隧道位置對原有鄰近橋梁樁基的影響分析

姜貴彬

（申成路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北保定 071000）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市軌道交通建設(shè)的進(jìn)步， 我國地鐵的總里程數(shù)也在不斷增加。 與此同時，我國大部分城市都建設(shè)了許多高架橋和立交橋等設(shè)施，方便了人們的出行[1]。 盾構(gòu)法作為地鐵施工的主要方法之一，具有不影響地表交通、不受氣候條件的制約、施工快速等優(yōu)勢[2]。然而，隨著地鐵線路的逐漸增加，許多地鐵盾構(gòu)隧道鄰近城市原有的高架橋等設(shè)施，對原有鄰接的橋梁樁基產(chǎn)生影響。 因此，對盾構(gòu)隧道對原有鄰近橋梁樁基的影響進(jìn)行分析就顯得格外重要。 本文采用三維有限元法對盾構(gòu)隧道的施工過程進(jìn)行模擬， 并對不同隧道位置對原有鄰近橋梁樁基的影響進(jìn)行了分析。

2 盾構(gòu)隧道施工的工程數(shù)值模型構(gòu)建

為了研究隧道位置對原有鄰近橋梁樁基的影響， 選取了某市的地鐵建設(shè)作為工程背景， 并采用有限元軟件Midas GTS NX 來對盾構(gòu)隧道的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬。 該地鐵線路采用兩臺土壓平衡盾構(gòu)機進(jìn)行施工， 隧道軸線埋深約16.1 m，隧道和兩側(cè)橋梁樁基的最短距離為1.7 m。 該地鐵線路附近的橋梁是上下部結(jié)構(gòu)，且主要以摩擦樁為主。 該地鐵施工現(xiàn)場的土層主要包含了中風(fēng)化砂巖和強風(fēng)化炭質(zhì)泥巖。 因此， 研究選取了隧道施工穿過全風(fēng)化炭質(zhì)頁巖時的斷面來作為整體施工建設(shè)的代表斷面。 項目地區(qū)的地表水徑流量較大，因此，需要留意地表水對工程建設(shè)的影響。 工程數(shù)值模型的構(gòu)建步驟如圖1 所示。

圖1 工程數(shù)值模型的構(gòu)建步驟

從圖1 可以看出，在對工程數(shù)值模型進(jìn)行構(gòu)建時，第一步是先選擇材料參數(shù)，第二步是材料性態(tài)的模擬，第三步是計算主要的施工荷載， 第四步通過有限元軟件來構(gòu)建最終的工程數(shù)值模型[3]。材料參數(shù)的選擇主要涉及土體物理力學(xué)參數(shù)和橋梁結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)。 參數(shù)選擇的主要依據(jù)是巖土勘察報告、橋梁施工的設(shè)計圖以及類似研究選取的參數(shù)。 為了對土體材料的性態(tài)進(jìn)行模擬，采用了修正莫爾-庫倫本構(gòu)模型。 該模型屬于復(fù)合材料模型，可以對土體的力學(xué)特性進(jìn)行較好的模擬。此外，該模型需要對卸載彈性模量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。 針對橋梁材料性態(tài)的模擬，采用了線彈性本構(gòu)模型。 對于橋梁摩擦樁和端承樁的模擬，利用樁界面單元和樁端單元，對樁-土的相對位移等情況進(jìn)行了模擬。 摩擦樁的剪切及法向剛度模量分別為143 798 kN/m3和143 798 kN/m3，最終剪力為373 kPa。端承樁的樁土界面參數(shù)和摩擦樁的一致。 此外，摩擦樁和端承樁的樁端承載力分別為821 kN 和20 451 kN， 樁端彈簧剛度分別為67 935 kN/m 和1 141 112 kN/m。 此外。 樁基采用梁單元進(jìn)行模擬，而管片和盾殼采用板單元模擬。

在對材料參數(shù)和性態(tài)進(jìn)行選擇和模擬之后，需要對施工荷載進(jìn)行計算。針對施工荷載的計算，主要從6 個方面進(jìn)行分析，分別為樁頂荷載、土倉壓力、刀盤與土體摩擦力、盾殼與土體摩擦力、注漿壓力和千斤頂推力。 對于樁頂荷載的求解，需要以JGJ 94—2018《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》為依據(jù)。 土倉加壓可以保持開挖面的穩(wěn)定，而土倉壓力的計算主要是依據(jù)開挖面處的水土壓力。刀盤與土體摩擦力的計算主要涉及刀盤開口率和摩擦系數(shù)等。 盾殼與土體摩擦力也是由水土壓力造成的，其計算主要涉及水平土壓力和盾殼直徑等。 注漿壓力通過會在0.1～0.3 MPa進(jìn)行選取。 千斤頂推力由不同分力的和構(gòu)成。

為了對最終的工程數(shù)值模型進(jìn)行構(gòu)建， 選取地鐵建設(shè)的重要施工階段， 一共有4 個， 之后再對工程數(shù)值模型進(jìn)行建立。 第一個階段為土體開挖階段，該階段需要對盾殼承擔(dān)開挖荷載進(jìn)行激活，且主要利用了Midas 軟件。 此外，該階段還需要施加土倉壓力和摩擦力。 第二個階段為管片拼裝階段，該階段需要對襯砌管片進(jìn)行激活， 并對開挖面上的土倉壓力進(jìn)行鈍化。 壁后注漿是第三個階段，該階段需要對盾構(gòu)外殼進(jìn)行鈍化，并對還沒有硬化的注漿材料、管片的收縮荷載、外側(cè)及內(nèi)側(cè)注漿壓力進(jìn)行激活。 第四個階段為盾尾脫離階段，該階段注漿材料的硬化程度會增強。 通過上述4 個重要的施工階段，可以對盾構(gòu)隧道施工的全過程進(jìn)行模擬。

構(gòu)建好的工程數(shù)值模型的長度為62 m， 寬度為78 m，高度為44 m。模型的底部加入了固定約束，而模型的側(cè)面加入了相應(yīng)的法向位移約束。 此外，模型中的土體一種包含6 種，其中厚度最大的是強風(fēng)化粉砂巖， 厚度最小的是淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)粉砂。 地下水被設(shè)置在-3 m 的位置，隧道直徑為6.5 m，盾構(gòu)機的刀盤直徑為6.8 m，盾殼厚度為7 mm。樁基的樁徑和樁長分別為1.3 m 和21 m， 管片的厚度和幅寬分別為0.4 m 和1.6 m。 單樁承臺尺寸的長和寬皆為2.3 m，高為2.1 m。雙樁承臺尺寸的長為5.5 m，寬為2.3 m，高為2.1 m。

3 盾構(gòu)隧道不同位置在橋梁樁基上的影響分析

在使用盾構(gòu)機來對地鐵隧道進(jìn)行挖掘時， 原有鄰近橋梁樁基會受到地層變形的影響。 為了分析盾構(gòu)隧道不同位置對橋梁樁基的影響，對二者的相對位置關(guān)系進(jìn)行分析。 具體的相對位置關(guān)系如圖2 所示。

圖2 具體的相對位置關(guān)系

在圖2 中， 圓形代表隧道，D 表示隧道和樁基的水平距離。 D 和隧道埋深的取值分別各有4 種，代表了盾構(gòu)隧道和樁基之間不同的相對位置關(guān)系。 因此，隧道位置對橋梁樁基的影響主要從水平距離和隧道埋深兩個方面來進(jìn)行分析。 在水平距離上的影響主要可以從兩個層面展開， 分別為在樁基變形上的影響和在樁基內(nèi)力上的影響。 在進(jìn)行影響分析之前，需要先對樁基的沉降和水平變形進(jìn)行控制， 并將工程數(shù)值模型的寬度和高度分別調(diào)整為90 m 和50 m。 不同位置關(guān)系下隧道盾構(gòu)施工對橋梁樁基沉降和水平位移的影響如圖3 所示。

圖3 不同位置關(guān)系下隧道盾構(gòu)施工對橋梁樁基沉降的影響

通過圖3a 可以看出，當(dāng)盾構(gòu)隧道和橋梁樁基之間的水平距離為5.55 m 時，樁身沉降的最大值為-6.21 mm，最小值為-7.43 mm。 隨著沿樁身深度的增加，樁身沉降的值在逐漸變小。當(dāng)水平距離為9.7 m 時，樁身沉降的最大值為-3.99 mm，最小值為-4.75 mm。隨著沿樁身深度的增加，樁身沉降的值也在逐漸變小，但是變小的速度已經(jīng)放緩。 當(dāng)水平距離為12.9 m 時，樁身沉降的最大值為-2.56 mm，最小值為-2.82 mm。 此時，樁身沉降的變小速度有了進(jìn)一步的放緩。 當(dāng)水平距離為16.1 m時，樁身沉降的最大值和最小值皆為-1.78 mm，且此時樁身沉降沒有隨著沿樁身深度的增加而發(fā)生變化。 由此可知，當(dāng)水平距離越大時，橋梁樁基沉降最大值和最小值之間的差值最小。由圖3b 可知，當(dāng)水平距離為5.55 m 時，樁身橫向水平位移的最大值為6.73 mm，最小值為-0.65 mm。當(dāng)水平距離為9.7 m時，樁身橫向水平位移的最大值為6.01 mm，最小值為-1.51 mm。當(dāng)水平距離為12.9 m 時，樁身橫向水平位移的最大值為5.03 mm，最小值為-1.22 mm。 當(dāng)水平距離為16.1 m 時，樁身橫向水平位移的最大值為3.73 mm，最小值為-1.02 mm。 由此可知，當(dāng)水平距離越大時， 橋梁樁基橫向水平位移最大值和最小值之間的差值最小。 綜上分析，隧道和樁基之間的水平距離越大，樁基受到的影響便越小。 為了分析不同水平距離對樁基內(nèi)力的影響， 本文對隧道盾構(gòu)施工后的樁身軸力分布和樁身橫向彎矩分布進(jìn)行了分析。

當(dāng)水平距離為5.55 m 時，樁身軸力的最大值為2 750 kN，最小值為308 kN。 當(dāng)水平距離為9.7 m 時，樁身軸力的最大值為2 115 kN，最小值為213 kN。 當(dāng)水平距離為12.9 m 時，樁身軸力的最大值為1 507 kN， 最小值為105 kN。 當(dāng)水平距離為16.1 m 時，樁身軸力的最大值為1 248 kN，最小值為32 kN。當(dāng)水平距離越大時，樁身軸力最大值和最小值之間的差距最小。當(dāng)水平距離為5.55 m 時， 樁身彎矩的最大值為216 kN·m，最小值為-182 kN·m。 當(dāng)水平距離為9.7 m 時，樁身彎矩的最大值為126 kN·m， 最小值為-50 kN·m。 當(dāng)水平距離為12.9 m時，樁身彎矩的最大值為63 kN·m，最小值為-37 kN·m。 當(dāng)水平距離為16.1 m 時，樁身彎矩的最大值為45 kN·m，最小值為-31 kN·m。樁基初始狀態(tài)下樁身彎矩的最大值為25 kN·m，最小值為-21 kN·m?？梢钥闯?，水平距離越大時的樁身彎矩和初始狀態(tài)下樁身彎矩是最為接近的， 表明此時樁基受到的影響較小。 為了對不同隧道埋深對橋梁樁基的影響進(jìn)行分析，從樁基變形和樁基內(nèi)力兩個層面進(jìn)行分析。

當(dāng)隧道埋深為13 m 時，樁身沉降的最大值和最小值分別為-3.72 mm 和-5.01 mm。 當(dāng)隧道埋深為17 m 時，樁身沉降的最大值和最小值分別為-6.28 mm 和-7.50 mm。 當(dāng)隧道埋深為23 m時，樁身沉降的最大值和最小值分別為-12.89 mm 和-13.77 mm。當(dāng)隧道埋深為27 m 時，樁身沉降的最大值和最小值皆為-6.98 mm。當(dāng)隧道埋深為13 m、17 m、23 m 和27 m 時，樁身橫向水平位移的最大值分別為5.0 mm、5.23 mm、6.76 mm 和1.82 mm， 最小值分別為-0.12 mm、-0.51 mm、1.53 mm 和0.08 mm；樁身縱向水平位移的最大值分別為4.48 mm、3.92 mm、4.61 mm 和1.62 mm， 最小值分別為-0.25 mm、-0.37 mm、0.50 mm 和0.17 mm。 隧道埋深變化會對橋梁樁基的沉降、橫向及縱向水平位移造成較大的影響。

當(dāng)隧道埋深為13 m、17 m、23 m 和27 m 時， 樁身軸力的最大值分別為3 382 kN、2 748 kN、2 776 kN 和1 875 kN，最小值皆為325 kN；樁身彎矩的最大值分別為149 kN·m、223 kN·m、218 kN·m 和43 kN·m，最小值分別為-152 kN·m、-191 kN·m、-112 kN·m 和-25 kN·m。 當(dāng)隧道埋深越大，樁身彎矩的變動范圍最小。 可以看出，當(dāng)隧道埋深越大時，隧道施工對橋梁樁基的影響最小。

4 結(jié)論

為了對隧道位置在原有鄰近橋梁樁基上的影響進(jìn)行分析，本文采用了三維有限元軟件來對盾構(gòu)隧道施工過程的數(shù)值分析。結(jié)果顯示，當(dāng)水平距離為5.55 m、9.7 m、12.9 m 和16.1 m 時，樁身沉降的最大值分別為-6.21 mm、-3.99 mm、-2.56 mm 和-1.78 mm，最小值為-7.43 mm、-4.75 mm、-2.82 mm 和-1.78 mm；樁身橫向水平位移的最大值分別為6.73mm、6.01mm、5.03mm 和3.73mm，最小值分別為-0.65 mm、-1.51 mm、-1.22 mm 和-1.02 mm。 由此可知，隧道和樁基之間的水平距離越大，樁基受到的影響便越小。當(dāng)隧道埋深為13 m、17 m、23 m 和27 m 時，樁身沉降的最大值分別為-3.72 mm、-6.28 mm、-12.89 mm 和-6.98 mm， 最小值分別為-5.01 mm、-7.50 mm、-13.77 mm 和-6.98 mm； 樁身彎矩的最大值分別為149 kN·m、223 kN·m、218 kN·m 和43 kN·m，最小值分別為-152 kN·m、-191 kN·m、-112 kN·m 和-25 kN·m。由此可知， 當(dāng)隧道埋深越大時， 隧道施工對橋梁樁基的影響最小。研究主要分析了盾構(gòu)隧道施工在樁基上的影響，對其他隧道施工方法在樁基上的影響考慮較少， 未來的研究可以在這個方面進(jìn)行改進(jìn)。