盾壳摩擦对邻近单桩工作性状影响的研究

郑 刚,路 平,张稳军(天津大学建筑工程学院,滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学),天津300072)



盾壳摩擦对邻近单桩工作性状影响的研究

郑 刚,路 平*,张稳军
(天津大学建筑工程学院,滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学),天津300072)

摘要:盾壳摩擦作用下土体受到挤压和剪切,可引起临近桩身所受弯矩和变形显著增加.本文建立了考虑盾壳摩擦作用的三维有限元模型,研究了盾构掘进过程中不同盾壳摩擦作用对邻近单桩工作性状的影响,并以天津地铁东南角站至建国道站区间盾构工程为依托,结合盾构掘进参数及地表沉降的监测结果进行验证.研究结果表明,考虑盾壳摩擦作用的盾构掘进会引起土体沿掘进方向的水平位移显著增大;盾壳摩擦的增大会造成邻近单桩桩顶沉降、沿掘进方向的桩身水平侧移和桩身弯矩增大,而对桩侧摩阻力、垂直于掘进方向的桩身水平侧移和弯矩影响微弱;盾壳摩擦对桩顶沉降的影响具有滞后性,当盾构机脱离桩身后,对其变形更需要严格控制.

关键词:盾构隧道;盾壳摩擦;单桩;变形;弯矩

随着城市轨道交通的发展,地铁线路常下穿复杂地下环境的城市中心地区,采用盾构法施工必然会造成土体扰动,并对邻近构筑物如建筑桩基础等产生影响.目前,国内外学者主要从数值模拟、试验分析、监测分析和理论推导4个层面进行了研究.朱逢斌等[1]结合离心试验结果,采用摩尔库伦本构关系进行数值模拟,研究软土地区盾构隧道开挖对不同位置邻近桩基的影响规律.Jongpradist等[2]和王明年等[3]通过数值模拟分析了盾构掘进过程,并根据临近桩基的不同响应划分了盾构影响分区.Dias等[4]综合里昂地铁监测数据和数值模拟,研究了不同施工阶段下土体位移.廖少明等[5]用边界元方法模拟分析了新建隧道对既有隧道的影响,并提出盾壳摩擦是影响土体位移的主要因素,且影响具有滞后性.袁海平等[6]基于桥桩结构耦合弹簧力学计算原理与有限差分方法,分析盾构推进过程中桥桩受力、水平变形、地层沉降的变化规律,探讨桩实体结构单元弯矩、剪力计算方法的可行性.梁荣柱等[7]利用弹性力学的Mindlin解推导掌子面推力、盾壳摩擦、注浆压力和盾尾空隙造成的地表变形计算公式并通过实测结果进行验证.

徐泽民等[8]介绍了天津地铁3号线下穿历史风貌建筑时由于盾壳摩擦过大导致的事故.该工程左线在接收过程中由于漏水漏沙而停机采取多次注浆加固,期间双液浆硬化并固结在盾壳表面,造成盾壳与土体摩擦力增大.盾构机恢复掘进后,以54 MN的较大顶推力仍难以掘进,对地层造成很大的扰动,盾尾后建筑不同位置在10 d内出现30～90 mm的较大沉降.清理完盾壳表面的浆体后盾壳摩擦减小,盾构能正常掘进且对上部建筑沉降增量可控制在正常范围之内.

综上可见,盾壳摩擦对周围地层及结构物如桩基础的影响不可忽视,而现有研究关于盾壳摩擦对临近单桩的变形及受力的研究相对较少.故本文采用考虑盾壳摩擦的影响对盾构施工过程进行三维有限元模拟,结合东南角站至建国道站区间的地表实测结果进行验证,分析了周围土体的变形模式,并在此基础上研究了盾壳摩擦不同时对邻近单桩工作性状的影响.

1 有限元模型

1.1模型尺寸

由于对空旷场地(greenfield)下的研究更具有代表性,本文研究场地范围取自天津地铁东南角站至建国道站区间左线第311～360环,共50环,该区段地表建筑较少,场地平坦,盾构施工前土体未受到明显扰动.

为了降低边界效应对模拟计算结果的影响,本文计算模型沿掘进方向(y向)总长度取90 m,且仅对中间50环(60 m)的地表沉降进行分析验证,并设y=15 m处为研究的第1环,y=75 m处为研究的第50环.模型沿垂直于掘进方向(x向)宽度100 m,深度方向(z向)60 m,模型的网格划分如图1和表1.侧面及底面位移施加法向约束,水位位于地表并设为排水面.

图1　网格尺寸及地层示意图Fig.1 The finite element mesh and the strata profile

隧道覆土厚度约为17 m.隧道管片采用目前国内通用的宽1.2 m的钢筋混凝土预制管片,外径6.2 m,内径5.5 m.

在模型研究的第25环侧方加入了单桩的模拟.单桩采用1 m×1 m的方桩,桩长30 m,桩身外皮与盾构最小净距为6 m.根据计算得到单桩的荷载(Q)-沉降(s)曲线,确定单桩极限竖向承载力为7.8 MN,考虑安全系数的影响取桩顶竖向荷载效应为2 MN.

表1　土层划分及组成Tab.1 Division and composition of soil layer

表2　土层物理力学指标Tab.2 Physical and mechanical properties of soil layer

1.2土体及结构参数

土体采用C3D8P孔压单元(共43 200个单元, 46 614个节点,139 842个自由度),本构关系采用修正剑桥弹塑性模型模拟,并假定研究范围内的土体为水平均匀分布且各向同性,将研究范围内的土体简化成7层土,如图1所示.其参数通过现场取样进行室内固结慢剪试验(M)和回弹固结试验(λ和κ)得到,各土层的物理力学参数见表2.

盾构壳体、管片采用线弹性壳单元S4R模拟(共1 200个单元,1 224个节点,7 344个自由度),注浆体采用实体单元C3D8R模拟(共1 200个单元,2 448个节点,7 344个自由度),单桩采用实体单元C3D8R模拟(共30个单元,124个节点,372个自由度).盾构机长度为8.4 m,重度定义为盾构机实际重量(2.2 MN)与模型中体积之比,弹性模量与泊松比按照钢材选取[9],见表3.对于装配式衬砌采用修正惯用法简化成整体结构计算,并引入管片刚度有效率η=0.75[10]来考虑接头造成的管片刚度降低;对于注浆体综合考虑注浆压力、硬化时间、盾尾间隙、注浆不及时[11]等因素,并根据张云等[12]对等代层的研究,结合天津软土地区的工程特点,将弹性模量(E)取为1.2 MPa,厚度取为10 cm.

本研究中为了模拟接触界面的相对切向滑移,采用Coulomb摩擦定律来模拟摩擦接触并计算极限摩擦力.盾壳-土、桩-土等接触界面的摩擦性状由两个参数来确定:一个是临界滑移γcrit(γcrit表示界面黏结在一起时允许发生的少量相对滑移变形),另一个是界面摩擦系数μ.根据Lee等[13]的研究,当γcrit为5 mm 时,摩擦力能够得到充分发挥,如图2.盾壳与土体之间摩擦接触的μ取为0.2[14],盾尾与已安装管片、管片与注浆体的μ设为0.4[15],桩身与土体之间的μ设为0.35[16].

表3　结构物物理力学指标Tab.3 Physical and mechanical properties of the structures

图2　临界剪应力与滑移示意图Fig.2 Sketch of critical shear stress and sliding

1.3模拟方法

采用“刚度迁移法”来模拟盾构向前推进的过程,每推进一步(长度为一环管片宽度)[17],相应的土体被挖出,新的盾构机、管片与注浆体单元也随即生成,掘进模拟中盾构机后盾始终有一环已安装管片且暂不考虑管片安装与盾构停机的影响,如图3所示.

图3　模型受力示意图Fig.3 Sketch of the model considering different forces

挖出土体单元的同时在开挖面施加梯形分布侧向压力来模拟掌子面压力,与所在深度位置的水土侧向压力相平衡.根据本工程盾构机掘进参数施工记录,模型中取掌子面压力pN=0.75γZ(γ为土体按层厚的加权重度,Z为土体深度).盾壳摩擦力Ff简化为千斤顶总顶推力F与掌子面推力FN的差值[14],并平均施加在盾构机单元的每个节点上,以此来模拟控制盾壳与土体间的摩擦.模型中根据该研究区段的50环盾构机施工记录,采用盾壳摩擦平均记录值8.7 MN,如图4所示.而实际掘进施工中为了控制盾构机姿态,刀盘切削方向是隔环交替转动的,刀盘扭矩对周围土体的影响存在抵消效应而可忽略,因此本文未考虑刀盘扭矩的影响.

图4　盾壳摩擦施工记录Fig.4 Measured data of skin friction

2 计算分析结果

2.1计算结果验证

2.1.1地表纵向沉降曲线

图5所示为盾构掘进过程中刀盘分别位于第20环和第30环时地表纵向沉降曲线的计算值与实测值,其中数值分析过程中所施加的盾壳摩擦力是基于实测结果取其平均记录值8.7 MN来考虑的.由于只对计算模型中部50环的地表纵向沉降进行研究,故分析土体沉降时已将先期沉降扣除.可以看出,图5中2个时刻地表纵向沉降的计算值与实测值是基本吻合的,只是在第1环和第15环附近,实测结果与计算结果差异较大.这主要是因为实际场地监测时易受到场地周围地面荷载及偶然荷载的影响;另外盾构掘进过程中盾构姿态的调整、盾尾注浆压力的波动以及注浆是否及时等因素也是造成偏差的原因.

图5　不同施工阶段地表竖向位移曲线Fig.5 Vertical displacement curves on the ground during different construction stages

刀盘位于第20环时,盾构掘进导致盾构后方土体产生沉降,刀盘后方20环(第0环)处地表沉降为8.1 mm.刀盘前方3环(第23环)之前的地表土体产生约1.0 mm的轻微隆起.

刀盘位于第30环时,地表沉降规律与刀盘位于第20环时类似,且刀盘后方30环处地表沉降在8.6 mm附近.由此可见,本工程当刀盘通过地表20环(约4D,D为盾构直径)的距离后,由于土体固结产生的地表沉降已基本完成而趋于稳定.

2.1.2地表沉降时程曲线

将对应的第20环正上方地表沉降计算点与实测结果的沉降时程发展进行对比,分析其沉降随掘进过程的变化规律,沉降时程曲线如图6所示.可以看出,地表沉降计算值从原点(第0天)开始,随着盾构掘进过程的发展呈现先隆起后沉降的趋势,在刀盘到达之前(第3天)开始沉降,盾构通过阶段持续沉降,盾构脱出之后(第5天)由于盾尾注浆层压缩变形使得沉降发展加速,随后直至第8天基本趋于稳定.第20环上方地表实测结果与计算结果基本吻合但略有区别,该处实测结果基本表现为沉降.这是由于实际盾构掘进过程中顶推力不均匀以及刀盘超挖等因素引起土体扰动程度加大造成.

图6　第20环上方地表测点沉降随掘进过程变化曲线对比Fig.6 Comparison of the ground settlement-advancing process curves at measured points above ring 20

综上所述,本文有限元模拟计算结果与实测值基本吻合,从而验证了本文所采用的数值模拟方法及参数选取的合理性,因此在此基础上进行以下深入的分析是可靠的.

2.2盾壳摩擦时土体变形模式

为了定性考察盾壳摩擦的存在是否会对土体的变形模式产生影响,本节只针对无摩擦和实测平均盾壳摩擦水平下(即平均记录值8.7 MN)的结果进行比较分析,以研究不同盾壳摩擦水平下的变化规律.

图7为刀盘到达和盾尾脱出时距隧道中心线水平距离分别为0,6,12 m的土体分层沉降.由图7可知,刀盘到达时隧道上方土体沉降,且沉降随土体深度增加而增加.隧道下方土体隆起,且隆起量随深度增加而减小.盾尾脱出后由于盾尾空隙、卸荷等作用,沉降和隆起继续发展.距离6 m的土体分层沉降与中心线位置处的变形存在着相似的规律,只是变形幅度有所减小,距中心线12 m的土体受隧道掘进影响很小,其变形基本可以忽略.

对比考虑盾壳摩擦作用和不考虑摩擦作用土体分层沉降可知,对于盾构下方土体,摩擦作用影响很小;考虑盾壳摩擦造成盾构上方土体在刀盘到达时沉降变小,这是由于盾壳摩擦产生的挤压作用使刀盘前方土体水平向主应力提高,土体发生类似于侧向加载时的竖向膨胀造成盾构上方土体隆起所致.盾尾脱出后,土体继续固结沉降,沉降值变大并趋于稳定,这是由于盾尾脱出后盾壳摩擦可以减小盾尾周围土体的围压使得土体的水平向主应力减小,土体发生类似于侧向卸载时的竖向压缩所致.

此外还可根据土体分层沉降将盾构开挖对土体影响分为沉降区、隆起区和弱影响区,如图7所示.若隧道掘进范围附近有桩基础处于隆起区和沉降区内,则桩基础上部会受到土体向下的变形传递,下部会受到土体向上的变形传递,故对桩基础的正常工作状态产生不利影响.

图7　土体分层沉降Fig.7 Subsurface ground vertical movement

由图8所示,掌子面前方土体沿掘进方向最大水平位移uy出现在掌子面正前方,地表最大水平位移发生在掌子面斜上方.考虑盾壳摩擦造成的掌子面前方土体最大位移为7 mm比不考虑摩擦的3 mm增大了约133%,故可以得出盾壳摩擦是造成土体沿掘进方向水平位移的主要因素.

图8　掌子面前方纵断面掘进向水平位移uy等值线Fig.8 Contours of horizontal movement uyahead tunnelling face along advance direction

由图9所示,掌子面前方土体垂直于掘进方向最大水平位移ux出现在隧道两侧,最大值发生在距隧道边缘约1倍盾构直径处(x=10 m).由图9(a)、(b)对比可知,考虑盾壳摩擦时比不考虑盾壳摩擦时的ux最大幅值增大了约64%,但随着与隧道距离的增大,考虑盾壳摩擦时ux变化与不考虑盾壳摩擦的差异逐渐减小.盾壳摩擦会使土体产生更大的沿垂直于掘进方向的水平变形,并会传递到邻近桩基使其产生挠曲变形,使桩基处于偏心受力的不利工作状态.

综上,当在盾构掘进的较近范围内存在对正常使用要求较高的桩基础时,需要考虑盾壳摩擦对其产生的不利影响.

图9　掌子面前方横断面土体垂直于掘进向水平位移ux等值线Fig.9 Contours of horizontal movement uxahead tunnelling face perpendicular to advance direction

3 不同盾壳摩擦对单桩的影响

由于实际掘进地层存在变异性会导致盾壳摩擦突变,比如局部存在细砂层,施工中会通过中盾盾壳的径向孔注入膨润土润滑,如图10所示.尽管如此,盾构施工记录表明盾构掘进中的盾壳摩擦波动仍较大.根据图4所示该区间盾构掘进的施工参数记录,分别计算了盾壳摩擦力为3种工况.由于覆土厚度不变,故盾壳所承受土体的法向压力是固定的,对应的摩擦系数可根据差值法得到,即依次为0.22,0.17,0.11,用来对比分析不同盾壳摩擦时盾构掘进对邻近单桩9.6,7.2,4.8 MN工作性状的影响.

图10　径向孔注入膨润土示意图Fig.10 Sketch of the bentonite injection from radial hole

3.1对桩顶沉降的影响

图11为桩顶沉降随掘进过程的变化曲线,可见桩顶沉降在盾构机通过桩身之后盾壳摩擦的影响较明显,盾壳摩擦越大,桩顶的最终沉降越大.盾壳摩擦较大时最终沉降(2.1 mm)比盾壳摩擦较小时最终沉降(1.5 mm)增大了约40%.这是由于较大的盾壳摩擦更大程度地减小了盾尾后方土体的围压,导致土体更易被竖向压缩而沉降变大,从而土体带动桩身下沉使其沉降也变大.这也说明了盾壳摩擦对周围土体及单桩影响具有滞后性,当盾构机脱离桩基础以后,对其变形影响更需要严格控制.

图11　不同盾壳摩擦时桩顶位移曲线对比Fig.11 Comparison of the settlement curves of pile top with different skin friction

3.2对水平位移的影响

桩身2个方向的水平位移与土体水平位移规律相同,最大水平位移均产生在隧道埋深附近.不同盾壳摩擦下桩身2个方向水平位移的变化见图12.不同盾壳摩擦下垂直于盾构轴线方向桩身水平位移沿深度分布曲线变化不大,与图9所示的土体变形规律相似.平行于盾构轴线方向桩身产生沿掘进方向水平变形,且随着盾壳摩擦的增大,桩身水平位移也增大,位移增幅最大的位置仍处于隧道埋深附近,如图12(b),其原因是盾壳摩擦的方向是沿隧道掘进方向的,盾壳摩擦增大造成土体沿掘进方向产生增大的水平附加应力,进而带动桩身位移增大.

3.3对桩身受力的影响

3.3.1桩身侧摩阻力

图13为桩身侧摩阻力沿深度分布曲线,由图13 (a)可见盾构开挖引起的隧道以上桩身侧摩阻力先增大后减小,最终产生负摩阻力;隧道下方桩身侧摩阻力先减小后增大,这是由于盾构掘进造成上方土体先隆起后沉降,桩土之间产生相对滑移所致.不同盾壳摩擦对桩身最终侧摩阻力的分布影响很小,只是在隧道埋深范围内侧摩阻力有轻微降低,即对桩的承载力影响不明显,如图13(b),这是因为盾壳摩擦对桩身的法向压力影响并不大.

图12　不同盾壳摩擦时桩身水平位移Fig.12 The horizontal displacement curves of the pile with different skin friction

图13　侧摩阻力随桩深度变化Fig.13 The side friction changed with the depth of pile

3.3.2桩身弯矩

图14为桩身弯矩沿桩深度方向的变化,其中弯矩值是由数值计算所得到的应力进行积分后导出的. 图14(a)中弯矩My主要是通过隧道-桩间土的压应力传递,由桩身产生沿垂直于盾构掘进方向的挠曲变形所引起的,My以桩远离隧道侧受拉时为正.隧道埋深处正弯矩最大,下方负弯矩最大,这是由于桩身受到隧道侧向变形和隧道下方土体约束作用所致;埋深9 m附近桩身正弯矩也较大,是由于该处土层刚度较大,对桩约束较强,而上方土层刚度较小,在桩顶荷载下,桩发生侧向变形所导致.可以看出,考虑不同盾壳摩擦时桩身My的幅值变化不大,这主要也是因为盾壳摩擦的方向与其相垂直所致.

沿盾构掘进方向的桩身弯矩Mx主要是通过隧道-桩间土的剪应力传递产生,其最大值小于My,并以桩身外法线指向掘进方向侧受拉为正,其分布如图14(b)所示.由于掌子面压力和盾壳摩擦使得盾构直径范围内的桩产生沿掘进方向的位移,同时由土体对桩身的约束作用使其弯矩分布呈“M”型.盾壳摩擦越大,桩身产生沿掘进方向的挠曲变形越大,故Mx也随之增大.

图14　不同盾壳摩擦下桩身弯矩图Fig.14 Bending monment diagranms of piles in different skin friction

综上所述,盾壳摩擦的增大对邻近单桩桩顶沉降、沿盾构掘进方向的桩身水平位移和桩身弯矩Mx影响较大,而对桩身侧摩阻力和垂直于掘进方向的桩身弯矩My影响较小.过大的桩身水平位移和桩身弯矩会使混凝土桩开裂、钢筋锈蚀等,因此当盾构掘进的邻近区域存在桩基时,需要重点评估盾壳摩擦对桩基的不利影响.

4 结 论

本文利用有限元模拟了考虑盾壳摩擦的盾构隧道掘进过程,并与工程实测结果进行了对比验证.在此基础上分析了不同盾壳摩擦对土体变形的影响模式,讨论了盾壳摩擦对于邻近单桩位移和受力的影响,主要有以下结论:

1)盾壳摩擦对周围土体的变形影响模式为使地表下土体产生平行于掘进方向水平位移,且位移值随着盾壳摩擦的增大而增大;平行于掘进方向的土体最大水平位移发生在盾尾脱出时,盾构埋深附近;盾壳摩擦对垂直于掘进方向的土体水平位移影响较小.

2)考虑盾壳摩擦的盾构掘进过程中,土体受到盾壳摩擦的影响产生变形,并传递给邻近单桩使其产生更大的沉降和沿掘进方向的水平位移;盾壳摩擦的方向是沿隧道掘进方向的,盾壳摩擦的增大对邻近单桩沿掘进方向桩身弯矩Mx的增大影响较大,而对桩身侧摩阻力和垂直于掘进方向桩身弯矩My影响较小.

3)盾壳摩擦对单桩工作性状的影响主要表现在对桩身变形的影响,且盾壳摩擦对桩顶沉降的影响具有滞后性,当盾构机脱离桩基础后,对其变形影响更需要严格控制.

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Study on the Influence of Shield Skin Friction on Adjacent Single Pile

ZHENG Gang,LU Ping*,ZHANG Wenjun
(Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety(Tianjin University),Ministry of Education, School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Abstract:The skin friction induced compression and shear in the soil will significantly increase the bending moment and deformation of adjacent piles.A three-dimensional finite element model is established to investigate the impact of changing skin friction during the process of shield tunneling on the adjacent single pile.The predicted data are compared with the measured counterpart of the section between Dongnanjiao Station and Jianguo Road Station in Tianjin Metro in terms of driving parameters and ground settlement.The study shows that the horizontal movement of the soil along the advance direction will greatly increase when the skin friction is taken into account.The increase in the skin friction largely increases the calculated settlement,horizontal deflection,and bending moment of the single pile along the advance direction,while the contribution of the skin friction to the pile side friction,the horizontal deflection, and bending moment perpendicular to the advance direction is negligible.Meanwhile,the skin friction exerts a lagging effect on the settlement of pile top.Therefore,stricter deformation-control measures should be taken after the shield departs from the pile.

Key words:shield tunneling;skin friction;single pile;deformation;bending moment

*通信作者:paul1986612@126.com

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB732106);海南大学科研启动基金(KYQD1565)

收稿日期:2015-03-28 录用日期:2015-06-12

doi:10.6043/j.issn.0438-0479.2016.02.025

中图分类号:TU 91

文献标志码:A

文章编号:0438-0479(2016)02-0297-08

引文格式:郑刚,路平,张稳军.盾壳摩擦对邻近单桩工作性状影响的研究[J].厦门大学学报(自然科学版),2016,55(2): 297-304.

Citation:ZHENG G,LU P,ZHANG W J.Study on the influence of shield skin friction on adjacent single pile[J].Journal of Xiamen University(Natural Science),2016,55(2):297-304.(in Chinese)