盾构掘进对U形槽和桥梁桩基的影响分析

2018-07-03周剑

铁道勘察 2018年3期

周剑

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

随着地铁施工技术的不断发展，盾构掘进已成为城市轨道交通建设的常规手段，但同时也会受到既有建筑物和地表环境条件的影响和制约[1-8]，这就导致部分新建的地铁线路只能沿立交线路延伸，交错穿行于立交桥的基础桩群之间[9]。盾构开挖掘进必然会引起附近地层受挤压扰动，导致一定距离内的桥梁桩基以及上部结构发生挤压损伤[10]。目前，盾构施工所导致的城市地表坍塌开裂等安全事故数量呈显著上升趋势[11-15]。因此，研究盾构掘进引起的土层挤压损失理论及其对地面沉降和桥梁桩基位移的应力变化具有非常重要的工程意义。以下通过公式推导和数值模拟，研究盾构双线掘进施工对地面U形槽和邻近群桩基础的沉降影响及控制技术。

2 工程概况

成都地铁4号线东三环站区间YDK38+640.258～YDK38+791.162段双线盾构隧道下穿铁路群，分别为成绵乐客运专线、动4线、东环线、动2线、动3线、达成线、动1线共10股铁路线。其中，东环线、成绵乐客运专线、动2线、动3线、达成线均为双线，其余为单线。双线盾构在桥梁桩基中间和U形槽下部掘进，图1和图2分别为盾构与U形槽和桥梁桩基相对位置关系的现场示意和设计示意。

图1 实际示意

图2 设计示意(单位：m)

3 盾构掘进诱发土体竖向变形公式推导

3.1 正面推力导致的土体竖向变形

图3为盾构-土体受力模型，土体圆截面内的微分面积为rdrdθ。对其进行积分，得到圆形在均布荷载作用下，周边土体中任一点位置引起的竖向位移为

图3 盾构-土体受力模型

(1)

以盾构初始工作面位置为基点，x为开挖面与基点在推进方向的投影距离；y为开挖面与基点垂直于推进方向的水平距离；z为开挖面距地面的竖向距离；P为盾构机的正面推力；D为盾构机的直径；G为土体剪切弹性模量；h为隧道至地面的距离。

3.2 盾构摩擦力引起的土体竖向变形

盾构掘进过程中其外壳与土体产生较大摩擦，如图3所示。取盾构表面的微分面积Rdldθ，利用弹性力学积分，可推导出盾构机在掘进过程中由摩擦力引起的土体竖向位移为

(2)

式(2)中，

3.3 土体损失引起的竖向变形

将土体损失看作为圆柱体，土体不排水和不可挤压，沿盾构纵向均匀分布，如图4所示。地面沉降槽体积相当于土体损失的体积。因此，土体损失导致的地面沉降计算公式为

图4 土体竖向变形

(3)

式(3)中，y为开挖面与基点在推进方向的投影距离；x为开挖面与基点垂直于推进方向的水平距离；当z=0时，可拟合得到非等量椭圆形的竖向土体荷载移动的平面土体损失V1为

(4)

考虑到椭圆形不同等量的径向土体位移状态，土体损失引起的地面沉降可表示为

(5)

将盾构机正面挤推力、盾构机与周边土体摩擦以及掘进过程中土体损失等导致周边竖向土体变形的计算结果进行叠加，可得到盾构在掘进施工过程中引起的竖向变形公式为

w=w1+w2+Sz=0

(6)

4 模型建立

结合成都4号线双线盾构隧道穿越工程实际情况，建立盾构-U形槽-桥墩的地层-盾构三维实体模型，采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型进行计算。

4.1 整体模型

计算模型范围为：模型底部(Z向)距隧道中心43 m，左右两侧(X向)距双线盾构中线50 m，上部(Z向)为地表，考虑隧道施工过程对桩基的动态影响，模型纵向(Y向)取45 m。

采用的周围约束条件为：底面(Z=-43)，限制在Z方向位移变形；侧面(X=-50和X=50)，限制其X方向土体位移变形；平面(Y=0和Y=45)，限制其Y方向土体位移变形；表面(Z=32)为地面，表示自由边界；在桥墩表面(Z=40)施加竖直向下的应力(-9.296 MPa)，模拟铁路桥梁上部结构可能出现的荷载组合及部分桥墩的自重。计算模型如图5和图6所示，开挖过程如图7所示。

图5 计算模型整体示意

图6 各种结构相对位置示意

图7 开挖过程

4.2 计算模型参数的选取

本次地层结构模型中主要考虑到桥墩、土层、盾构管片、U形槽、承台和同步注浆层等，各土层和结构的模型参数如表1～表2所示。

表1 各土层模型参数的选取

地质勘察报告中只给出了杂填土和全风化泥岩土体侧限条件下的压缩模量Es，但在实际模拟计算中，需采用岩土材料的弹性模量E0。因此，采用土力学理论换算公式(7)来计算土体材料的弹性模量E0

有

(7)

表2 各结构模型参数的选取

盾构管片参数取值时，考虑到隧道衬砌由管片与管片之间通过螺栓刚性连接，有限元模拟时将其考虑成连续体，刚度折减系数可取0.8。

4.3 双线盾构隧道开挖对地面U形槽的影响

(1)盾构隧道开挖周边土体竖向位移分析

盾构隧道掘进过程中，不可避免地会造成周围地层的扰动，开挖、周围的围岩松动挤压和孔隙水压力消散产生土体体积损失，引起地层位移和地表沉降。

隧道的竖向位移云图如图8所示，从图8可以看到，隧道上方土体向下运动，最大向下位移量为4.7 mm。

图8 隧道竖向位移云图

(2)盾构隧道开挖地表沉降分析

选取距桥墩3 m的横截面为研究对象，地表沉降云图和横向沉降曲线如图9和图10所示，从图10中可以看出，该沉降曲线成“W形槽”状，随着盾构的掘进开挖，地表沉降逐渐增大。盾构开挖曲线正上方的地表沉降最大，开挖曲线正上方两边沉降逐渐减小，左线盾构领先右线盾构3 m。因此，地表最大沉降值发生在左线隧道拱顶附近；随着右线隧道的开挖，地表最大沉降值发生的位置不断向右线拱顶附近移动，当左、右线隧道临近贯通时(即隧道开挖面距研究横断面33 m时)，地表沉降值几乎不再发生变化。数值模拟得到其地表最大竖向位移为14 mm，公式计算得到其最大沉降为25 mm。由于数值模拟考虑因素较少，其地表沉降小于公式计算沉降，但其变化趋势一致。

图9 地表沉降云图

图10 盾构掘进开挖引起的地表变形沉降

4.4 双线盾构隧道开挖对邻近群桩的影响

由于桩基础、桩承台和土的相互作用，群桩的工作形态较为复杂，会形成群桩效应。群桩的沉降明显大于单桩的沉降，随道开挖对附近群桩工作性能的影响与桩基在外荷载作用下的工作性能有所不同。隧道开挖前，土体在长期的固结状态以及外荷载作用下，桥梁群桩处在一个相对平衡状态；隧道开挖时，地层损失造成桩基周围土体的移动，进而引起桩基产生附加内力变化和变形，使得桩基产生向下的拖拽力，严重时将会引起桩基的不均匀沉降，对上部桥梁结构的安全造成威胁。

以下对双线盾构隧道邻近动2线、动3线铁路施工最近的桩基开展数值模拟计算，分析桩的水平与竖向位移。

(1)群桩水平位移

盾构隧道动态开挖时，距离盾构较近的前排桩基水平方向受到一定程度挤压而发生水平位移和内力变化。成都地表下砂卵石分布较多，由于砂卵石具有挤压蠕动减震效果，因此群桩水平位移很小，其水平位移云图如图11所示。

图11 盾构隧道开挖桥墩水平位移云图

(2)群桩竖向位移

盾构机前进到群桩附近时，在同一个群桩承台下，前、后排桩基的竖向沉降分布形态和形式较为相似，但因为前排桩有隔开和阻挡作用，后排的桩基竖向沉降值明显小于前排。取离盾构正向掘进最近的桩基进行研究，随着盾构不断掘进，最近的桩基开始沉降，前期沉降较为明显，尤其是盾构正好经过桩基时，沉降急剧增大。随后桩基沉降趋于平稳。当盾构距离桩基30 m左右时，其数值模拟沉降值约为13 mm，公式计算沉降值约为21 mm。盾构隧道开挖墩桩基竖向位移云图和盾构隧道开挖周边桩基竖向位移如图12和图13所示。

图12 盾构隧道开挖墩桩基竖向位移云图

图13 盾构掘进开挖周边桩基竖向变形位移

5 控制技术

结合以往研究经验和实际工程状况，在盾构隧道邻近桥梁桩基施工控制方面，常用的加固措施主要从隧道空间与桥梁桩基之间位置(包括纵向和横向)、隧道施工工法效应对桥梁桩基周边土的挤压扰动、盾构隧道和桥梁桩基之间的土体作用力以及隧道周边土体和桩基周边土体的加固等方面考虑，以此来保护邻近桥梁桩基在盾构隧道掘进时的稳定与安全。采取的主要沉降控制措施为在隧道与桩基之间设置隔断(即在隧道与桩基之间采用地表注浆的方法加强地层结构)，并进行了数值模拟分析。

采用在隧道与桩之间进行地表注浆的方法来减小盾构施工对桥梁桩基的影响，其实质是对岩土体的充填与加固、胶结、增强，注浆对岩土的加固效果主要表现在岩土体黏聚力c值和内摩擦角φ值的提高。因此，在数值模拟分析时，鉴于加固区位于中风化泥岩中，根据相关文献，可将加固区材料的黏聚力c值、内摩擦角φ和弹性模量E值均提高20%。

图14 在隧道与桩之间设置隔断示意(单位：m)

如图14所示，在距承台1 m靠近隧道侧进行地表注浆，加固区顶部距地表17 m，加固区尺寸为：厚3 m(X向)，高19 m(Z向)，纵向22 m(Y向)。根据上述加固措施，在FLAC3D软件中建立如图15所示的加固区，来模拟在隧道与桩之间设置隔断时，盾构隧道掘进施工对附近桩基产生的沉降影响。注浆加固后，靠近隧道一侧的桥墩桩基沉降降低了约58%；最大沉降值由13 mm(未注浆加固)减少到2.4 mm(采用注浆加固)，效果较为显著。