近侧穿桩基盾构区间隧道掘进扰动分析

王运涛，李志宽，贾江峰

(1.中铁隧道股份有限公司 郑州市 450001； 2.浙江工业大学 土木工程学院 杭州市 310014)

国内外专家学者对盾构隧道掘进过程对临近建筑的影响进行了大量的研究。高飞等[1]通过数值模拟分别对动、静荷载条件下盾构隧侧穿桥梁桩基进行了影响性分析。袁海平等[2]采用FLAC3D进行了盾构侧穿桥桩过程的力学行为研究。汪鹏程等[3]采用数值模拟软件并结合实际监测情况分析了盾构侧穿过程中土体参数对群桩遮拦效应的影响。张辛未[4]运用ANSYS软件对黄土地区桩基群分析发现了在竖向荷载作用下桩间距一定时桩数、桩长和群桩系数之间的规律。何海健等[5]通过运用有限元分析方法,对我国盾构横梁施工运行过程中主要不确定影响因素及其对于盾构邻近横梁桥桩应力沉降的直接影响问题进行了深入解析。

1 工程地质条件

杭州市轨道交通七号线吴山广场站—江城路站区间,位于杭州上城区河坊街道的正下方,线出吴山广场站后,沿河坊街道自西往东地下铺设,起止里程YDK0+604.822～YDK1+696.269(ZDK0+674.370～ZDK1+696.269)，右线长度为1090.052m,左线长度为1026.485m。

盾构隧道侧穿高架桥位置分别为隧道右线YDK1+240～280.4、左线ZDK1+240～280.4处。隧道上覆土层厚度约为24m，主要有杂填土、素填土、砂质粉土、淤泥质黏土、粉质黏土、粉质黏土夹粉砂、黏土以及黏土混角砾。左右隧道净距2.11m，左右线隧道中轴线埋深约为27.1m。该区间隧道全部使用土压平衡盾构机实施挖掘,刀盘直径为6.5m，管片厚度为0.35m，隧道与高架桥桩基的最小间距为1.056m。桩基群的形式为承台+钻孔灌注桩，承台厚度为1m，桩基直径为1.2m，桩长为43m，隧道与高架桥桩基的平面位置关系见图1。

图1 桩基与隧道平面位置关系

2 盾构隧道施工模拟

2.1 数值模型

三维数值模拟通过Midas GTS NX软件实现建立,利用软件中的扩展命令得到三维地层实体，x×y×z=84m×60m×50m,利用软件中的数字化扫描扩展命令得到圆柱形隧道开挖区，半径为2.75m，管片厚度为0.35m，使用印刻命令将承台轮廓线印刻在第一层土体表面，再通过析取命令生成承台部分的网格，以保证承台和土体的耦合，承台厚度为2m，最后采用扩展命令生成桥梁桩基实体，并在桩基表面设置界面单元保证桩基和周围土体的耦合。

隧道与底层模型建立完成之后，开始进行桥梁模型的建立。首先需要把高架桥的结构自重荷载以及车辆荷载通过软件Midascivil转化为等效荷载，最后将二者转化为均布荷载的形式作用在承台表面。三维数值模型的网格数为65539，节点数为49517。三维模型网格划分效果如图2所示。

图2 三维模型网格剖分

2.2 计算参数

此次数值模拟的施工背景,是由于杭州轨道交通七号线吴山广场-江城路站隧道工程范围位于杭州上城区河坊街的正下方,工程地质情况相当复杂,因此按照本区间的岩土地质勘测报告,将本工程区域的地层分为8层，再按照施工单位所给出的岩土地质勘测报告,同时结合在现场取样进行了室内测试之后,确定各地层的物理力学参数见表1。盾壳所用钢材、管片、混凝土、承台、注浆后的复合地层等的物理力学参数见表2。本次数值模拟计算过程中,混凝土体材质均适用摩尔库仑强度标准,即将盾壳视作各向同性的弹性材料,将混凝土桩基、承台和管片材质视作各向同性的理想弹塑性材料。

表1 地层参数

表2 材料参数

2.3 施工荷载及边界条件

本工程选用土压平衡盾构机，正常掘进过程中刀盘对掌子面的推进力大小为120kN/m2，管片安装时千斤顶的推力大小为100kN/m2，注浆完成后周围土体对管片的注浆压力大小为150kN/m2。三维数值模型的边界条件采用位移边界条件，约束模型4个侧面的横向位移，固定底面，模型上部为自由移动边界，桩基与土体的交界面遵循变形协调原理，同时约束桩基顶部使其不能发生转动。

2.4 盾构掘进过程的模拟

盾构掘进过程的模拟与实际开挖过程相同，模拟盾构施工阶段时，每一个开挖步是一个单元的长度，即一环管片的宽度1.2m。实际模拟流程:第一步:激活盾壳单元,钝化混凝土体的开挖区单元,以及钝化注浆区单元;第二步:激活刀盘的推进力;第三步:首先启动管片单元,再启动注浆材料区单元,然后再把注浆材料区土体属性转换为注浆后的复合材料属性;第四步:重新激活管片安装时的千斤顶推力。

3 数值模拟结果分析

3.1 地表沉降分析

左线隧道模拟开挖进行到第十四步时，盾构机刀盘距1号桩基最近，最小净距为1.05m，开挖至第七十步时，左隧道开挖完成。右隧道开挖至第八十四步时，盾构机刀盘距离1号桩基最近，最小净距为7.25m，开挖至第一百四十步，右隧道开挖结束。对隧道周围地层的沉降规律进行分析，见图3所示。

图3 土体沉降等值线图(单位：mm)

从图3得知,在双线隧洞施工结束时,从左线隧洞拱顶中间部位所产生的最大沉降量约为8.9mm；右线隧道在拱顶中间部位所产生的最大沉降量约为8.5mm。隧道下部土体所产生的最大凸起量位于左、右线隧道下部轴线位置,凸起量分别为5.6mm和5.3mm。图4为双线隧道施工完成后，x=17m断面位置地表竖向沉降的变化规律。左线隧道在第七十步开挖完成后地表沉降最大值为5.8mm。

图4 x=17m断面地表随开挖步沉降规律

右线隧道开挖完成后，x=17m断面的地表沉降曲线如图4所示，沉降曲线向右发生明显偏移。右线隧道开挖完成时，该断面地表沉降最大值为8.6mm。

3.2 桩基偏位分析

左线隧道开挖后，1号桩基发生明显偏位，如图5所示，可见桩顶向着靠近左线隧道方向发生偏位，桩底向远离左线隧道方向发生偏位，桩顶位移大小为-2.8mm，桩端位移大小为1.6mm。右线隧道开挖完成后，右线隧道的开挖使得1号桩基发生相同的倾斜，但程度较小，两隧道的开挖产生了叠加效应，最终桩顶位移大小为-3.5mm，桩端位移大小为2.07mm。

图5 1号桩在垂直隧道方向上的位移

4 监测

4.1 地表沉降监测

为了掌握盾构掘进施工过程对周边地表产生的沉降变化，评估工程掘进所带来的影响，便于采取相应的措施及时调整施工参数，本工程中盾构隧道横断面地表沉降点的布设原则如下：对称轴线点左右2.5m各布设一点，隧道外侧按照3.5m、5m、10～15m间距分别布设。

1#桩基所在隧道断面根据上述地表沉降点布设原则，共布设10个沉降观测点。根据监测数据绘制出左线开挖完成后及右线开挖完成后的地表沉降曲线如图6所示。

图6 1号桩所在断面沉降监测值

由图6可得，左线开挖完成后，1号桩基所在断面的沉降最大值发生在偏左线隧道轴线位置处，最大沉降值为-3mm左右；左线开挖完成后进行隧道右线的开挖，右线开挖完成后，1号桩基所在断面的沉降最大值向右移动，靠近左右隧道中心线，最大沉降值为-7mm左右。由于断面的监测点布置较少，地表沉降值的最大值可能不发生在监测点处，数值模拟的地表沉降结果与监测结果较为接近，但实测结果稍低于数值模拟结果，主要原因是数值模拟过程中盾构掘进参数保持不变，在实际盾构掘进施工过程中，根据每天的监测值对盾构掘进参数进行适当调整能够有效减少盾构掘进过程对土体及周围建筑物的影响。

4.2 桩基倾斜监测

中河高架桥共布设倾斜监测点4组(4个桥墩)，盾构掘进过程对高架桥进行倾斜监测分析。采用直接测定建(构)筑物倾斜的方法实施。在距高架桥墩1.5倍距离以外设置测站。在桥墩的外立面上下分别粘贴两反光片，要求两片反光片位于同一垂线上，全站仪同反光片间视线需同桥墩面垂直。

根据施工单位提供的建筑物倾斜监测数据得，1号桩基的倾斜值为0.07‰，换算后得1号桩基桩顶偏移值约为3mm，与数值模拟得到的结果相近。

5 结论

利用三维有限元数值仿真软件MIDAS GTS NX,对盾构隧道的近距侧穿中河高架桥桩基位置进行了数值模拟分析,并与现场的监测值进行了比较，得出如下结果：

(1)在垂直于隧道掘进的方位上，桩基位置在盾构掘进过程发生了偏移，其桩端位移方向是远离隧道方位，而桩顶位移方向接近隧道方位。

(2)在单线隧洞盾构掘进时，地表下沉的最大值出现于隧洞轴线以上地表位置处；右线隧道掘进使得地表沉降最大值向右发生偏移，双线贯通后基本处于两隧道中间位置。

(3)在实际盾构掘进过程中，根据监测数据对盾构机掘进参数做出相应调节，可以有效减少盾构掘进过程引起的地表沉降。