劉麗萍，余美嫻，高 飛

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021)

地鐵已成為城市最為便捷高效的交通方式。許多城市同時(shí)在建多條地鐵并與其他市政基礎(chǔ)設(shè)施立體化開展。與此同時(shí)，地鐵施工與上下及周邊基礎(chǔ)設(shè)施的相互干擾和影響，也成為必然。這種影響輕則帶來經(jīng)濟(jì)損失，重則引發(fā)工程安全事故[1-3]。當(dāng)?shù)罔F下穿高架橋樁基時(shí)，由于地鐵盾構(gòu)施工會(huì)在一定程度上擠壓或牽拉隧道內(nèi)部及周圍的土層，進(jìn)而引起土體應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，導(dǎo)致地表及樁基變形[4]。樁基水平位移和沉降會(huì)影響高架橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全[5-7]。在盾構(gòu)隧道施工中，掌握樁基變形發(fā)展規(guī)律對(duì)于保證下部隧道及上部高架橋的安全尤為重要。為此，本文依托實(shí)際工程，研究荷載類型、盾構(gòu)推力、注漿壓力等地鐵施工參數(shù)對(duì)高架橋樁基變形的影響及其發(fā)展規(guī)律，以期為類似工程提供理論依據(jù)與實(shí)踐參考。

1 工程概況

成都地鐵7號(hào)線神仙樹站～高朋大道站盾構(gòu)區(qū)間K22+926.000～K24+385.727位于成都市武侯區(qū)。盾構(gòu)隧道在DK23+780～DK23+840里程下穿成雅高架橋。該橋采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，橋頂面寬度48 m，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土樁基，直徑1.5 m，基礎(chǔ)埋深23 m，樁中心間距25 m。在橋梁下方，隧道左右兩側(cè)近距離有10 根樁基被穿越，隧道邊緣與樁基的最小距離為2.56 m，隧洞直徑Φ6 m，雙隧洞間距5.5 m。

2 數(shù)值模型的建立

計(jì)算模型高 40 m，寬 60 m，沿隧道縱向長60 m。隧道與高架橋樁基位置關(guān)系如圖1所示。從左下方向右上方掘進(jìn)。

圖1 隧道側(cè)穿樁基

2.1 基本假設(shè)

1) 土體位移服從 Drucke-Prager 準(zhǔn)則；

2) 假定所有土層呈層狀且均質(zhì)水平分布；

3) 初始條件由有限元模擬軟件Midas/GTS NX自動(dòng)按重力加速度獲取；

4) 暫不考慮地下水對(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)時(shí)的影響。

2.2 計(jì)算參數(shù)與邊界條件

利用有限元模擬分析軟件MIDAS/GTS NX建模，同步注漿的過程采用注漿單元屬性代替間隙土屬性，模擬時(shí)盾殼采用2D單元建模，成雅高架橋的樁基和周圍土體分別采用1D及3D實(shí)體單元模擬。

模型上部為自由邊界面，底部采用豎向位移約束條件，側(cè)面對(duì)應(yīng)水平位移約束。為了模擬樁-土之間的相互作用，在模型中建立了面與面接觸單元。在樁土接觸中，假定樁-土之間服從庫侖摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.6。根據(jù)巖土工程地質(zhì)勘察報(bào)告，同時(shí)結(jié)合工程類比給出的巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型力學(xué)參數(shù)

3 施工參數(shù)對(duì)橋梁樁基變形的影響分析

3.1 荷載類型的影響

根據(jù)工程資料和已有的研究成果，擬定成雅高架橋橋面承受4個(gè)大小均為1 MPa的集中荷載，共占0.36 m2的作用面積，4個(gè)荷載作用為6 m的間距，采用應(yīng)力時(shí)程實(shí)現(xiàn)動(dòng)荷載加載，其最大應(yīng)力峰值達(dá)1 MPa，采用0.01 s的加載時(shí)間間隔，持續(xù)作用0.5 s。模型計(jì)算采用 Rayleigh 阻尼，體系的基頻ωmin約為 4.2 Hz，臨界阻尼比ξmin取為0.05。

雙線隧道貫通后，靜、動(dòng)荷載下右側(cè)中間樁垂直隧道掘進(jìn)方向的位移曲線如圖2所示。由圖2發(fā)現(xiàn)，樁基垂直隧道掘進(jìn)方向的位移沿深度先變大后變小，最大位移發(fā)生在距隧道邊緣最近的部位。動(dòng)荷載與靜荷載模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性。

圖2 右側(cè)中間樁垂直掘進(jìn)方向水平位移

盾構(gòu)隧道對(duì)側(cè)穿樁基不僅有垂直隧道掘進(jìn)方向位移還有沿隧道掘進(jìn)方向位移，主要是由于盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)擠壓其前方土體導(dǎo)致，動(dòng)、靜荷載下右側(cè)中間樁基沿隧道方向水平位移曲線如圖3所示。由圖3可以看出沿隧道方向水平位移小于垂直隧道方向位移，但最大位移出現(xiàn)的位置基本一致。動(dòng)、靜荷載下沿隧道方向水平位移模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相近，在隧道埋深處位移最大。

圖3 右側(cè)中間樁沿隧道方向水平位移

選取樁基頂部節(jié)點(diǎn)，模擬靜、動(dòng)兩種荷載類型下盾構(gòu)隧道施工引起的高架橋樁基沉降，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)樁基的沉降對(duì)比見表2。由表2可知，橋面動(dòng)荷載下樁基沉降值略大于靜荷載下樁基沉降值，靜荷載下最大沉降值為2.4 mm，動(dòng)荷載下最大沉降值為2.7 mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)樁基最大沉降值為2.9 mm，均未超過允許沉降值[8]，動(dòng)荷載下的沉降值更接近于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值。同時(shí)樁基沉降值小于地表沉降，因此樁基與周圍土體之間存在沉降差，這可能誘發(fā)樁基與土體間產(chǎn)生滑移,影響高架橋的安全。

表2 樁基沉降值比較

3.2 盾構(gòu)推力的影響

盾構(gòu)推力是盾構(gòu)隧道施工的重要參數(shù)，結(jié)合依托工程的特點(diǎn)以及本文3.1節(jié)的分析，橋面動(dòng)荷載下的模擬值更接近于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值，所以在橋面施加動(dòng)荷載的前提下，考慮盾構(gòu)推力對(duì)高架橋樁基位移的影響。選取100 kPa、200 kPa、300 kPa三個(gè)不同盾構(gòu)推力值進(jìn)行分析。左右線盾構(gòu)隧道完成穿越后，取隧道左中間樁模擬值，垂直隧道方向水平位移如圖4所示，沿隧道方向水平位移如圖5所示。

對(duì)比圖4、圖5發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)推力對(duì)樁基垂直盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向水平位移影響較大，對(duì)沿盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向水平位移的影響較小。樁基最大水平位移的沿樁長位置在沿隧道前進(jìn)方向較垂直隧道前進(jìn)方向下移約5 m。并且盾構(gòu)推力越大，樁基兩個(gè)方向的水平位移越大，但沿隧道掘進(jìn)方向的水平位移對(duì)盾構(gòu)推力更敏感。這主要是由于盾構(gòu)推進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)對(duì)沿隧道方向土體產(chǎn)生擠壓加拉帶作用，垂直隧道掘進(jìn)方向則主要是擠壓作用所致。

圖4 不同盾構(gòu)推力對(duì)樁基垂直掘進(jìn)方向水平位移影響

圖5 不同盾構(gòu)推力下樁基沿掘進(jìn)方向水平位移

不同盾構(gòu)推力下高架橋樁基沉降見表3。從表3中可看出盾構(gòu)推力變化對(duì)樁基沉降影響較小。

表3 不同盾構(gòu)推力下樁基沉降

3.3 注漿壓力的影響

控制其他施工參數(shù)不變，分別模擬150 kPa，250 kPa，350 kPa注漿壓力下隧道左側(cè)中間樁樁基水平位移，如圖6～7所示。從圖6～7中可以看出注漿壓力對(duì)樁基水平位移影響顯著，注漿壓力越大，樁基水平位移越大。且垂直隧道掘進(jìn)方向的影響較沿隧道掘進(jìn)方向更為明顯。這是由于注漿過程中垂直隧道掘進(jìn)方向?qū)痘車馏w的橫向擠壓作用更明顯所致。注漿壓力下，樁基最大水平位移出現(xiàn)的位置與盾構(gòu)推力的影響基本一致。

圖6 樁基垂直隧道方向的水平位移隨注漿壓力的變化

圖7 樁基沿隧道方向水平位移隨注漿壓力的變化

橋面動(dòng)荷載作用下，不同注漿壓力對(duì)應(yīng)的樁基沉降值見表4。從表4中可看出注漿壓力對(duì)樁基沉降影響較大，注漿壓力越大，樁基沉降越小。所以調(diào)整注漿壓力大小對(duì)控制樁基變形尤為重要。

表4 不同注漿壓力下樁基沉降

4 結(jié) 論

1) 動(dòng)荷載作用下樁基的水平位移和沉降均較靜荷載作用下大，且更接近現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值；樁基與地表存在差異沉降，可能誘發(fā)樁基失穩(wěn)，應(yīng)引起重視。

2) 盾構(gòu)推力對(duì)垂直隧道掘進(jìn)方向水平位移影響較大，呈正相關(guān)關(guān)系，而對(duì)樁基沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向的水平位移及沉降的影響不明顯。盾構(gòu)推進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)對(duì)沿隧道方向土體產(chǎn)生擠壓加拉帶作用，垂直隧道掘進(jìn)方向則主要是擠壓作用所致。

3) 注漿壓力對(duì)樁基水平位移與豎向沉降均影響顯著，注漿壓力越大，樁基水平位移越大，樁基沉降越小。注漿壓力取值應(yīng)綜合考慮這種相反的影響。此外，二次注漿在漿液凝固后樁基會(huì)繼續(xù)沉降，而后趨于穩(wěn)定。但沉降值小于地表，樁與土之間可能發(fā)生滑移，控制注漿參數(shù)和注漿時(shí)機(jī)尤為重要。

4) 盾構(gòu)推進(jìn)與注漿參數(shù)對(duì)樁基和地表變形的影響，將在推進(jìn)速度、推力大小、注漿壓力及注漿時(shí)機(jī)(即與盾構(gòu)推進(jìn)的協(xié)同作用)中體現(xiàn)出來。關(guān)于這種協(xié)同作用機(jī)制的研究還有待進(jìn)一步深入。