盾构隧道侧向穿越桩基时对桩体土体及地面变形的影响

侯玉伟

(中铁十三局集团有限公司华东工程指挥部,201601,上海∥高级工程师)

盾构隧道侧向穿越桩基时对桩体土体及地面变形的影响

侯玉伟

(中铁十三局集团有限公司华东工程指挥部,201601,上海∥高级工程师)

以某地铁盾构从近距离桩基侧面穿越为背景,通过有限元数值模拟,选取隧道与桩基净间距较小一侧进行计算,分析盾构隧道穿越桩基引起的桩体、周围土体及地面的变形。

地铁;盾构;桩基;侧面穿越;土体变形

Author's addressEast China Engineering Depatment,The 13th Engineering Bureau Group Co.,Ltd.of China Railway,201601,Shanghai,China

盾构法施工具有效率高、机械化程度高、对地层适应能力强及有效控制地面变形等优点,故在城市地铁隧道建设中得到广泛应用。由于城市的高层建筑、高架桥梁等密布云集,其建筑结构一般都设有桩基础,故盾构隧道施工往往需要从桩基之间穿过。隧道施工会引起周围土体的变形,土体的变形则会影响桩周土体的应力状况,对桩的变形和内力会产生一定的影响,如不能采取有效措施减小施工对桩基的影响,往往会影响建筑结构的安全使用。

针对盾构施工对桩基影响的研究主要是通过理论分析、数值模拟等。文献[1]通过试验,研究了盾构施工对桩基承载力和沉降的影响,认为盾构在软弱土层中侧穿与下穿桩基施工时对其的影响可能是设计和施工中要考虑的主要或控制因素。文献[2]利用弹性力学开尔文解及弹性地基梁理论,导出盾构推进对相邻桩体内力及挠曲影响的计算公式。文献[3]通过有限元程序研究了隧道施工对桩基的影响,并进行了主要参数的研究。文献[4]通过离心模型试验研究了隧道施工对端承桩基的影响,认为当桩与隧道的净间距在0.25 D(隧道直径)到1.00 D之间时,桩的沉降受施加体积损失的大小及桩与隧道距离的影响较大。

本文以某地铁盾构侧向穿越桩基为背景,通过建立有限元数值模型,分析盾构掘进对桩基、周围土体及地面变形的影响,并给出相关的研究分析结论。

1 工程背景

本工程为某地铁盾构隧道从两桩基之间穿过。两桩基之间的中心间距为35 m。上行线隧道与桩基的最小净距为3 m,下行线隧道与桩基的最小净距约4.6 m。隧道顶覆土厚度为13.2 m。盾构隧道穿越的土层主要为④层淤泥质黏土和⑤1a层黏土。地铁隧道与桩基的相互关系如图1所示。

图1 盾构隧道与桩基相互关系图(单位:m)

2 盾构隧道施工对桩基影响的数值模拟

2.1 计算对象选取

考虑到工程的对称性,在本文中仅取单个隧道和桩基进行计算分析。隧道与桩基的净间距取3 m,隧道埋深为13 m,由此建立相应的三维有限元模型。主要分析1#桩基及断面1-1土体(位置关系如图2所示)所受的影响。

2.2 模型建立

采用Plaxis有限元软件,建立三维模型。隧道衬砌和桩基采用梁单元模拟;土体采用弹塑性模型、摩尔-库仑屈服准则,不考虑土体的后期固结变形;梁单元和实体单元之间自由度的协调性通过程序提供的自由度间的耦合功能实现。数值模拟图如图2所示。

2.3 衬砌与土层参数的选择

计算参数选用该工点的实际地层参数,土体的本构模型采用摩尔-库仑模型。土层及结构的参数分别如表1、表2所示。

图2 有限元模型图

表1 土层参数

表2 结构物参数

3 模拟计算的结果分析

3.1 盾构掘进对桩基及周围土体的影响

为明确盾构掘进对桩基和周围土体的影响,在隧道与桩基之间取1-1断面(距隧道1 m)的土体和1#桩基进行分析。图3为盾构掘进引起1#桩基的水平变形曲线,图4为盾构掘进刀盘处于不同位置时引起1-1断面处土体的水平变形曲线。从图3、4可看出:由于土仓压力的挤压和盾壳与周围土体的摩擦作用,刀盘前方3 m处的桩基和土体都有向远离隧道方向的变形趋势,其最大值分别为0.7 mm和1.0 mm;在刀盘位置的桩基则有向隧道方向的变形,但量值较小,仅0.6 mm左右,而土体依然发生远离隧道方向变形,为1.2 mm。造成两者区别的原因是:盾构土仓压力的挤压影响范围是以刀盘为起始点按45°-φ/2的角度向外呈辐射状扩散的区域,经计算可知在刀盘断面的位置,土体处于挤压扰动区,桩基则处于松动卸荷区,因此桩基向隧道方向变形;而1-1断面的土体则向远离隧道方向变形。由于建筑空隙的存在以及注浆填充不充分等原因,刀盘后方5 m位置的桩基和1-1断面的土体都向隧道方向发生较大的变形,其最大值分别为4.4 mm和7.4 mm。此时可能会减少桩基与土体的接触压力,进而影响到桩基的承载能力。在盾构掘进整个过程中,桩基和周围土层在平行盾构掘进方向始终发生向前的变形,其最大值分别为2.0 mm和3.0 mm。

图3 1#桩基的水平变形

图4 1-1断面土体的水平变形

图5为盾构掘进引起1-1断面土体的分层隆沉曲线。由图5可知:桩基对隧道侧土体的竖向变形规律有一定影响,即有桩基时侧面土体以沉降为主,无桩基时侧面土体的沉降和隆起都较大;且竖向变形量值也有一定区别,如有桩基时侧面土体的最大沉降和隆起量分别为-9.0 mm和+2.4 mm,而无桩基时侧面土体的最大沉降和隆起量分别为-20 mm和+16.6 mm。

3.2 盾构掘进对地面变形的影响

图6为盾构掘进引起的不同位置处地面沉降曲线。从图6中可看出,由于既有桩基的阻隔作用,盾构施工引起地面的横向沉降槽宽度有一定的减少。刀盘后方7.2 m处的横向沉降影响范围为30 m(该处没有桩基)。在刀盘后方5 m、刀盘位置及刀盘前方3 m时的影响范围均为25 m左右(该处都有桩基),影响范围减少约20%。由此可见,桩基对周围地层起到了加固作用。

图5 1-1断面土体的分层隆沉曲线

图7为盾构施工引起的地面纵向变形曲线。通常盾构前方土体受到挤压时有向前、向上的移动,从而使地表有微量的隆起;而当开挖面土体因支护力不足而向盾构内移动时,则盾构前方土体发生向下向后的移动,从而使地面沉降。另外,开挖面的上方土体,还会发生沉降;由于施工过程中对周围土体的扰动、土中的孔隙水压力的变化等因素还会使盾构周围产生后续沉降。可见,盾构掘进所致地层变形可分为3个阶段:盾构前方隆起或沉降,开挖面沉降,及固结沉降[4]。由图7可知,盾构近距离侧穿桩基引起地面的纵向变形也可以分为前方隆起段、开挖面沉降段以及固结稳定段。由于桩基数量较少,根据影响分析,这与无桩基正常掘进时的情况基本一致。

图6 盾构掘进引起的地面横向沉降曲线

图7 盾构掘进引起的地面纵向变形

4 实测数据

为确保盾构穿越施工安全,对盾构穿越过程中15号墩的沉降和水平位移进行监测(条件所限,未对桩本身进行监测)。盾构穿越后,15号墩的最终沉降为0.5 mm,水平位移为0.8 mm,影响均较小。但水平向位移明显大于竖向,说明盾构侧穿时对桩基水平向的影响大于竖向。

5 结语

本文通过有限元模拟,针对盾构隧道侧向穿越桩基情况,分析盾构掘进对桩体、周围土体及地面变形的影响,得出以下的结论。

1)在刀盘前方的桩基和土体都有远离隧道方向的变形趋势;在刀盘位置附近的土体产生远离隧道方向的变形,桩基产生向隧道方向的变形;在刀盘后方的桩基、土体都产生向隧道内的较大变形,且桩基变形小于土体的变形。

2)有桩基时盾构隧道的侧面土体以沉降为主,沉降量比无桩基时小。无桩基时侧面土体的沉降和隆起都较大。

3)桩基对周围地层起到了加固作用,减小了盾构施工所引起地面横向沉降槽的宽度,但加大了隧道与桩基之间土体的不均匀沉降量。

4)由于桩基数量较少,盾构侧向穿过桩基引起的地面纵向变形与无桩基时基本一致。

[1]Morton J J,King K H.Effects of tunneling on the bearing capacity and settlement ofpiled foundations[C].Proc T unnelling'79,IMM,London,1979:57.

[2]李永盛,黄海鹰.盾构推进对相邻桩体力学影响的实用计算方法[J].同济大学学报:自然科学版,1997,25(3):274.

[3]Mroueh H,Shahrour I.T hree-dimensional analysis of the interaction between tunneling and pile foundations[C].Numerical M odels in Geomechanics-NUMOG VII,Pande,1999:397.

[4]Hergarden H J A M,J S van der Schrier.G round movements due to tunneling:Influence on pile foundations[C].Geotechnical Aspects of Underground Construction in soft Ground,1996:519.

[5]易丽萍.现代隧道设计与施工[M].北京:中国铁道出版社,1997.

[6]郭庆昊,原文奎,张志勇.盾构法隧道下穿既有地铁车站影响分析[J].城市轨道交通研究,2008(11):50.

Influence of Shield Lateral Crossing on Soil Deformation

Hou Yuwei

Based on a project in which a shield passed laterally the pile foundation in close distance,this paper simulates the tunneling by finite element method,and calculates the closer distance between the tunnel and the pit foundation,thus attains the deformations data of the pile,soil and land surface caused by shield crossing through the pile foundation.

metro;shield;pile;crossing laterally;deformation of soil

TU 433:U 455.43

2010-01-06)