曲线盾构隧道施工侧穿廊桥桩基施工风险分析

方水平

(抚州赣东公路设计院有限公司,江西 抚州 344000)

城市中地铁隧道修建采用的方法主要为盾构法,盾构机掘进过程中会对周边建构筑物造成影响,因此确定盾构机掘进过程中的施工风险是工程顺利进行的重要保证。桩基础易受周边环境扰动,因此盾构机掘进对桩基础的扰动分析也是近年来学者们研究的热点。王馨霆[1]构建了洛阳地铁侧穿牡丹大桥桩基的三维有限元模型,分析了盾构掘进过程中桩基础的内力变化情况;路德春等[2]以清华园隧道侧穿桩基为工程背景,构建三维数值计算模型分析了盾构施工对桩基沉降、承载力及弯矩的影响;周鑫等[3]运用三维有限元软件模拟盾构开挖施工的全过程,研究开挖过程对地层沉降及邻近桥梁桩基影响规律;刘健美[4]结合三维数值模拟分析了盾构隧道与桩基的相对空间关系对桩基变形的影响。可以看到数值模拟方法常被用于分析盾构隧道掘进对邻近桩基的扰动情况,施工前期可以通过构建数值计算模型分析并预测施工风险。已有研究中通常只考虑盾构隧道沿直线段掘进的情况,鲜有研究针对盾构隧道沿曲线段掘进对邻近桩基的扰动情况。盾构机沿曲线段掘进时,施工因素相比沿直线段更为复杂,对周边环境造成的扰动更明显[5]。

以磁浮快线东延线下穿机场廊桥工程为研究背景,通过有限差分软件FLAC3D构建盾构机沿曲线段掘进的数值计算模型,分析盾构机掘进过程中地表沉降和桩基沉降情况,评价盾构机掘进过程中的施工风险。

1 工程概况

磁浮T2站—磁浮T3站区间,分为左右双线,采用两台土压平衡盾构机施工,开挖直径7 180 mm,采用通用环盾构管片,管片外径6 900 mm、内径6 200 mm、厚度350 mm、环宽1 500 mm。盾构区间出T2站后,左、右线分别以平面曲线半径355 m和300 m侧穿T2航站楼南侧E区登机指廊桩基,共涉及19根桩,桩长12.7～15.8 m不等。调查资料显示,在曲线段外侧桩基到隧道的最小距离为2.4 m,在双线中间,桩基到右线的最小距离为1.3 m,到左线的最小距离为1.4 m。

根据现场勘探以及已有资料综合分析,场地内第四系覆盖层主要为人工填土、冲洪积粉质黏土及泥质粉砂岩组成。其野外特征按自上而下的顺序依次描述如下。

杂填土:褐灰色、褐、红等杂色,松散-稍密,稍湿-湿,主要由黏性土夹碎石(块石)及砖块等建筑垃圾组成,表层50 cm为混凝土路面。该层在拟建场地内大部分地段分布,平均层厚3.5 m。

素填土:褐黄色、褐红色,稍湿,松散-稍密状,主要由黏性土组成,局部夹少量碎石,该层在拟建场地内大部分地段分布,平均层厚5.5 m。

粉质黏土:褐黄色、褐色,稍湿,可塑-硬塑状,局部坚硬状,刀切面稍光滑,稍有光泽,该层在拟建场地内局部分布,平均层厚5.0 m。

强风化泥质粉砂岩:褐红、紫红,主要矿物成分为黏土矿物及石英碎屑,大部分矿物已风化变质,泥质粉砂结构,中厚层状构造,泥质胶结为主,局部钙质胶结,节理裂隙发育,岩体破碎,RQD介于0%～40%之间,属极软岩,岩体基本质量等级为Ⅴ级。该层在拟建场地普遍分布,平均层厚8.0 m。

中风化泥质粉砂岩:褐红、紫红,主要矿物成分为黏土矿物及石英碎屑,部分矿物风化变质,泥质粉砂结构,中厚层状构造,泥质胶结为主,RQD为70%～80%,属极软岩-软岩,岩体基本质量等级为Ⅳ～Ⅴ级。各土层的设计参数见表1。

表1 岩土设计参数表

2 数值计算模型

通过大型有限差分软件FLAC3D构建隧道开挖数值计算模型。由于在数值计算模型中模拟土层的起伏极为繁琐,因此选取上部软弱土层厚度最深的位置构建数值计算模型,最不利截面包含三种岩土体,从上至下分别为素填土、粉质黏土以及强风化泥质粉砂岩,厚度分别为13、10、5 m,隧道埋深为15 m,构建的数值计算模型整体尺寸为60 m×60 m×33 m。模型的边界条件为:底面为下伏岩土层,不考虑下部岩土层对计算区域的影响,因此底边设置为固定约束,侧面为约束表面法向位移,上表面为自由表面,因此不约束上表面的任何方向位移。

数值计算模型中的单元包括:土体单元、桩体单元、盾壳单元及管片单元。其中土体单元采用弹塑性体单元,服从Mohr-Coulomb破坏准则[6],土层的单元参数按照表1选取;桩体、盾壳及管片单元采用线弹性体单元模拟,参数取值见表2。

表2 单元材料参数表

盾构隧道实现转弯的过程需要在开挖掌子面两侧施加不同大小的推力。根据现场试掘进的情况,刀盘内侧推力为10 000 N,刀盘外侧推力为13 000 N,通过换算可以确定施加的弯道内侧正面推力荷载为560 kPa,弯道外侧正面推力荷载为650 kPa。通过在软件中定义区域范围实现刀盘内外两侧不同盾构推力的施加过程。同时盾构机在曲线段掘进过程中,由于盾壳在弯道内外两侧受到的土层周边挤压作用大小不同,因此盾壳上方受到的摩擦阻力也会存在差异,根据现场试掘进的测试结果,内侧盾壳单元受到的摩阻力大小为1 300 kPa,外侧盾壳单元受到的摩阻力大小为1 000 kPa。

数值模拟的计算步骤为:

第一步:根据土层模型的埋深情况,赋予不同土体的材料参数,进行地应力平衡分析步;

第二步:将初始地应力作用步计算得到的变形情况归零,赋予桩体单元并在桩体上表面施加大小为20 kPa均布荷载,模拟上方廊桥荷载,然后进行计算得到桩体施作后的应力场;

第三步:逐步移除隧道右线内土体,并在开挖面左右两侧施加不同大小的顶推力,同时在盾壳内外两侧施加不同大小的摩擦阻力,每步开挖6 m,右线开挖一共有10个分析步;

第四步:逐步移除隧道左线内土体,并在开挖面左右两侧及弯道内外侧盾壳施加不同大小的顶推力及盾壳摩阻力。同样,隧道内土体每次被移除6 m,左线开挖至贯通也一共分成了10个分析步。

3 模拟结果分析

3.1 地表沉降分析

图1(a)和图1(b)分别为隧道右线开挖和左线开挖后的地表沉降云图,图1(c)展示了桩基附近地表沉降曲线。

图1 地表沉降情况

由图1可知,右线贯通后最大地表沉降约为9.8 mm,地表沉降槽呈“V”型分布,但与直线段的地表沉降曲线分布不同,地表沉降槽为非对称分布,横向地表最大沉降位置出现在弯道内侧,这与邓皇适等[7]的研究一致,这是由于在数值计算模型中,对弯道内外两侧盾构机刀盘施加不同荷载的缘故。由于桩体上表面作用了竖向荷载,周边土体处于更加敏感状态,因此右线贯通后,最大地表沉降位置出现在桩体周边附近。

左线贯通后,地表沉降槽发生偏移回归,最终地表沉降槽以两隧道中轴线对称分布,符合双线隧道开挖后地表沉降规律的变化特征,最大地表沉降值约为15.3 mm。地表沉降曲线中突变的位置为桩体所在位置,由于桩体上表面存在均布荷载,导致桩体上表面的沉降大于周边地表沉降,与周边地表存在沉降差。综上所述,地表沉降在双线贯通后最大值为15.3 mm,小于规定限值30 mm,满足施工控制标准。

3.2 桩基沉降分析

分别提取了右线开挖第一步(开挖步1),右线掘进至桩基平面(开挖步5),右线贯通(开挖步10),左线开挖第一步(开挖步11),左线开挖掘进至桩基平面(开挖步15),左线贯通(开挖步20)的桩基沉降情况,如图2所示。

图2 桩基础沉降情况

分析上述结果,可以得到以下结论。

(1)在距离桩基平面较远位置时,盾构隧道开挖不会对桩体造成明显的影响,在盾构机通过后,盾构机掘进对桩基变形的影响加剧,因此在盾构机掘进通过桩体后加强对桩基的监控测量是有必要的。

(2)右线贯通后,桩体的最大沉降值为8.87 mm,在左线贯通后,桩体的最大沉降值为16.7 mm,右线掘进对桩体的影响更显著,但桩体的最大沉降值处于安全控制范围,可以忽略盾构机施工对桩体造成的施工风险。

(3)桩体1的桩顶沉降值明显大于桩体2和桩体3,这是由于桩体1相比其他两个桩更靠近右线隧道,因此盾构机在右线掘进过程中对桩体1的扰动更加明显,随着左线开挖的进行,桩体2的沉降加剧,在右线贯通后与桩体1的沉降相差不大。而桩体3由于位于两条线路外侧,且与盾构隧道的距离相对较远,因此受到的扰动明显小于桩体1和桩体2。

3.3 桩基应力分析

图3为盾构机掘进过程中桩体的最大应力值变化情况。

图3 桩体最大应力变化

(1)对于桩1,右线掘进至与桩基同一水平面时(开挖步5),桩基的最大应力减小,这是由于盾构机正面推力和盾壳摩阻力作用的结果,待盾构机通过后,桩体的最大应力显著增加,这是由于盾构机通过后引起的桩体大幅度沉降导致桩体最大应力增加,桩体最大应力值约为800 kPa,相比未开挖前,最大应力增加了76%。

(2)对于桩2及桩3,右线的掘进导致桩体最大应力降低,左线掘进后,桩体应力显著增加,双线贯通后,桩2及桩3的桩体最大应力值分别提高了46%、22%。

3.4 桩基水平变形分析

图4为号桩基水平变形随盾构机掘进的变化情况,可以看到在右线开挖5步时,桩体向水平正向变形,最大水平变形值为1.3 mm,最大变形位于隧道所处位置,桩体产生正向的水平变形是由于盾构机正面推力和盾壳摩阻力作用方向为正向所引起。待盾构机通过后,桩体的水平变形转变为了水平负向变形,在右线掘进至贯通后,桩体的水平变形达到最大,最大水平变形为3.5 mm,最大水平变形位置位于桩顶,这是由于桩底受到了限制,而桩顶为自由位移状态,桩的变形曲线类似于悬臂梁状态,从而最大水平变形出现在桩顶。

图4 桩体水平变形

4 结 论

盾构机沿曲线段掘进时,地表最大沉降位于曲线段内侧,双线贯通后地表沉降槽以中心线位置对称分布,双线贯通后地表最大沉降为15.3 mm,满足施工控制要求。

盾构机通过桩体后对桩体造成的扰动越大,同时先行隧道开挖对桩体的扰动大于后行隧道,桩体到隧道的距离越近,受到的扰动越大,左右线贯通后,桩顶面的最大沉降为16.7 mm,处于安全控制范围内。

从桩体最大应力分布情况来看,盾构机沿曲线段掘进时对桩体1的扰动最大,桩体最大应力值相比未开挖前提高了76%。