基于FLAC 3D的盾构施工穿越高架桥梁桩基稳定性影响数值试验研究

周国志

(苏交科集团股份有限公司新疆分院 乌鲁木齐市 830000)

0 引言

作为公路交通中重要连接载体，桥梁是不可或缺的工程设施，而桥梁的安全稳定性与桥桩息息相关，当桥桩下方受到其他施工影响扰动时，均会在一定程度上影响桥桩承载能力[1-3]。一些城市在大力发展地铁轨道交通时，盾构是其中快速而安全的施工手段，但当面临桥桩施工环境时，盾构施工穿越桥桩对其稳定性影响不可忽视[4-5]。已有一些工程师或学者通过岩土体理论公式或施工技术参数指标研究盾构穿越桥桩时，对桩间土扰动影响，极大丰富了桥梁桩基础受施工扰动影响研究[6-7]。但也有一些学者通过有限元数值软件，建立工程模型，分析各种复杂工况下桥桩受扰动的影响规律[8-10]，为工程施工提供重要理论参考。为此，借助FLAC有限元软件，根据工程资料，模拟不同穿越工况下不同桥梁结构时桥桩受扰动影响变形特征。

1 工程概况

某桥梁设计为城市快速公交的三环外环城公路连接架构体，是城市BRT公交的实现载体，研究区段内桥梁长度约为1.2km，设计桥面宽度7.5m，设计桥面行车速度不超过80km/h，但由于该桥梁设计时还并未确定采用简支梁或连续梁，即桥梁结构形式还处于讨论环节，但由于桥梁下方正进行地铁盾构施工，因而其对桥梁桩基影响不可忽视，且由于桥梁结构形式设计差异性，一定程度会对桥梁桩基稳定性产生较大影响。该桥梁设计耐久性为Ⅱ级，盾构施工隧道面直径约为5.8m，盾构施工掘进速率8m/d，盾构管片厚度为30cm，桩隧间距为15m，通过在中间层注浆加固土层稳定性。盾构施工断面铺设有土工隔膜作为止水设施，施工过程中已搭建好桥梁桩基如图1所示，本文将针对于盾构施工过程中桥梁桩基安全性进行研究分析。

根据地质勘察资料得知，桥梁所在区域表面土层主要为人工填土，厚度约有3.6m，土体主要为粘性土与细砂土体，密实性较差，析水性较强；另在填土下层中还含有第四系的沉积土层，主要为淤泥质土、砂土层以及砾石土交织错杂，其中淤泥质土含水量达44%，砾石土所含颗粒粒径均超过3mm，级配不良，盾构施工所在土层中主要面临的即是该土层中砂土层，该层土体占比较大，最厚处达6.4m，可塑性较强，已产生流砂现象，对盾构掘进施工带来影响。基岩层为花岗岩体，中风化作用，根据现场取样得知，该基岩层稳定性较好，取样表面磨圆度较好，肉眼不可见孔隙分布，室内土工试验确定该基岩层可作为桥梁桩基重要载体，即使工程研究区域内地下水位较高，但花岗岩图受渗透破坏影响较弱。

2 计算理论与建模

2.1 计算理论

本工程考虑采用FLAC 3D有限元数值软件作为求解基础，FLAC求解时将所建模型进行网格单元化后，对每一个网格认为是其中一个质点，而每个质点运动与变形服从以下式：

(1)

(2)

上述所计算出来的即为各质点的应变与运动速率参数，另FLAC中还有运动平衡方程，其可表述为

(3)

式(1)～式(3)中，ρ指密度参数；vi指运动速度值。

运动方程与静力学方程联立可得到静力平衡方程，可针对于质点应力进行求解，其静力平衡方程为

(4)

式中，σij指应力值；bi指体力。

其中每个材料质点又有自身本构方程，以M-C模型本构方程为岩土体应力应变性质，该模型方程以下式可表述为

Δ[σ]=[E]Δ[ε]

(5)

式中，[E]指刚度矩阵。

应力增量在弹性变形中可表述为

(6)

式中，α1、α2与材料模量参数有关。

在求解应力变形特征参数时利用有限差分迭代逼近最优解，其中差分服从高斯积分，有

(7)

式中，[n]指法向矢量矩阵

针对正交原理与线性速度迭代逼近原则，有

(8)

在获得应力应变等特征参数条件下，针对性分析材料安全稳定性。根据工程实际情况，考虑土体应力分布均匀，且影响荷载仅考虑自重应力，隧道衬砌结构形式考虑为混凝土抹面刚体模型，各个管片之间的连接考虑为无摩擦界面，岩土体材料强度准则均服从M-C屈服准则，相关材料参数以土工试验报告为依据。桩基与土层之间接触界面不仅有摩擦力，亦与土体材料刚度性质有关，且桩基穿越土层性质差异较大，因而桩间土接触关系统一以FLAC 3D推荐模型表述，如下式所述：

(9)

式中，K、G指模量；ΔZmin指接触面上最小单元体尺寸。

2.2 建模

由于不同研究工况下建模基本类似，按照工程实际资料在FLAC 3D中创建数值模型，工程设计几何剖面与桥桩编号如图2所示，以盾构施工穿越简支梁桥设计形式为例，研究考虑盾构侧面穿越桥桩上部、中部、下部不同形式以及下穿桥桩四种工况。图3为盾构侧面穿越桥桩基础中部工况下所建数值模型，并已划分好网格单元，桩基与盾构隧道之间的空间位置关系如图4(a)所示，桩间土界面间接触关系如图4(b)所示。设定X、Y、Z向分别为桥桩的水平向、纵向及竖向位移。另为分析方便，按照盾构隧道掘进方向及桥桩分布在盾构隧道两侧形式，以左侧(前排左侧、后排左侧)、右侧(前排右侧、后排右侧)区分桥桩位置。另在连续桥结构中，根据距离隧道远近又分为远端(前排左侧、后排左侧)、近端(前排左侧、后排左侧)、远端(前排右侧、后排右侧)、近端(前排右侧、后排右侧)。

3 数值试验结果分析

3.1 简支梁桥结构形式

根据盾构施工不同侧穿越简支梁结构形式，获得了桥桩位移云图，限于篇幅，本文列出工况一侧穿越桥桩上部位移云图，如图5所示。从侧穿越形式来看，桥桩受盾构扰动影响，呈左侧桥桩X向位移高于右侧，且左侧桥桩位移由顶部增大至底部，而右侧与之相反，最大位移出现在左侧1#、2#桥桩上，达2.847mm，两侧位移分布具有对称性分布；左右两侧桥桩Y向位移分布基本一致，桥桩顶端局部Y向位移较大，达到4.267mm，分析是由于盾构侧穿越桥桩上部影响Y向位移分布；从沉降云图来看，最大沉降仍然在左侧4#桥桩，最大沉降达3.389mm，且侧穿越中最大沉降均出现在左侧桥桩。

为准确对比侧穿越桥桩不同形式工况下桩基变形特性，以其中左右两侧2#、6#桥桩作为特征桩，分别对比不同工况下桥桩变形特性，获得如图6所示结果。从图中可看出，X向位移中，除工况四以外，侧穿越各工况中两侧桥桩位移分布互为对称，量值上亦是侧穿越形式桥桩位移值更大，其中下穿越工况四中2#桥桩最大位移为0.1mm，仅为侧穿越桥桩上部工况一的3.5%，侧穿越工况中又以工况一位移值最大，工况二仅为其的87.6%、23.7%。Y向位移中各工况下左右两侧桥桩上位移分布变化基本一致，且量值上亦较为接近，以工况三为例，左侧2#桥桩最大Y向位移为0.8mm，右侧6#桥桩最大位移亦是0.8mm左右，且桩长上位移分布均呈底部至顶部，逐渐增大。Z向沉降位移中分布处于较“稳定”状态，即桩长上沉降位移均为一致性，其中工况一2#桥桩沉降位移稳定在4.43mm，工况二、工况三2#桥桩沉降位移相比前者分别下降了14.5%、33.2%，结合沉降云图可看出，沉降变形以前排桥桩位移更大，后排桥桩位移较低，但工况四中以左侧沉降位移更大，右侧桥桩位移较低，右侧6#桥桩沉降位移稳定在0.26mm。

3.2 连续梁桥结构形式

连续梁桥结构形式下盾构施工穿越研究工况、桥桩分布及编号如图7所示，模型参数及岩土材料均与前文一致。图8为侧穿越桥桩上部桩身位移分布特征云图，限于篇幅，以图8开展分析，远端左侧桥桩X向位移从顶部至底部逐渐由负向位移过渡至以正向位移为主，且为递增态势；近端及远端右侧桥桩为从顶部至底部逐渐在负方向上位移增大的态势，且近端左侧桥桩增大幅度极为显著，靠近远端右侧桥桩增长斜率较小。Y向位移在桥桩上分布均呈底部至顶部逐渐增大态势，桥桩愈靠近远端右侧，则位移增长斜率愈小，工况一中最大Y向位移为2.331mm。Z方向沉降变形中以后排桥桩更小，愈靠近前排桥桩的沉降更大，其中最大沉降出现在前排远端右侧4#桥桩，达5.3mm左右。

对比不同工况下位移特征，如图9所示，从图中可看出工况一的2#桥桩X向位移为负向位移，且为增大态势，但工况二、工况三、工况四该根桥桩的位移值为X正向位移区间内递增，最大值分别达到2.2mm，其中工况二、工况三、工况四中的2#桥桩最大值分别为3.47mm、0.2mm、0.8mm(负向)。Y向位移中工况一近侧2#桥桩、远测4#桥桩位移值从底部至顶部增长斜率基本一致，桩身上每米增长位移值约0.15mm，工况二乃是减小态势，桩长每增长1m位移值增大约0.2mm，工况三、工况四亦是如此，同一工况下2#、4#桥桩位移值增长斜率基本相近。各工况中均以2#、4#桥桩为最大Z向沉降变形，其中4#桥桩沉降变形又相比2#稍大，工况二中2#桥桩沉降变形稳定在4.62mm，4#桥桩沉降变形相比高5.8%，约为4.89mm，四个工况中又以工况四沉降变形为最大，达8.1mm。

当盾构施工均为下穿越形式时，即工况四，简支梁与连续梁两种桥梁结构形式下以3#桩作为对比，如图10所示，简支梁结构形式中桩身上X向位移基本上一半为正向位移，另一半处于负向位移，约在桩身13m处X向位移为0；但连续梁桥约在桩身13m处为最小位移(负向)，桩顶至桩身13m处，呈逐渐减小，桩身13m至桩底部，逐渐增大。Y向位移中，简支梁与连续梁桥3#桩身位移值均从顶部至底部递增，但增长斜率以简支梁为更大，平均每米增长位移值0.1mm。Z向位移中以简支梁更大，3#桥桩沉降变形约为8.7mm，连续梁桥仅为前者的55%。综上分析表明，相同盾构穿越桥桩形式工况下，简支梁桥结构设计的水平向位移或沉降变形均是最大，受盾构施工扰动影响更敏感。

4 结论

针对盾构施工对桥梁桩基影响特性，利用FLAC 3D有限元数值软件建立网格模型，分析了简支梁与连续梁桥两种结构形式下，不同穿越形式工况中桥桩位移变化特征，获得了以下几点结论：

(1)获得了盾构穿越简支梁桥时，侧穿越形式下两侧桥桩X向位移分布互为对称，其位移高于下穿越形式，侧穿越中上部桩基位移值最大；各工况Y向位移分布变化均呈底部至顶部递增，量值接近，工况三2#、6#桥桩最大位移均为0.8mm左右；前排桥桩Z向沉降变形高于后排桥桩，下穿越形势下左侧桥桩沉降高于右侧，6#桥桩沉降稳定在0.26mm。

(2)研究了盾构穿越连续梁桥时，侧穿或下穿X向位移均由顶部至底部递增，但侧穿桩基上部时为X正向位移；Y向位移中远近侧桥桩从底部至顶部增长或减小斜率一致，侧穿越桩基上部时每米桩长增长位移值约0.15mm，其余穿越形式均为递减；各工况Z向位移中均为4#桥桩沉降变形最大，其中下穿越工况沉降变形又是4#桥桩中最大，达8.1mm。

(3)对比了简支梁与连续梁桥下穿工况时位移特征，简支梁与连续梁桥桩X向位移分布呈相反；两种梁桥结构Y向位移均为从顶部至底部递增，但以简支梁增长斜率最大，平均每米增长位移值0.1mm；简支梁Z向位移中更大，3#桥桩达8.7mm，连续梁桥仅为其55%。