大直径盾构隧道近距离穿越桥梁桩基扰动分析

邱金亮

(抚州赣东公路设计院有限公司,江西 抚州 344000)

随着城市化进程的发展,城市交通负担越来越重,为了满足人们的出行需求,减轻城市的交通压力,许多城市修建了地铁线路。因盾构法具有安全性高、施工快捷等优点,许多城市内的地铁线路都是采用盾构法进行修建。但城市内有着众多的大型结构物,其中就包括高层建筑、桥梁等,在城市内修建地铁线路时,不可避免地会穿越这些结构物。尤其是当盾构隧道穿越大型结构物的桩基础时,很有可能会使桩基础产生较大的变形,从而导致结构物发生损坏,造成巨大的经济损失,更严重时会造成人员伤亡。对此,相关学者做了大量的研究[1-5]。李文举等[6]依托于上海轨道交通7号线,模拟出简化后的盾构隧道施工过程,分析盾构施工对邻近桩基产生的影响。赵方彬[7]对上软下硬地层、存在溶洞等复杂施工条件下的盾构下穿桥梁工程进行研究,运用综合分析、数值模拟、现场实测等方法对盾构施工影响下的隧道和桩基以及控制措施进行了分析。张明等[8]结合区间盾构穿越桥梁桩基工程进行研究,对盾构施工引起的地表和桩基的变形以及桩基的内力进行模拟计算。张博阳[9]对不同空间位置分布的桥隧进行研究,并结合各类结构桥梁桩基在盾构施工过程中受到的影响,提出了有效的控制措施。岳志坤[10]依托具体工程,采用数值模拟和现场监测的分析手段,对盾构穿越高铁桥梁的变形影响以及减小变形的关键技术进行了研究。

虽然相关学者对盾构穿越桥梁桩基工程做了大量的研究,但是目前对于桩-隧极近距离下的大直径盾构施工扰动分析依然较少。依托于大直径盾构穿越凫州大桥工程,分析桩-隧极近距离下的盾构隧道施工桩基变形和内力的变化规律,可为盾构穿越桥梁工程提供理论支持,并为类似工程提供参考。

1 工程概况

依托的大直径盾构隧道穿越凫州大桥工程为双向六车道,设计时速60 km/h,总长4 200 m,其中跨越水道总长为2 774 m。双向桥面设计宽度31 m,主桥下部结构主墩采用薄壁箱型墩身,墩身截面采用单箱单室结构,承台厚度为2.5 m,横桥箱宽由3.5 m渐变至墩顶5.5 m。每个主墩采用2根Φ2 000 mm钻孔灌注桩,采用摩擦桩设计,桩长分别为74 m(5#、6#、7#、8#桩)、69 m(1#、2#、3#、4#桩),隧道设计底标高61 m左右。

盾构隧道掘进到DK51+167.35开始侧穿大桥至DK51+125.285结束,总长度42 m,隧道外径达到了14.1 m,内径为13.1 m。侧穿过程中盾构机距离1#桥桩最近距离为3.16 m,距离8#桩基最近距离为3.85 m,相邻桥跨度均为40 m,隧道侧穿桥梁角度为56°。盾构侧穿区间地层依次为:淤泥、淤泥质土、粉质黏土、细砂(粗砂)、全风化片岩、强风化片岩。洞身范围内地层为:全风化片岩、强风化片岩。

2 计算模型和参数

2.1 数值模型

以隧道前进方向为x轴方向,隧道宽度方向为y轴方向建立数值模型,模型大小为80 m×100 m×120 m。计算过程中需要对模型施加边界条件:固定模型的底部位移,限制模型四周x轴和y轴方向上的位移,模型顶部为自由边界。由于主要是考虑盾构施工给桩基带来的影响,故在建模过程中重点模拟出了桩基,而将桥墩、桥面等结构转化为等效荷载施加在桩基顶部。

2.2 模型参数

在模型中将土体和结构单元视为各向同性单元,土体遵循摩尔库伦本构原则,物理参数如表1所示。盾壳和管片视为线弹性材料,注浆层采用增加刚度来模拟,当进行注浆操作时,提高盾构外围土体弹性模量,盾构隧道结构的物理参数如表2所示。

表1 土体物理参数

表2 结构物理参数

2.3 工况模拟

有限元模拟过程与实际施工存在一定程度的差异,需要对施工过程进行一定的简化,简化后的施工过程为以下几步。

(1)激活除桩基外所有的单元,添加模型边界条件,添加单元自重荷载。清除盾构施工前的初始位移,模拟初始地应力平衡。

(2)添加桥梁桩基,在桩基顶部施加桥梁荷载,模拟桥梁建成阶段,同时清除模型的位移。

(3)模拟隧道掘进阶段。钝化隧道范围内的土体,激活盾壳单元,在盾壳单元表面施加盾壳摩擦力,在前方掌子面施加掌子面推力。在盾壳单元前进后,激活盾壳单元后的管片单元,并进行注浆加固(改变注浆范围内土体的弹性模量),沿管片径向施加注浆压力。

3 数值计算结果分析

3.1 桩基变形

(1)水平位移变形分析。

当盾构隧道掘进完成后,1#～8#桩基水平方向上的水平位移如图1～图7所示。

图1 左侧桩基(1#～4#桩)y轴方向水平位移

图2 左侧桩基(1#～4#桩)x轴方向水平位移

图3 右侧桩基(5#～8#桩)y轴方向水平位移

从图1～图4可以看出:

图4 右侧桩基(5#～8#桩)x轴方向水平位移

①在y轴方向上,当盾构隧道掘进完成后,左右侧桩基受到盾构施工的扰动产生盾构隧道径向向外的水平位移,尤其是盾构隧道深度范围内的桩基部分产生了较大的y轴方向位移。这是由于盾构隧道掘进时会对前方土体产生扰动,破坏了原有的土体平衡,盾构机切削挤压掌子面前方的土体,使得隧道周围的土体向四周扩散,导致桩基发生较大的y轴方向水平位移。而施工扰动在土体内传播时,会随着距离的增加逐渐减弱,因此桩基最上部和最下部的位移较小。1#～8#桩与盾构机的水平距离不同,受到盾构施工的扰动影响也不相同,其中盾构隧道左侧1#和2#桩基、盾构隧道右侧7#和8#桩基与盾构隧道的距离最近,产生的y轴方向水平位移也最大,达到了17.6 mm。剩余桩基随着与盾构隧道距离的增加,产生的位移在不断的减小,最小位移值为7.4 mm。两者之间最大的位移差距达到了10.2 mm。较大的位移差距可能会引起桥梁面板发生y轴方向上的错位,桥梁面板发生开裂的可能性增加,对桥梁结构稳定性的影响较大。

②在x轴方向上,桩基的变形也集中在盾构隧道深度范围内,但由于空间位置的关系,盾构向前掘进过程中,1#～8#桩基都有沿隧道掘进方向发生变形的趋势。同样地,距离盾构隧道较近的1#、2#、7#和8#桩基产生的变形较大,3#～6#桩基产生的x轴方向上的位移较小。8根桩基x轴方向上的最大位移为4.8 mm。相较于y轴方向上的位移变化,x轴方向上桩基受到的影响较小。

桩基在y轴方向上产生的位移较大,选取桩基在y轴方向随盾构掘进的位移变化进行分析。左右侧桩基在y轴方向上产生的最大位移随盾构掘进的变化曲线分别如图5和图6所示。

图6 右侧桩基(5#～8#桩)随盾构掘进产生的最大变形

从图5和图6可以看出:随着盾构掘进距离的增加,桩基产生的位移先平缓增加,接着变化剧烈,最后趋于平稳。但是由于桩基与盾构隧道之间水平距离不同,桩基的位移变化过程也有不同。水平距离较近的桩基产生的位移变化量大,并且在盾构隧道掘进较短距离内就产生了更大程度的位移;而水平距离较远的桩基在盾构机掘进较长距离内会产生较低程度的位移。这是因为桩基与盾构机之间距离越近,桩基受到的扰动影响越大,产生的位移越大,但随着盾构机不断地远离桩基,桩基受到的扰动程度在降低,桩基产生的位移趋于平稳。在盾构机通过桩基的过程中,桩基产生的位移变化剧烈,且距离较近的桩基由于受到的扰动更大,会在较短掘进距离内产生较大的位移。

(2)沉降位移变形分析。

盾构掘进完成后,1#～8#桩基产生的沉降云图如图7所示。

图7 桩基沉降变化云图

从图7可以看出:1#、2#、7#和8#桩基产生的沉降非常明显,最大沉降量达到了4.7 mm。3#～6#沉降较小,最大沉降量为3.3 mm。不仅是桩基的水平位移,桩基的沉降位移也与桩-隧道之间的相对位置关系有关。桩-隧距离越近,桩基产生的沉降位移越大;桩-隧距离越远,桩基产生的沉降位移越小。桩基的桩顶和桩底处产生的沉降位移大小有所不同,这是因为盾构隧道开挖后,隧道上部土体产生沉降,使桩基随土体一起发生沉降位移,但隧道下部会发生隆起,使得桩基下部产生向上的位移变化,但由于桩基上部的自重以及土体摩擦力的影响,相较于桩基的隆起,桩基的沉降变化更为明显,使得桩基整体产生沉降。

3.2 桩基内力

盾构掘进完成后,桩基受到Mises应力云图如图8所示。

图8 桩基Mises应力云图

从图8可以看出:当盾构掘进完成后,距离盾构隧道越近的桩基,桩基受到的应力越大,最大应力为31.4 MPa,尚未达到桩基的应力破坏极限,但值得注意的是,桩基受到的应力已接近于极限,且桥梁使用多年,桩基混凝土的强度有所下降,桩基有较大的概率会发生一定程度的破坏。因此,对桩基周围进行注浆加固是非常必要的。盾构施工影响下,桩基受到较大影响的部位位于下部靠近盾构隧道处,在进行注浆加固时,需要着重向隧道四周进行注浆加固,并且适当扩大注浆加固范围以提高加固效果。

4 施工控制建议

(1)在盾构穿越桥梁桩基过程中,加强监控测量。监控测量作为预警预报的关键手段,在盾构穿越桥梁桩基区段,应当加强对桩基顶端水平和竖直方向的位移变化监测,在桩基的位移变化超过或即将超过限值时,及时停止掘进,对周围地层、盾构隧道和桥梁进行加固。

(2)对盾构隧道周围地层进行注浆加固。由于盾构隧道与桩基之间的距离非常接近,为保证施工的安全,采取注浆加固是不可避免的。值得注意的是,注浆加固范围需要集中在盾构隧道深度且向外扩散。

(3)调整盾构掘进参数。盾构掘进过程中,盾构推力、注浆压力、掘进速度等都会对桩基的变形和内力产生较大的影响。在盾构穿越桥梁桩基过程中,减小盾构推力和注浆压力,放缓掘进速度,并及时根据不同掘进参数下的桩基位移变化数据调整盾构参数,实现信息化施工。

5 结 论

(1)桩基与盾构隧道的距离极大程度上影响着桩基的变形和内力。桩基与隧道的距离越近,桩基的内力和变形越大,且桩基受到影响的最大范围位于桩基下部52～67 m范围内。

(2)随着盾构隧道的掘进,桩基的变形在不断增加,但在盾构隧道穿越桩基时,桩基的变形增加速度最快;在盾构接近前和远离后,桩基产生的变形增加速度平缓。盾构施工最危险的区间在于盾构穿越桩基过程中。

(3)桩基的水平位移变化中,y轴方向上的位移变化较x轴方向上的位移变化更大。且在各个方向的位移和应力大小上,有较大位移和应力的桩基为1#、2#、7#和8#桩基,较小位移和应力的桩基为3#、4#、5#和6#桩基。

(4)为保证盾构施工安全进行,需要对桩基周围进行注浆加固,并且加强监控测量,根据检测数据及时调整盾构掘进参数。