條公路隧道覆土厚度均為14.72m，兩隧道水平距離為11.1m，管片外徑均為15.2m。

隧道開挖將引起地層位移，本文平面應變模型采用地層收斂形式有均勻收斂和不均勻收斂。分析時對注漿圈外壁土層施加徑向強制位移，模擬地應力釋放時地層變形。

2.2 預制樁施工對隧道結(jié)構(gòu)影響模擬方案

木岙碼頭樁基模型中，第一排樁基與隧道凈距為50m，沿隧道軸向樁間距為5.9m，垂直于隧道軸向樁間距為10.5m，共計五排樁。本文采用圓孔擴張法進行模擬樁施工擠土作用，即對參考面施加徑向位移，使得參考面由管樁內(nèi)徑位置擴張至外徑位置?？紤]到邊界效應，對隧道產(chǎn)生影響的有效擠土量僅為靠近隧道的半根管樁擠土量在水平方向的投影，經(jīng)計算得到樁在水平方向上的擠土位移為0.023m。

2.3 模型設(shè)置

模型土體采用摩爾－庫倫本構(gòu)，管片采用塑性損傷本構(gòu)，螺栓與鋼筋采用理想彈塑性本構(gòu)。管片混凝土等級為C60，管片間連接螺栓為M36、8.8 級高強斜螺栓，管片配筋采用HRB400 級鋼筋。管片接觸面法向采用硬接觸，切向采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.3。

3 盾構(gòu)隧道與碼頭樁基受力變形影響分析

3.1 隧道開挖對冠保碼頭既有樁基的影響

經(jīng)有限元軟件計算，得到不同收斂模式下冠保碼頭樁基位移情況，如圖1 所示。由圖1(a)可知，隧道右邊第1 根樁最大位移為19.84mm，第2 根樁最大位移為11.24mm，隧道左邊樁最大位移為9.87mm。由圖1(b)可知，隧道右邊第1 根樁最大位移為10.24mm，第2 根樁最大位移為7.7mm，隧道左邊樁最大位移為9.7mm?？傮w上，地層均勻收斂模式工況的位移計算結(jié)果偏保守。應力方面，以均勻收斂模式計算結(jié)果為例，鄰近樁在隧道開挖前后均處于受拉狀態(tài)，且樁應力值變化不明顯，最大主應力為0.33MPa 左右，隧道開挖對樁基應力影響較小。

圖1 隧道與冠保碼頭樁基位移云圖(m)

為進一步探討隧道開挖引起的樁基整體受力變形特征，建立圖2 所示“地層－隧道－承臺樁”三維計算模型，得到鐵路隧道先開挖后既有樁基位移、公路隧道后開挖后既有樁基與既有鐵路隧道位移情況，如圖3～圖5 所示。

圖2 “地層－隧道－承臺樁”三維計算模型

圖3 鐵路隧道開挖后樁基位移云圖(m)

圖3、圖4 揭示了在鐵路隧道開挖后，警示燈承臺樁整體向鐵路隧道方向偏移，最大位移為12.13mm；公路隧道開挖后，警示燈承臺樁整體反向偏移，最大位移為12.03mm。而碼頭系船柱排樁在兩隧道同側(cè)，因此兩隧道開挖后樁基位移均有一定程度的增加，但公路隧道距離較遠，其開挖對碼頭系船柱排樁影響較小。圖5 表明了公路隧道開挖使鐵路隧道整體向靠近公路隧道的方向偏移，鐵路隧道拱腰最大水平位移為0.8mm，拱頂最大沉降量為0.31mm，拱底上浮0.01mm，均符合安全要求。

圖4 公路隧道開挖后樁基位移云圖(m)

圖5 公路隧道開挖后鐵路隧道位移云圖(m)

3.2 木岙碼頭預制樁施工對隧道結(jié)構(gòu)的影響

不同位置樁基施作對隧道變形的影響見圖6，圖中P1 至P5 分析步依次施作第一排樁到第五排樁。由圖6 可知，鐵路隧道開挖完成后呈橫鴨蛋狀，豎向壓縮7.23cm、水平擴張6.99cm；群樁施作后，在擠土作用下隧道表現(xiàn)出遠離樁基的運動趨勢，水平方向被壓縮。

圖6 鐵路隧道不同部位位移變化曲線圖

對于管片受力方面，經(jīng)統(tǒng)計計算結(jié)果可知，隧道開挖完成后，混凝土拉、壓應力峰值分別為2.8Mpa、-24.4Mpa，分布在隧道拱腰外側(cè)和拱腰內(nèi)側(cè)；群樁樁基施作完成后，混凝土拉、壓應力峰值分別變?yōu)?.47Mpa、-20.2Mpa?？傮w上，樁基施工對管片混凝土應力影響不大。同樣，樁基施工對螺栓與鋼筋的應力影響亦較小，螺栓最大主應力由48.2Mpa 變?yōu)?1.8Mpa，鋼筋最大、最小主應力由29.7Mpa、-20.2Mpa 變?yōu)?7.9Mpa、-20.1Mpa，均處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)語

采用有限元數(shù)值方法，研究了鐵路公路盾構(gòu)隧道與樁基近接施工相互影響，得到以下主要結(jié)論：

盾構(gòu)隧道開挖會使得碼頭樁基整體向隧道的方向偏移，偏移程度與兩者距離間成正比，但對樁基最大主應力影響較小。

碼頭群樁的施作會產(chǎn)生擠土作用，導致鄰近盾構(gòu)隧道表現(xiàn)出遠離樁基的趨勢，同時隧道在水平方向上的變形逐漸由擴張轉(zhuǎn)為壓縮狀態(tài)。

樁基施工對盾構(gòu)隧道管片混凝土、螺栓與鋼筋的應力影響不明顯，管片受力安全易保障。