盾構(gòu)隧道及其聯(lián)絡(luò)通道側(cè)穿橋梁樁基影響分析

吳麗萍，劉俊良

（長春工程學(xué)院，吉林 長春）

城市快速路高架橋有著眾多群樁基礎(chǔ)，盾構(gòu)隧道施工有時(shí)不可避免地要側(cè)穿高架橋群樁基礎(chǔ)，尤其是盾構(gòu)區(qū)間設(shè)有聯(lián)絡(luò)通道并側(cè)穿橋梁群樁基礎(chǔ)時(shí)，使橋梁群樁基礎(chǔ)的變形產(chǎn)生疊加，影響上部結(jié)構(gòu)，給橋梁帶來安全隱患。

1 研究現(xiàn)狀

近年來，眾多學(xué)者利用理論研究法、實(shí)驗(yàn)研究法、數(shù)值模擬法研究了盾構(gòu)隧道施工對鄰近樁基礎(chǔ)的影響。在理論研究法方面：秦東平[1]基于柱體空腔膨脹理論，利用樁側(cè)荷載傳遞函數(shù)前沿成果對地層應(yīng)力、地層變形和樁側(cè)荷載傳遞函數(shù)的計(jì)算表達(dá)式進(jìn)行深化，并以此為基礎(chǔ)，研究盾構(gòu)隧道施工影響下樁基的附加軸力、摩阻力、豎向位移的解析理論以及樁基在隧道不同位置處的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律；在實(shí)驗(yàn)研究方面：卜璟[2]研制了一套無損觀測土體行為的室內(nèi)物理模型裝置并利用透明土試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)研究了不同盾構(gòu)隧道埋深、樁基位置、樁基長度等因素的影響規(guī)律；在數(shù)值模擬法方面：趙小龍[3]利用Midas GTS NX 將隧道側(cè)穿樁基掘進(jìn)分為4 個(gè)施工階段（盾構(gòu)機(jī)到達(dá)樁基前、盾體通過樁基后空隙未填充前、盾體通過后空隙用水泥砂漿填筑、盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)離樁基后）來分析各個(gè)施工階段下樁基的位移響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)樁基最大的位移響應(yīng)為水平位移，豎向位移相對較小。聯(lián)絡(luò)通道的施工影響分析以采用數(shù)值模擬法為主，李鳳翔[4]依托某越江地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程，利用MIDAS GTS NX對聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)法加固和不采用凍結(jié)法加固進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：凍結(jié)加固暗挖法可以有效地減少聯(lián)絡(luò)通道開挖引起的變形，控制效果顯著。

2 工程概況

本工程為長春某盾構(gòu)區(qū)間及其聯(lián)絡(luò)通道側(cè)穿多處快速路橋梁樁基礎(chǔ)部分，橋樁與區(qū)間左線最近間距為2.9 m，橋樁與區(qū)間右線最近間距為5.96 m。隧道埋深約為14 m，盾構(gòu)采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，外徑為6 200 mm，內(nèi)徑為5 500 mm，管片襯砌厚度為350 mm，環(huán)寬為1 500 mm。聯(lián)絡(luò)通道標(biāo)準(zhǔn)斷面凈空尺寸均為2.50 m（寬）×2.70 m（高），襯砌采用復(fù)合式襯砌：初期支護(hù)采用1.5 米長，外插角為15°的φ32×3.25 超前小導(dǎo)管、鋼筋網(wǎng)φR6,150×150 mm、縱向連接筋φ22、C25 網(wǎng)噴射混凝土、格柵鋼架；二次襯砌采用C40 防水鋼筋混凝土，P10。高架橋中間橋樁長35 m，高架橋兩側(cè)橋樁長30 m，樁徑為1.5 m，樁頂距地面為2.2 m，承臺高2 m，橋梁樁基持力層為中風(fēng)化泥巖層。隧道施工時(shí)，先施工左線隧道，待左線隧道盾構(gòu)施工結(jié)束時(shí)，再施工右線隧道，最后施工聯(lián)絡(luò)通道。

3 模型的建立

3.1 模型材料參數(shù)

3.1.1 巖土材料參數(shù)

根據(jù)盾構(gòu)隧道及其聯(lián)絡(luò)通道側(cè)穿快速路橋樁所在兩站區(qū)間的地質(zhì)勘察報(bào)告，盾構(gòu)隧道及其聯(lián)絡(luò)通道側(cè)穿橋樁區(qū)域穿越地層包括雜填土、粉質(zhì)黏土②2、粉質(zhì)黏土②3、全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖，詳細(xì)的土層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。建模時(shí)假設(shè)同一地層連續(xù)、均質(zhì)、各向同性，呈水平層狀分布，建模時(shí)取各地層加權(quán)平均厚度作為每一地層厚度。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3.1.2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

模型中結(jié)構(gòu)材料包括樁、承臺、橋墩、管片、注漿層、盾殼、聯(lián)絡(luò)通道初期支護(hù)、聯(lián)絡(luò)通道加固、聯(lián)絡(luò)通道二次襯砌以及超前小導(dǎo)管，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3.2 模型范圍的選取及建立

本文只研究盾構(gòu)隧道及其聯(lián)絡(luò)通道施工對鄰近橋梁樁基礎(chǔ)的影響，不考慮聯(lián)絡(luò)通道下方泵房的施工對鄰近橋梁樁基礎(chǔ)的影響，因此建模時(shí)假設(shè)聯(lián)絡(luò)通道下方不存在泵站。根據(jù)眾多學(xué)者對盾構(gòu)隧道施工影響的范圍進(jìn)行的研究，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)隧道施工時(shí)影響的范圍為3～5 倍洞徑，地層范圍取到穩(wěn)定地層，根據(jù)以上因素以及本工程實(shí)際工程概況，建立130（X）×110（Y）×60（Z）的三維模型，橋梁結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)區(qū)間及其聯(lián)絡(luò)通道的位置關(guān)系見圖1。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)與隧道位置關(guān)系圖

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 地表變形分析

圖2 為模型中聯(lián)絡(luò)通道中心線上方橫向地表（X=62，Z=0）上的土體沉降曲線圖。由圖2 可知左線盾構(gòu)隧道、右線盾構(gòu)隧道、聯(lián)絡(luò)通道分別完工時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道中心線上方地表橫向直線上的土體最大沉降值分別為-5.85 mm，-5.83 mm，-7.53 mm。所有隧道完工時(shí)，地表沉降曲線呈現(xiàn)“W”形，盾構(gòu)隧道施工對橫向地表上的土體主要影響范圍為左線隧道中心線左側(cè)20 米上方地表到右線隧道中心線右側(cè)20 米上方地表。聯(lián)絡(luò)通道施工對地表橫向直線上的土體主要影響范圍為左線隧道中心線左側(cè)8 米上方地表到右線隧道中心線右側(cè)8 米上方地表。

圖2 地表橫向沉降曲線圖

4.2 橋墩及樁基豎向位移變形分析

由圖3 可知，所有隧道完工時(shí)，橋墩及樁基的最大沉降值為3.40 mm，在3-4 的橋樁下部。

圖3 所有隧道完工時(shí)橋墩及樁基整體豎向位移

以橋墩及樁基2-3 和3-3 為例，研究其最大豎向位移隨施工步驟變化的關(guān)系，如圖4 所示。由圖4 可知2-3、3-3 橋墩及樁基最大豎向位移隨盾構(gòu)隧道及其聯(lián)絡(luò)通道施工步驟變化可分為七個(gè)階段，即增加-快速增加- 緩慢增加- 快速增加- 緩慢增加- 波動(dòng)- 緩慢減小。其中左線盾構(gòu)機(jī)開挖第39、40 環(huán)土體（此時(shí)開挖面分別距離前方2-3、3-3 中的最近橋樁20.4 m）至開挖第69、70 環(huán)土體時(shí)（此時(shí)開挖面分別距離后方2-3、3-3 中的最近橋樁20.9 m），右線盾構(gòu)機(jī)開挖第39、40 環(huán)土體（此時(shí)開挖面距離前方3-3 中的最近橋樁20.4 m）至右線盾構(gòu)機(jī)開挖第69、70 環(huán)土體時(shí)（此時(shí)開挖面距離后方3-3 中的最近橋樁20.9 m），2-3、3-3 橋墩及樁基最大沉降值增長迅速，由于2-3距離右線盾構(gòu)隧道比3-3 遠(yuǎn)，2-3 在第二次豎向位移快速增加階段的最大沉降增長值比3-3 小。聯(lián)絡(luò)通道開挖和初期支護(hù)時(shí)最大豎向位移有所波動(dòng)，施工聯(lián)絡(luò)通道二襯時(shí)稍有減小。

圖4 最大豎向位移隨施工步驟變化的關(guān)系

5 結(jié)論

所有隧道完工時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道中心線上方橫向地表上的土體沉降曲線呈“W”形，盾構(gòu)隧道施工對聯(lián)絡(luò)通道中心線上方橫向地表上的土體主要影響范圍為左線隧道中心線左側(cè)20 米上方地表到右線隧道中心線右側(cè)20 米上方地表。聯(lián)絡(luò)通道施工對其中心線上方橫向地表上的土體主要影響范圍為左線隧道中心線左側(cè)8 米上方地表到右線隧道中心線左側(cè)8 米上方地表。

橋墩及樁基最大豎向位移隨盾構(gòu)隧道及其聯(lián)絡(luò)通道施工步驟變化可分為七個(gè)階段，盾構(gòu)隧道施工影響橋墩及樁基最大豎向位移變化的主要施工范圍為盾構(gòu)機(jī)開挖平面距離前方橋墩及樁基的最近橋樁20.4 米到盾尾距離后方橋墩及樁基的最近橋樁20.9米的范圍內(nèi)。