盾构隧道施工对邻近桥梁群桩基础的影响分析

郝卓佳

(柳州铁道职业技术学院,广西 柳州 545616)

0 引言

城市地铁盾构隧道建设过程中,不可避免地会穿越邻近桥梁群桩基础。隧道施工会导致周围土体发生卸荷和变形,从而影响邻近桩基的安全,因此,研究盾构隧道施工对邻近桥梁群桩基础的影响具有重要的意义。近年来,国内学者对此进行了一些研究,主要有:张福强、郑熹光等[1-2]通过有限元数值模拟分析盾构隧道施工对邻近群桩基础的影响,以实际工程为依托建立三维数值仿真模型,研究结果表明在隧道开挖完成后,邻近桥梁桩基础极限承载力下降了5.7%,对邻近建筑物有一定影响,由隧道掘进施工引起的桩基础的附加沉降较小,不会引起桥梁上部结构内力明显的变化;李光伟、曹鹏等[3-4]以城轨线盾构隧道近距离下穿京沪高速铁路桥梁的实际工程为背景,分析盾构隧道施工对既有桥梁基础的影响,采用大型有限元软件ABAQUS建立铁路桥群桩基础,隧道及周围土体的三维有限元模型,模拟盾构隧道开挖过程,并对铁路桥基桩的位移,倾斜及内力的变化情况进行分析;王栓、刘喆等[5-6]以某城市地铁2号线近接魁奇二路人行天桥桩基础不同工况,建立三维有限元数值模型,研究盾构施工顺序对邻近桥梁群桩基础的影响,结果表明盾构施工会引起桩基础偏向开挖侧的水平位移,盾构施工对桩基础变形和弯矩的影响较小,为了减小盾构施工对桩基础变形的影响,施工时建议先掘进右线后掘进左线。本文主要以某隧道侧穿桥梁群桩基础为例,采用FLAC 3D建立数值模型,重点分析了隧道施工对群桩基础的竖向位移、水平位移、轴向应力以及切应力的影响,研究结果可为类似工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某隧道工程侧穿某桥梁桩基工程,隧道直径为6 m,埋深为17 m,研究断面处桩基埋深为20 m,桩基的端部与隧道底部同高,桩基承台高度为1.0 m,长和宽均为8 m,每个承台有4根桩基支撑,桩基之间距离均为4 m,桩的直径为1.0 m,其中承台采用C40混凝土,桩基采用C30混凝土。图1所示为隧道与群桩之间的正面图和俯视图,其中隧道距离桩基最近距离为8.0 m。

(a)正面图

(b)俯视图

2 数值建模

下页图2所示为采用FLAC 3D有限元软件建立的数值模型,图2中模型的长、宽、高均为50 m,隧道的中心埋深约为17.0 m,隧道直径为6.0 m,除模型上边界外,模型左右、前后边界以及底部均进行位移和边界约束。研究区域内主要土质包括有填土、粉质黏土、强风化岩层和弱风化岩层,其从上至下厚度依次为10.5 m、5.2 m、10.4 m和23.9 m。土体的本构模型均采用摩尔-库仑本构模型,建模时各部件均采用实体单元。隧道衬砌采用C60混凝土,衬砌厚度取50 cm。桩基埋深为20 m,桩基承台高度为1.0 m,长和宽均为8 m。表1所示为从上至下的土体的物理力学参数,表2为衬砌、桩基和承台的相关参数。

表1 土体的物理力学参数表

表2 隧道结构力学参数表

3 数值结果分析

本文在分析过程中分为两个工况,工况一为隧道开挖一半,开挖至与承台中心水平位置;工况二为开挖完成。

3.1 桩基竖向位移分析

图3所示为隧道开挖对桩基竖向位移影响曲线。由图3 (a)可知,隧道开挖至一半时,靠近隧道一侧1#桩和2#桩竖向位移明显大于远离隧道轴线侧的3#桩和4#桩;盾构已穿越的2#桩和4#桩的竖向沉降又大于未穿越的1#桩和3#桩;最终1#～4#桩的最大竖向位移依次为-1.54 mm、-2.27 mm、-0.38 mm和-1.12 mm,2#桩最大竖向位移是1#桩的1.47倍,是4#桩的2.03倍。由图3 (b)可知,隧道开挖完成时,靠近隧道一侧1#桩和2#桩竖向位移大于远离隧道轴线侧的3#桩和4#桩;2#桩和4#桩以及1#桩和3#桩的竖向沉降基本相同,且桩顶沉降量最大;最终1#～4#桩的最大竖向位移依次为-3.49 mm、-3.52 mm、-1.48 mm和-1.51 mm,2#桩最大竖向位移是4#桩的2.33倍。综上可知,桩基离隧道轴线越近,其竖向位移受到的影响越大。

(a)工况一

(b)工况二

3.2 桩基水平位移分析

图4所示为隧道开挖对桩基水平位移影响曲线。由图4 (a)可知,隧道开挖至一半时,靠近隧道一侧1#桩和2#桩水平位移略大于远离隧道轴线侧的3#桩和4#桩;盾构已穿越的2#桩和4#桩的水平位移又略大于未穿越的1#桩和3#桩,桩底水平位移最大。由图4 (b)可知,隧道开挖完成时,靠近隧道一侧1#桩和2#桩竖向位移略大于远离隧道轴线侧的3#桩和4#桩;2#桩和4#桩以及1#桩和3#桩的竖向沉降基本相同,且桩底水平位移最大。综上可知,桩基离隧道轴线越近,其水平位移受到的影响越大,且随着桩基埋深的增大,桩基水平位移增大,桩底水平位移最大。

(a)工况一

(b)工况二

3.3 桩基轴向应力分析

后页图5所示为隧道开挖对桩基轴向应力影响曲线。由图5 (a)可知,隧道开挖至一半时,盾构已穿越的2#桩和4#桩的轴向应力大于未穿越的1#桩和3#桩;且相比于3#桩和4#桩,隧道施工对1#桩和3#桩的影响更大;最终1#～4#桩的最大轴向应力依次为-622 kPa、-1 058 kPa、-391 kPa和-602 kPa。由图5 (b)可知,隧道开挖完成时,2#桩和4#桩以及1#桩和3#桩的轴向应力曲线基本相同,靠近隧道一侧1#桩和2#桩轴向应力大于远离隧道轴线侧的3#桩和4#桩,且1#桩和2#桩的最大轴向应力发生在埋深14 m左右,3#桩和4#桩的最大轴向应力发生在埋深16 m左右。综上可知,隧道开挖过程中,桩基离隧道轴线越近,其轴向应力受到的影响越大。

(a)工况一

(b)工况二

3.4 桩基切应力分析

图6所示为隧道开挖对桩基切应力影响曲线。由图6 (a)可知,隧道开挖至一半时,盾构已穿越的2#桩和4#桩的和未穿越的1#桩和3#桩的切应力变化趋势基本相同,差别基本不超过5%。由图6 (b)可知,隧道开挖完成时,1#～4#桩的切应力曲线也比较接近,随着桩基埋深的增大,切应力有沿负方向增大的趋势,在桩底部位切应力最大。观察图6可以发现桩基后排切应力略大于前排,这与后排桩受前排屏蔽效应有关。此外,桩头与承台连接部位出现切应力突变,这与承台与上部桥梁连接带动有关。

(a)工况一

(b)工况二

4 结语

本文主要以某隧道侧穿桥梁群桩基础为例,采用FLAC 3D建立数值模型,重点分析了隧道施工对群桩基础的竖向位移、水平位移、轴向应力以及切应力的影响,得到以下结论:

(1)桩基离隧道轴线越近,隧道开挖时桩基的竖向位移越大,且随着桩埋深的增大,桩基竖向沉降减小。

(2)桩基离隧道轴线越近,其水平位移受到的影响越大,且随着桩基埋深的增大,桩基水平位移增大,桩底水平位移最大。

(3)隧道开挖过程中,桩基离隧道轴线越近,其轴向应力受到的影响越大;群桩的切应力曲线比较接近,随着桩基埋深的增大,切应力有沿负方向增大的趋势,在桩底部位切应力最大。此外,桩基后排切应力略大于前排,这与后排桩受前排屏蔽效应有关。