盾构施工参数对地铁穿越公路桥梁桩基的影响

2021-04-12苏宝

公路工程 2021年1期

苏宝

(中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300000)

随着人民生活水平的不断提高和城市化建设的快速发展，能够提高人们出行便捷程度的地铁施工在全国陆续开展起来，然而，由于前期公路或者桥梁规划过程中，未涉及有新兴地铁等交通工具的规划，因此，在地铁施工过程中往往会出现需要穿越公路桥梁等工程的施工[1-2]。其中，盾构施工技术作为一种将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片[3-4]，形成隧道结构的一种机械化施工方法在现代化地铁穿越公路桥梁施工中得到了广泛应用。实际盾构施工过程中的盾构施工参数对地铁穿越公路桥梁桩基的影响方面的研究尚未见报道[5-7]，本文考察开挖步数、掌子面推力和注浆压力对桩基变形的影响，结果可为现代化地铁穿越施工技术提供必要的支撑。

1 模型建立与处理

采用三维建模的方法来分析地铁穿越公路桥梁桩基的变形行为，主要针对隧道、桩基和土体3个部分，立体模型采用ANSYS建立 SOLID45模型(60 m×60 m×45 m，单元总数83 168个)[8]，图1为地铁穿越隧道与桩基平面位置示意图，其中，隧道中心线距离地表和隧道内径分别为14、7.8 m，桩基与隧道的距离为1 m，圆形桩直径为1.8 m。

图1 地铁穿越公路桥梁与桩基平面位置示意图 (单位：cm)

三维模型中涉及到的管片、注浆层和桩的线弹性参数包括弹性模量、泊松比和重度，其中，衬砌管片的弹性模量、泊松比和重度分布为27 600 MPa、0.2和25 kN/m3，注浆层的弹性模量、泊松比和重度分布为1 000 MPa、0.17和21 kN/m3，桩的弹性模量、泊松比和重度分布为32 000 MPa、0.3和25 kN/m3。三维模型中X轴的边界条件为±30，Z方向的边界为-45～0，Y方向的边界为-46，模型Y方向的上表面为自由面[9]。桩基顶部的均布载荷为1.58 MPa。

由于盾构施工过程中的桩基与土体物性参数有较大不同，因此在建模过程中需要考虑桩土接触处理情况，这里主要考虑摩擦系数，结合以往实际工程经验，设置桩基与土体之间摩擦系数μ=0.45[10]。

2 结果与分析

图2为地铁穿越公路桥梁的桩基横向水平位移与桩身埋深之间的关系，分别列出了开挖第1步、第4步、第7步、第8步、第11步和第15步时的对应关系，每步开挖3 m。对比分析可知，在开挖第1步时，桩基横向水平位移随着埋深的变化较小；随着开挖步数的增加，桩基横向水平位移与桩身埋深关系曲线逐渐转变为“鼓凸”状，且随着开挖步数增加，桩基横向水平位移呈现逐渐增大的趋势，在开挖步数为7、8、11、15时，桩基横向水平位移分别为1.44、2.25、3.57、3.64 m，可见，当开挖步数增加至11步及以上时，继续增加开挖步数对桩基横向水平位移的影响不大。

图2 地铁穿越公路桥梁的桩基横向水平位于与桩身埋深之间的关系

图3为地铁穿越公路桥梁的桩身竖向位移与桩身深度的关系曲线。在未开挖时，地铁穿越公路桥梁的桩顶沉降和桩底沉降分别为16.23、10.92 m，这主要是因为桩侧摩擦阻力和桩端土承载力影响所致[11]；在开挖过程中，土体会发生回弹效应，因此不同开挖步数下的桩顶沉降和桩底沉降有所减小，并在开挖15步时的桩顶沉降和桩底沉降分别达到14.90、10.28 m。在相同的桩身深度下，开挖步数越小则对应的桩身竖向位移变化越小，且都小于未开挖时地铁穿越公路桥梁的桩顶沉降和桩底沉降距离。

图3 地铁穿越公路桥梁的桩身竖向位移与桩身深度的关系曲线

图4为地铁穿越公路桥梁的桩基纵向水平位移与桩身埋深的关系曲线，分别列出了开挖第1步、第4步、第7步、第8步、第11步和第15步时的对应关系。在开挖第1步时，桩基纵向水平位移相对较小，而随着开挖步数从4增加至15步时，桩基纵向水平位移呈现先增加后减小特征，在开挖第8步时的桩基纵向水平位移最大，达到3.22 m。这主要是因为在开挖步数8步及以下时，在注浆压力、桩侧摩擦力等因素下桩基纵向水平位移会呈现逐渐增大的趋势，但是当开挖步数超过8步时，掌子面在施工过程中会慢慢远离桩基，桩体变形减小的同时使得桩基纵向水平位移反而有所减小。

图4 地铁穿越公路桥梁的桩基纵向水平位移与桩身埋深的关系曲线

在实际地铁穿越公路桥梁桩基的盾构施工过程中，盾构推力和注浆压力都是影响施工的重要参数，有必要进行盾构推力和注浆压力对桩基变形的影响行为研究。在进行掌子面推力分析时，设定盾构施工过程中掌子面推力分别为0.2、0.3、0.4、0.5 MPa，注浆压力为0.25 MPa；在进行注浆压力分析时，设定盾构施工过程中掌子面推力分别为0.15、0.25、0.35、0.45 MPa，注浆压力为0.3 MPa。图5为不同掌子面推力的桩体埋深与横向位移的关系曲线，对比分析可知，在不同的掌子面推力下，桩基横向位于与桩体埋深的关系曲线基本重合，这也就说明掌子面推力不会对桩基横向位移造成明显影响[12]。

图5 不同掌子面推力的桩体埋深与横向位移的关系曲线

图6为不同掌子面推力的桩体埋深与纵向位移的关系曲线。当掌子面推力为0.2 MPa时，桩基纵向位移变化幅度较小(最大变形约0.62 mm)，而随着掌子面推力逐渐增大，桩基纵向位移呈现逐渐增大的趋势，在掌子面推力为0.5 MPa时，桩基纵向位移的最大变形可达5.87 mm。在盾构施工过程中，桩基纵向位移始终保持负数，这主要是因为在盾构施工过程中，桩基会朝着开挖方向发生变形的缘故，而掌子面推力的增加会对纵向位移有一定影响，且表现为推力越大则纵向位移越大的特征。

图6 不同掌子面推力的桩体埋深与纵向位移的关系曲线

图7为不同注浆压力的桩体埋深与横向位移的关系曲线。对比分析可知，注浆压力会对桩体埋深-横向位移产生明显影响。当注浆压力分别为0.15、0.25、0.35、0.45 MPa时，桩体最大横向位移分别为2.08、3.66、5.08、6.62 mm，可见，桩体最大横向位移会随着注浆压力增加而逐渐增大，究其原子，这与不同埋深处的变形会随着注浆压力的最大而增加有关，从而使得桩顶位置会出现向外移动的特征。

图7 不同注浆压力的桩体埋深与横向位移的关系曲线

图8为不同注浆压力的桩体埋深与纵向位移的关系曲线。当注浆压力为0.15 MPa时，纵向位移最大处约-2.86 mm，而桩顶也由于在盾构施工中未加约束而发生了-2.17 mm的变形；当注浆压力为0.25 MPa时，桩体的纵向位移最大处约-2.43 mm，桩顶的纵向位移约为-1.32 mm；当注浆压力为0.35 MPa时，桩体的纵向位移最大处约-1.81 mm，桩顶的纵向位移约为-1.27 mm；当注浆压力为0.45 MPa时，桩体的纵向位移最大处约-1.22 mm，桩顶的纵向位移约为-0.78 mm。可见，随着注浆压力从0.15 MPa增加至0.45 MPa，桩体和桩顶的纵向位移都呈现逐渐减小特征，桩体埋深-纵向位移曲线的鼓凸程度逐渐区域平缓。注浆压力对桩体横向位移和纵向位移的影响明显不同，随着注浆压力增加，桩体横向位移逐渐增大而纵向位移逐渐减小。综合不同注浆压力的桩体埋深与横向位移的关系曲线可知，在对地铁穿越公路桥梁桩基进行盾构施工过程中，可以通过调整注浆压力来对桩体变形进行控制，从而最大限度的保证桩体的稳定。