盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)鄰近樁基影響的數(shù)值分析研究

汪 勝

(杭州地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，浙江 杭州 310019)

地鐵在城市地下空間開(kāi)發(fā)和緩解交通壓力方面具有其他交通方式不可比擬的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)地鐵多是在城市發(fā)展到相當(dāng)規(guī)模才進(jìn)行規(guī)劃修建，且多敷設(shè)于城市主干道下方，不可避免的會(huì)穿越既有公路橋梁樁基，進(jìn)而影響既有橋梁的受力狀態(tài)，對(duì)橋梁安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成威脅[1-8]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在盾構(gòu)穿越既有建筑基礎(chǔ)方面不斷的探索研究，張?jiān)频萚9]在分析盾構(gòu)施工引起地表沉降原因的基礎(chǔ)上，探討了地表變形對(duì)等代層參數(shù)的敏感性；劉招偉等[10]以廣州地鐵為背景，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，總結(jié)分析了盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律；袁海平等[11]基于橋樁結(jié)構(gòu)耦合彈簧力學(xué)計(jì)算原理與有限差分方法，研究了盾構(gòu)近距離側(cè)穿樁基引起的樁基承載特性變化；N. Loganathan等[12]通過(guò)離心試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)樁與隧道之間的距離以及樁長(zhǎng)與隧道埋深的相對(duì)關(guān)系直接影響樁基的軸力和彎矩的大小；韓進(jìn)寶等[13]通過(guò)三維有限元數(shù)值分析和離心模型試驗(yàn)分析了在不同樁長(zhǎng)和盾構(gòu)隧道埋深情況下引起的樁基受力和變形規(guī)律；馮國(guó)輝等[14]基于Winkler和Pasternak地基模型，采用差分法發(fā)現(xiàn)隔離樁對(duì)盾構(gòu)隧道穿越鐵路樁基引起的樁基響應(yīng)有明顯的改善作用；王麗等[15]通過(guò)三維數(shù)值模擬探討了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中樁基承載特性的變化趨勢(shì)；沈建文等[16]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果采用有限元模擬分析了盾構(gòu)施工引起的樁基豎向沉降、水平側(cè)移和內(nèi)力變化；宮全美等[17]提出了一種盾構(gòu)施工引起的樁基承載力損失計(jì)算方法并結(jié)合數(shù)值模擬探討了該方法的適用性；寇曉強(qiáng)等[18]基于實(shí)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬，探討了旋噴加固法在盾構(gòu)隧道穿越建筑物樁基時(shí)對(duì)樁基的加固效果。

綜合分析盾構(gòu)穿越工程方面的研究成果，多集中于特定工況下盾構(gòu)施工引起的響應(yīng)分析，較少對(duì)鄰近樁基受盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起的樁基響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，鮮有不同樁間距下樁基承載規(guī)律的變化分析。筆者依托蘭州地鐵穿越公路橋梁樁基工程，采用MIDAS GTS進(jìn)行數(shù)值模擬[19]，系統(tǒng)性的分析了盾構(gòu)隧道側(cè)穿不同位置單樁和不同樁間距的雙樁時(shí)引起的樁基響應(yīng)規(guī)律，研究成果可為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)建造提供理論支撐和借鑒。

1 模型設(shè)計(jì)

建立有限元模型，見(jiàn)圖1,圖2，模型尺寸長(zhǎng)100 m、寬72 m、高50 m，側(cè)面和底面施加位移邊界，地面為自由邊界，采用修正摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。隧道外側(cè)距單樁樁體中心距離L=0.25D，0.5D，1D，1.5D，2D(D為隧道直徑)，雙樁樁間距S/d=2，3，4，6(S為樁間距，d為樁體直徑)，鄰近隧道樁體(以下簡(jiǎn)稱鄰近樁)與隧道距離為常量0.25D，通過(guò)改變相鄰樁位置改變樁間距。單樁樁頂荷載2 533.4 kN，雙樁承臺(tái)荷載5 066.8 kN。模型中各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表1，表2。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 單樁響應(yīng)分析

2.1 變形分析

不同間距L下盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起的單樁豎向和水平變形分別見(jiàn)圖3，圖4。

由數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，隧道掘進(jìn)引起應(yīng)力釋放，導(dǎo)致土體體積損失，土體位移變化引起樁基響應(yīng)，不同間距L的基樁產(chǎn)生了不同程度的變形。如圖3所示，當(dāng)L=0.25D時(shí)，單樁沉降為27.26 mm，相比隧道開(kāi)挖前的17.98 mm 增大了9.28 mm；隨間距L增大，樁體受隧道開(kāi)挖影響逐漸變?nèi)?，沉降逐漸減小，當(dāng)L=0.5D，1D，1.5D時(shí)樁體沉降分別為26.84 mm，24.83 mm，23.59 mm；當(dāng)L增大到2D時(shí)，樁體沉降為22.45 mm，相比初始沉降增量為4.47 mm，隨間距L增大，樁體沉降減小了4.81 mm。

如圖4所示，隧道開(kāi)挖引起的樁體水平位移以撓曲為主。隧道開(kāi)挖前樁體基本不發(fā)生水平位移，當(dāng)L=0.25D時(shí)，最大水平位移為4.35 mm，隨L增大最大水平位移減小，當(dāng)L=2D時(shí)，為2.01 mm，同比減小了53.7%。最大水平位移均發(fā)生在隧道附近，但各點(diǎn)并不重合，隨間距L增大，最大位移點(diǎn)稍有提升，當(dāng)L從0.25D增大到2D時(shí)，最大位移點(diǎn)從樁體埋深18 m處提升至15 m處，各樁的撓曲程度也隨之減弱，撓曲形態(tài)發(fā)生改變。

2.2 軸力和彎矩分析

不同間距L下盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起的單樁軸力增量和彎矩分別見(jiàn)圖5,圖6。

由分析結(jié)果可知，在不同間距L下，各樁軸力在隧道開(kāi)挖前后變化差異明顯。如圖5所示，軸力增量變化趨勢(shì)均為先增大再減小，由于盾構(gòu)掘進(jìn)引起隧道頂部沉降槽內(nèi)土體沉降明顯，導(dǎo)致樁上部側(cè)摩阻力未能充分發(fā)揮，并且存在一點(diǎn)在隧道開(kāi)挖前后側(cè)摩阻力不發(fā)生變化，即軸力增量拐點(diǎn)，該點(diǎn)以上側(cè)摩阻力小于開(kāi)挖前，以下側(cè)摩阻力大于開(kāi)挖前。隨間距L增大，土體沉降對(duì)樁側(cè)摩阻力發(fā)揮性狀影響逐漸減小，不變點(diǎn)上移，樁下部側(cè)摩阻力充分發(fā)揮，軸力增量出現(xiàn)負(fù)值。當(dāng)L=0.25D時(shí)，軸力增量始終為正值，各點(diǎn)軸力均大于開(kāi)挖前，極不利于樁基承載。在樁體埋深0 m～14 m范圍內(nèi)，軸力增幅明顯，最大增量為387.56 kN，不變點(diǎn)出現(xiàn)在樁長(zhǎng)14 m處；當(dāng)L=0.5D時(shí)，軸力最大增量為344.15 kN，樁底出現(xiàn)負(fù)值，不變點(diǎn)位于樁長(zhǎng)12 m處；隨L增大，最大增量逐漸減小，當(dāng)L=2D時(shí)，軸力最大增量為90.71 kN，不變點(diǎn)位于樁長(zhǎng)8 m處，而樁端軸力相對(duì)于開(kāi)挖前減小了110.82 kN，說(shuō)明隧道開(kāi)挖在引起樁基沉降增大的同時(shí)也促進(jìn)了基樁下部側(cè)摩阻力的發(fā)揮。

隧道開(kāi)挖、樁基空間位置對(duì)樁身彎矩影響顯著，如圖6所示。

隧道開(kāi)挖前樁身彎矩很小，最大彎矩為4.13 kN·m，當(dāng)L=0.25D時(shí)，最大彎矩為-50.15 kN·m，同比增大了12.1倍；當(dāng)L=0.5D時(shí)，最大彎矩為-26.23 kN·m，同比增大了6.4倍；當(dāng)L=1D時(shí)，最大彎矩為-16.49 kN·m，同比增大了4.0倍；當(dāng)L=1.5D時(shí)，最大彎矩為-10.99 kN·m，同比增大了2.7倍；當(dāng)L=2D時(shí)，最大彎矩為-5.68 kN·m，同比增大了1.4倍；由分析結(jié)果可知，隧道開(kāi)挖導(dǎo)致鄰近樁彎矩增幅明顯，隨間距L不斷增大，增幅逐漸減小，當(dāng)L=2D時(shí)，增幅有限，已基本不產(chǎn)生明顯影響。

2.3 承載力損失分析

模擬單樁載荷試驗(yàn)，繪制Q-s曲線。如圖7所示，以800 kN為一級(jí)施加荷載，以沉降值50 mm對(duì)應(yīng)的荷載為單樁極限承載力，測(cè)得極限承載力為5 066.8 kN。以承載力特征值2 533.4 kN為初始工作荷載，隧道開(kāi)挖后繼續(xù)加載至破壞。當(dāng)L=0.25D，0.5D，1D，1.5D，2D時(shí)，極限承載力分別為4 189.5 kN，4 316.0 kN，4 457.9 kN，4 642.6 kN，4 854.6 kN。

以隧道開(kāi)挖前的單樁極限承載力為Qb，開(kāi)挖后的極限承載力為Q1，以開(kāi)挖前的極限承載力和開(kāi)挖后的差值與開(kāi)挖前的極限承載力比值定義承載力損失比e，如式(1)所示。

(1)

計(jì)算可知當(dāng)L=0.25D，0.5D，1D，1.5D，2D時(shí)，其承載力損失比分別為17.3%，14.8%，12.0%，8.4%，4.2%?？芍軜?gòu)隧道開(kāi)挖導(dǎo)致樁基承載力損失，但開(kāi)挖后的極限承載力仍大于初始承載力特征值，樁基仍適于承載。

3 雙樁響應(yīng)分析

3.1 變形分析

雙樁其承載特性受群樁效應(yīng)影響與單樁有很大差別。設(shè)計(jì)雙樁樁基，樁間距S/d=2，3，4，6，以樁間距為變量，鄰近樁與隧道間距L=0.25D為常量，分析不同樁間距雙樁在盾構(gòu)隧道施工時(shí)引起的承載性能變化。

雙樁間距S/d=2，3，4，6時(shí)，鄰近樁受盾構(gòu)施工影響引起的豎向沉降和水平變形見(jiàn)圖8，圖9。由分析結(jié)果可知，雙樁位移增量在不同樁間距下差異明顯。如圖8所示，承臺(tái)的約束作用在樁間距較小時(shí)顯著，當(dāng)S/d=2，樁頂沉降增量為8.23 mm，相比單樁沉降增量9.28 mm減小了1.05 mm；當(dāng)S/d=3，4，6時(shí)，沉降增量分別為8.36 mm，8.52 mm，9.20 mm，相比單樁沉降分別減小了0.92 mm，0.72 mm，0.08 mm，可知隨樁間距增大，沉降逐漸增大，當(dāng)S/d=6時(shí)，雙樁中的鄰近樁和單樁沉降增量幾乎相同。但單樁與雙樁中的鄰近樁沿樁體埋深的沉降增量發(fā)展趨勢(shì)不同，單樁相比鄰近樁沉降增量遞減快，單樁樁頂沉降增量大于1號(hào)樁0.08 mm，而樁端小于0.02 mm。這說(shuō)明單樁受盾構(gòu)開(kāi)挖引起的軸力遞減快、側(cè)摩阻力更大，而雙樁受承臺(tái)和相鄰樁對(duì)土體的限制作用，樁土相對(duì)位移較單樁小，側(cè)摩阻力發(fā)揮緩慢。

盾構(gòu)隧道施工引起的樁體水平位移隨樁間距變化趨勢(shì)如圖9所示，和單樁相同，不同樁間距下最大水平位移仍發(fā)生在隧道附近，但相鄰樁對(duì)土體剛度的增強(qiáng)作用，導(dǎo)致鄰近樁樁體水平位移小于單樁水平位移。當(dāng)樁間距S/d=2，3，4，6時(shí)，鄰近樁最大水平位移分別為3.88 mm，3.97 mm，4.02 mm，4.12 mm，相比于單樁最大水平位移4.35 mm，分別遞減了0.47 mm，0.38 mm，0.33 mm，0.22 mm?？芍噜彉秾?duì)土體剛度的增強(qiáng)作用隨樁間距增大而逐漸減弱，最大水平位移逐漸增大而趨于和單樁相似的水平變形。

3.2 彎矩分析

不同樁間距下鄰近樁彎矩的變化如圖10所示。

當(dāng)S/d=2時(shí)，最大彎矩為-35.02 kN·m，同比單樁最大彎矩減小了30.2%，當(dāng)S/d=3，4，6時(shí)，鄰近樁最大彎矩分別為-37.48 kN·m，-40.12 kN·m，-44.29 kN·m，同比單樁分別減小了25.3%，20.0%，11.7%。可知，受雙樁相鄰樁的限制作用鄰近樁比同位置單樁彎矩小，隨樁間距增大，限制作用不斷減弱。

4 結(jié)論

1)隧道開(kāi)挖導(dǎo)致土體發(fā)生位移引起樁基響應(yīng)，隨單樁與隧道的距離L不斷增大，樁體豎向位移減小。當(dāng)L=0.25D時(shí)，單樁沉降為27.26 mm，相比隧道開(kāi)挖前初始狀態(tài)的17.98 mm增大了9.28 mm，隨間距增大到L=2D，樁體沉降同比L=0.25D時(shí)減小了4.81 mm；雙樁中的鄰近樁隨樁間距增大其豎向沉降增量逐漸增大，當(dāng)S/d=6時(shí)，樁頂沉降增量與單樁相近，但單樁隨樁身向下沉降增量遞減快，側(cè)摩阻力更易發(fā)揮。

2)單樁L=0.25D時(shí)，最大水平位移為4.35 mm，隨L增大最大水平位移減小，當(dāng)L=2D時(shí)，為2.01 mm，同比減小了53.7%，最大水平位移點(diǎn)出現(xiàn)在隧道附近，但隨L增大逐漸上移；雙樁中相鄰樁能有效增強(qiáng)土體剛度，隨樁間距增大增強(qiáng)作用減小，當(dāng)S/d=2時(shí)，鄰近樁最大水平位移同比單樁減小了0.47 mm。

3)單樁在不同間距L下，軸力增量變化趨勢(shì)均為先增大再減小，軸力增量拐點(diǎn)即為側(cè)摩阻力不變點(diǎn)，以上側(cè)摩阻力小于開(kāi)挖前，以下大于開(kāi)挖前，隨間距L增大不變點(diǎn)上移，當(dāng)L=0.5D時(shí)，樁底軸力增量出現(xiàn)負(fù)值。

4)單樁彎矩隨間距L增大而減?。煌乳_(kāi)挖前最大彎矩增大了12.1倍～1.4倍；不同樁間距下雙樁中鄰近樁彎矩隨樁間距增大而減小了30.2%～11.7%。

5)間距L從0.25D增大到2D時(shí)，單樁極限承載力損失比從17.3%遞減至4.2%，各樁剩余極限承載力大于單樁承載力特征值，仍適于承載。