盾构施工对不同龄期桩基影响分析

2021-03-12郭聪

福建建筑 2021年1期

郭聪

(福州市城乡建总集团有限公司福建福州 350001)

0 引言

隧道在盾构施工过程难免将对周围环境产生不同程度影响，特别是对建筑物(构筑物)桩基产生不利的影响，甚至影响到建筑物(构筑物)的正常使用和安全。其原因在于盾构施工过程，土体的应力释放导致隧道周围土体应力重新分布，应力的变化导致了土体中位移的产生，而任何影响土体应力变化的因素都会引起桩基承载性状的改变[1]。

对于隧道与桩相互作用的研究，Mair[2]对现场施工进行了监测，Bezuijen等[3]、Loganathan等[4]进行了大量的离心机模型试验，发现隧道施工会改变临近桩基的受力性态。Morton等[5]试验，研究了隧道施工对桩基承载力和沉降的影响，发现隧道施工会对桩基产生严重的影响，软弱土层中邻近桩基是设计和施工中必须考虑的重要因素。文献研究表明[6-7]，对近邻桩基承载性状的影响因素，有桩基离开盾构隧道的距离、土体力学性质、桩基原有荷载的大小、桩长、桩径、衬砌支护时间、盾尾后注浆质量、盾构面水土平衡压力和盾构机的盾构姿态等。

本文以福州市湖塘路至化工路段在建的桥梁桩基与盾构隧道同步施工过程为例，结合三维有限元分析方法，分析盾构隧道推进至桥梁桩基过程中的桩基混凝土处于不同龄期情况下的桩基内力和变形，并针对推进过程遇到的最不利区段提出合理性措施，以便于最终确保桥梁桩基的安全。

1 工程背景

该项目为福州市前横路快速化改造工程中的一部分，设计路段为福新东路至湖塘路段、湖塘路至化工路段和化工路至塔头路段，项目与地铁4号线共线。以湖塘路至化工路段为例，该段共 58 根桩基，其中 56 根桩基与盾构净距大于2m，2根与盾构净距：1m<净距≤2m，对于1m<净距≤2m的桩基采取保护措施(采用深护筒施工，钢护筒底穿过盾构底 3m，施工后不拔除)。

考虑到盾构隧道施工与桥梁桩基施工工期较为接近，在盾构推进至桥梁桩基时，桩基混凝土将可能处于不同养护龄期，为了避免盾构隧道施工对不同龄期桩基带来不利影响，针对盾构隧道对不同龄期的桩基内力和变形进行分析，以确保桥梁桩基安全。

2 有限元分析模型构建

2.1 基本假定

三维有限元分析模型，建立在以下6个基本假定基础：

(1)土体为各向同性的连续介质弹塑性模型，各层土均不考虑层顶或层顶的起伏，按等厚度考虑。

(2)土体在自重作用下产生的变形和应力在开挖前已经完成，计算中不予考虑，且不考虑土体变形的时间效应。

(3)盾构隧道不考虑管片之间的连接，按均匀、连续圆环管片进行模拟分析。

(4)模型重点研究土体的短期变形，仅考虑在计算域范围内盾构掘进产生的土体变形，不考虑盾构驶出计算域后土体长期固结的影响。

(5)模型采用“刚度迁移法”来模拟盾构向前推进过程，即盾构一步一步“跳跃”式推进，推进模拟中暂不考虑管片安装与盾构停机的影响。

(6)模型仅考虑单线盾构施工阶段对桩基影响，未考虑双线盾构下穿对桩基影响。

2.2 模型参数选取

本研究中Midas三维有限元分析模型的参数取值具体如下：

(1)土层长度取60m，宽度取50m，厚度取70m，可忽略边界效应影响，如图1所示。

图1 总体模型

(2)土体采用小应变硬化土模型，土体厚度选取钻孔获得的土层厚度，自上而下为4.6m杂填土、17.2m淤泥、1m粉质黏土、19.7m淤泥质土、2.5m粉质黏土、6.1m卵石、10.7m砂土状强风化花岗岩、2.5m碎块状强风化花岗岩。

(3)桥梁桩基采用线弹性模型进行模拟，其弹性模量依据表1分别选取7d、14d和28d强度进行考虑，泊松比取0.20，采用梁单元进行模拟，桩径包括1.5m、1.8m。

表1 不同龄期的混凝土强度及弹性模量

(4)盾构隧道采用线弹性模型进行模拟，内径取5.7m，厚度0.35m，弹性模量取3.45×104MPa，泊松比取0.20。

(5)桩基距隧道外边线距离分别取1m、3m、5m。

(6)模型左、右侧边界约束土体水平位移，底部边界约束土体竖向位移。

(7)盾构机头锥度所产生的地层损失率按1.5%考虑，管片安装后隧道与衬砌间隙所产生的地层损失率按1.5%考虑。

(8)掌子面压力在盾构顶部按125kPa计算，沿深度按12.5kPa/m计算，注浆压力按200kPa计算。

桩基的内力及变形分析计算工况具体如下：

(1)根据桥梁施工前场地标高，建立土层，形成初始地应力，并对位移清零；

(2)不同距离的桥梁桩基施工；

(3)盾构分步施工。

2.3 模型工况设计

本次桩基的内力及变形分析计算工况具体如下：

(1)根据桥梁施工前场地标高，建立土层，形成初始地应力，并对位移清零；

(2)不同距离的桥梁桩基施工；

(3)盾构分步施工。

具体如表2所示。

表2 模拟分析工况设计表

2.4 参数验证

工程实践表明，盾构隧道的影响分区可分为强烈影响区(Ⅰ)、显著影响区(Ⅱ)、一般影响区(Ⅲ)，具体分区范围如图2所示，其中Hi表示隧道中心埋深。

图2 盾构隧道影响分区图

结合地铁盾构隧道经验，沉降槽反弯点距隧道轴线距离约0.5Hi，沉降槽主要影响范围为距离隧道轴线与2.0Hi的范围内。

由图3可知，计算所得的地表沉降槽与上述盾构法隧道影响区的划分范围极为接近，与福州地区的盾构隧道施工引起的沉降经验较为吻合，表明本研究模型参数的取值合理。

图3 计算所得地表沉降曲线

3 模拟试验结果分析

3.1 不同桩径下桩基变形及内力分析

在养护龄期均为7d的桩基以及桩基与盾构隧道净距均为1m的情况，不同直径桩基条件下桩基变形如图4所示。

(1)1.2m直径桩基条件下桩基变形图(最大水平位移：9.5mm) (2)1.5m直径桩基条件下桩基变形图(最大水平位移：9.6mm)

另一方面，养护龄期均为7d的桩基以及桩基与盾构隧道净距均为1m的情况下，不同直径桩基条件下盾构隧道推进引发的桩基弯矩如图5所示。

(1)1.2m直径桩基条件下桩基弯矩图(远离盾构侧：676kNm；远离盾构侧：-939kNm) (2)1.5m直径桩基条件下桩基弯矩图(远离盾构侧：1024kNm；远离盾构侧：-1427kNm)

由图4可知，在桩径在1.2m～1.8m范围内，桩基最大水平位移随着桩径增大呈先增后减的变化模式，桩径达到1.8m时其最大水平位移为最小值(为7.0mm)，同时由图4可以看出桩基的变形趋势基本相同，呈“抛物线”形式。由图5可知，随着桩径的增大，远离盾构侧所受的弯矩值也相应增加，同时在桩径较大情况下，远离盾构侧的正负弯矩绝对值基本接近。

另一方面，根据上述分析结果可知，不同龄期、不同距隧道净距的桩基偏位值如表3所示。

表3 桩基侧向偏位最大值

由表3可以看出，当桩基距离隧道较近(最小净距不大于 3m)时，桩基最大偏位值随着与隧道距离的减小而增大，而随着桩基与隧道的距离增大时，桩基的最大偏位位置逐渐由隧道标高附近转移至地表。其主要原因在于：当桩基距离隧道较近时，隧道周边土体水平位移最大，此时地表附近土体位移很小；而随着与隧道距离增大，隧道周边土体水平位移逐渐减小，地表附近土体水平位移则逐渐增大，致使桩基的偏位值及最大偏位部位发生明显不同。

同时，随着龄期增大，桩基最大偏位逐渐减小。这是由于砼龄期增大后，其弹性模量逐渐提高，桩基抗变形能力也逐渐增大，故其变形逐渐减小。但由于桩基的砼龄期大于14d 后，其弹性模量变化量不大，故其对变形的影响也较小。

3.2 不同桩基龄期下桩基变形及内力分析

在桩基直径均为1.5m的桩基以及桩基与盾构隧道净距均为1m的情况下，不同龄期桩基条件下桩基变形如图6所示。

(1)龄期为7d的桩基条件下桩基变形图(最大水平位移：9.6mm) (2)龄期为14d的桩基条件下桩基变形图(最大水平位移：9.0mm) (3)龄期为28d的桩基条件下桩基变形图(最大水平位移：9.2mm)

另一方面，在桩基直径均为1.5m的桩基以及桩基与盾构隧道净距均为1m的情况，不同龄期桩基条件下盾构隧道推进引发的桩基弯矩如图7所示。

(1)龄期为7d的桩基条件下桩基弯矩图(远离盾构侧：1024kNm；远离盾构侧：-1427kNm) (2)龄期为14d的桩基条件下桩基弯矩图(远离盾构侧：1313kNm；远离盾构侧：-1521kNm) (3)龄期为28d的桩基条件下桩基弯矩图(远离盾构侧：1386kNm；远离盾构侧：-1583kNm)

由图6可知，7d龄期的桩基，其变形的最大水平位移相对较大，达到9.6mm，此后随着龄期增长，桩基混凝土强度增强，因此到14d龄期时其最大水平位移相对变小(为9.0mm)，而随着桩基混凝土强度继续增强的过程中，后期出现一定的回弹，强度基本稳定时其最大水平位移为9.2mm。由图7可知，不同龄期下，桩基混凝土的弯矩远离盾构侧的前后差值基本在200～400 kNm之间浮动，同时龄期越大，差值也相应越小。

桩基附加内力分析：

根据设计，直径Φ1500 的桩基计算参数取值如下：系数α1=1.0，圆形截面半径r=0.75m，纵向钢筋重心所在圆周半径rs=0.66m，混凝土抗压强度fc=13.8N/mm2(C30)，钢筋抗拉强度fy=330 N/mm2(HRB400)，桩基上部 35m 纵筋采用 30C28，下部采用 15C28。

在上部结构尚未施工情况下，桩基上部荷载及桩身自重暂不予以考虑，桩基抗弯和抗剪承载力复核如表4～表5所示。