盾构隧道施工对某高架桥桩基影响分析

2014-09-22肖琳，严峻

安徽建筑大学学报 2014年4期

肖琳，严峻

（1.安徽省滁州市自来水公司，滁州 239000；2.安徽建筑大学土木工程学院合肥 230601）

0 引言

随着城市地铁建设的发展，由于城市本身复杂的特性，原有的城市高架桥与新建地铁隧道不可避免的会交织在一起，相互间会产生一定的影响。当隧道与高架桥接近时，如果不采取特殊措施，既有高架桥会受到新建隧道的施工产生不利影响，造成高架桥承载能力下降，或因不均匀沉降造成高架桥破损或不能正常使用等问题［1］，同时也妨碍了隧道的安全施工。通过对盾构法施工对高架桥的桩基影响进行分析研究，得到桩体变形规律。逐步提高地下工程的修筑水平，并为以后遇到类似的工程提供一些借鉴和解决问题的办法［2］。

1 工程背景及模型参数

1.1 工程概况

本章依据合肥市地铁一号线马鞍山路段，地铁一号线中盾构下穿马鞍山路高架桥。本地铁隧道主要运用盾构法施工。地铁盾构隧道直径为6.0m，衬砌为0.3m，注浆层厚度为0.15m，埋深为12m。依据隧道开挖的影响范围，参考既有的计算经验和实际的工程条件，左右边界取为隧道外径的3倍，即18m，模型底部取距隧道中心27m，最后整个计算模型宽42m、高40m，纵向长度为40m（每环管片幅宽1.0m）。所以模型尺寸为42m×40m×40m，其中水平x方向为42m，数值y方向为40m（桩长方向），z方向（隧道掘进方向）为40m。由于桩体底部为中风化泥质粉砂岩的持力层且桩体底部应进入岩层至少2m，且桩体主要为端承桩。所以桩长取27m，桩顶荷载拟取1800KN。单桩主要以桩洞距S，即桩距离盾构中心的距离。本章s取s＝6m［3］。具体平面布置图见图1。

图1 桩体与盾构位置关系图

1.2 相关参数

1.2.1 土体数值模拟参数

土体数值模拟计算参数见表1。

表1 土体数值模拟计算参数

1.2.2 管片相关参数

隧道衬砌结构用的管片采用C50混凝土材料制作而成，在进行数值模拟时将衬砌结构管片单元设置为孔模型（Null）。在进行管片模拟支护时，将盾构管片设置为各向同性弹性模型（Elastic），具体参数见表2。

表2 盾构管片混凝土材料计算参数

1.2.3 桩相关参数（见表3）

表3 桩相关参数

2 模型的建立及模拟步骤

2.1 模型的建立

根据上述说明，建立下图的三维数值计算模型。为了方便模拟计算，隧道的纵向施工长度为2.0m/次，如图2所示。

图2 整体模型图

2.2 模拟步骤

运用有限差分软件FLAC3D软件进行数值模拟计算时，要充分考虑现场的地质条件和盾构施工的特点，并遵照一定的步骤对盾构施工造成桩基影响问题进行研究［4］。

（1）首先应该进行模型的建立，根据实际的工程情况施加初始条件，让建立好的模型在初始条件下达到稳定的状态；

（2）当模型达到稳定状态后，对如题的各个方向上的位移值进行归零，然后运行桩单元，添加桩顶的上部荷载，分析桩体与土体的应力和应变；

（3）通过数值模拟计算，当模型再次达到稳定状态后，此时将土体与桩体的位移同时清除为零；

（4）然后开始模拟施工过程，主要是模拟盾构隧道的开挖过程，根据盾构施工自身的特点，开始施加盾构掌子面的支护力，根据实际的工程情况结合有关的经验，通常设定0.30MPa掌子面支护力，0.30MPa的注浆压力的开挖，模拟施工时的开挖步距通常取2m/步；

（5）在以上步骤完成后，运用FLAC3D软件中的FISH语言进行编程，再从第四步开始循环，直至开挖结束。对计算得出的结果（主要是应力、应变）进行分析保存［5］。

3 模拟结果显示

盾构开挖面到观测截面的水平距离为H，当H的数值为正，说明盾构机朝着桩体的位置进行推进；当H的数值为负，说明盾构机已经来开桩体所在位置并逐渐远离桩体。通过计算得出盾构在H＝14m、H＝8m、H＝2m、H＝－16m、H＝－20m时的桩体所在截面的竖向位移图，如图3－7所示。

图3 H＝14m时桩体所在截面的土体竖向位移图

图4 H＝8m时桩体所在截面的土体竖向位移图

图5 H＝2m时桩体所在截面的土体竖向位移图

图6 H＝－16m时桩体所在截面的土体竖向位移图

图7 H＝－20m时桩体所在截面的土体竖向位移图

4 模拟结果分析

盾构施工对桩基的影响主要体现在应力和应变上，由于本文所选取的桩均为端承桩，所以桩体的应力基本上没有什么变化，这里不做过多的讨论。而应变的变化主要是对桩体产生水平方向的变形和竖直方向上的变形。下面着重分析者两种变形。结果如图8、9。

图8 桩体竖向位移图

图9 桩体水平位移图

（1）盾构施工对桩体的竖向位移影响较小，如图8所示桩顶的最大沉降发生在盾构施工完成后，约1.747mm。桩体的水平位移随深度的增加桩体水平位移逐渐减小，最大水平位移发生在桩顶部附近，为－3.23mm。

（2）如图9所示，当掘进断面距桩体14m时，桩体的水平方向位移从桩顶至桩底基本上没有太大的变化，基本上呈直线的状态。说明盾构施工并未对桩体水平位移造成影响。

（3）如图9所示，当掘进断面距桩体8m时，桩顶位移最大，位移值为－1.305mm。然后随着深度的增大桩体的水平位移逐渐减小。但到桩距地面15米时，桩水平位移发生变化，随着深度的增加，桩的水平位移值增大，大概增大到桩距离地面20m左右时，桩体水平位移又逐渐减小，主要是由于端承桩桩端嵌固约束引起的。

（4）如图9所示，当掘进断面距桩体2m时，此时的盾构施工的开挖面已经非常靠近桩体，桩体受到盾构施工的影响发生水平方向上的位移，且最大水平方向上的位移仍然在桩顶附近，位移值为－2.016mm。由图还可以看出，当桩体上的观测点距地表大约15m以内时，桩体水平位移呈逐渐变小的趋势；当桩体上的观测点距地表大于15m时，桩体水平位移呈逐渐增大的趋势；但当增大观测点距地表到20m时，桩体的水平位移又呈现逐渐减小的趋势。

（5）如图9所示，当掘进断面驶离桩体16m时，桩体受到盾构施工的影响发生水平方向上的位移，且最大水平方向上的位移仍然在桩顶附近，位移值为－3.23mm。桩体水平位移变化规律同H＝2m时的规律。

（6）如图9所示，当当掘进断面驶离桩体20m时，最大水平位移在桩顶处，位移值为－3.138mm。桩体水平位移相对H＝－16m时基本没什么变化了，说明盾构施工对桩体影响已经很小了，桩体埋深各阶段的水平位移变化规律同H＝2m时的规律。