盾构隧道近接铁路桥梁桩基施工影响分析

2022-12-26汪海波杨永庆卢文东罗柯柯徐才厚

北方交通 2022年12期

汪海波，杨永庆，卢文东，罗柯柯，徐才厚

(1.中铁十局集团城市轨道交通工程有限公司广州市 511493；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室成都市 613000)

0 引言

随着城市基础设施建设的发展，地铁施工环境条件也变得复杂多变，尤其是在盾构隧道近接施工既有建筑物时，施工安全显得更加重要。王宏宇[1]依托于数值模拟技术分析了隧道穿越桩基础时桩基沉降变化趋势，为工程安全提供技术验证。刘欢[2]分析盾构隧道下穿施工对高铁桥梁的影响，并对盾构下穿施工对高铁桥梁的风险防护措施进行研究。徐前卫等[3]提出了在靠近桥梁一侧的左线盾构隧道周围采取局部注浆的加固方案和对盾构掘进参数管理的控制措施，确保工程的顺利进行。郭波[4]建立结构-高铁桥墩基础-土体有限元模型，结果表明穿越过程中能够保证结构安全稳定。孙雪兵[5]研究表明盾构隧道的施工会使桩基产生以沉降为主的附加变形，最大沉降发生在桩顶处。既有运营铁路桥梁对扰动变形控制严格，研究盾构施工时对桩基的影响变形具有重要的意义。

依托于成都地铁13号线一期工程穿越成昆铁路货运专线桥工程，采用有限差分软件FLAC3D分析在盾构隧道穿越过程中桩基与地层的位移与应力变化，分析对既有运营铁路的影响。

1 工程地质概况

成都地铁13号线一期工程在掘进过程中交叉穿越成昆铁路货运专线桥。铁路货运专线桥全长1655.70m，为简支梁桥。主跨采用68m系杆拱跨越成龙路，桥台采用双线T形空心桥台，采用摩擦桩基础。1号墩桥桩长35m，桩径1.5m，2号桥墩桩长37m，桩径1.5m，隧道埋深约为11.6m，隧道距离铁路桥桩最小净距为2.86m。图1表示的盾构隧道穿越桥梁基础的平面示意图，图2表示的纵断面相对位置示意图。

图1 隧道与货运专线桥平面相对示意

隧道断面外径8.3m，内径7.5m，衬砌厚度0.4m，管片混凝土强度等级C50，抗渗等级P12，管片采用七分块方案，采用1.5m宽管片，区间管片采用1.5m幅宽，管片采用错缝拼装。

图2 隧道与货运专线桥纵断面示意

2 数值模型的建立

FLAC3D软件的理论基础是有限差分法，其中的连续介质快速拉格朗日法是基于显式差分法来求解偏微分方程的。FLAC3D中提供了许多结构模型，比如在本文中采用Pile单元，该单元除了梁单元的特性，还赋予了与网格的法线方向和剪切方向所发生的交互摩擦作用，适合于模拟法向和轴向都有摩擦作用的桩基础。

2.1 数值模型简介

为减弱模型计算过程中的边界效应，模型的X方向长度150m，Y方向的宽度为60m，左侧Z方向高度为55m，右侧Z方向的高度为50m。围岩变形服从摩尔库伦本构模型，管片、桥梁基础等混凝土结构为弹性本构模型，盾壳采用shell单元模拟。在模型的底部与四周施加法向约束，模型的上表面自由。图3表示的是数值模拟盾构隧道穿越桩基础流程，第一步初始化地应力并清除位移；第二步施加桩单元，计算后位移清零；第三步施加隔离桩，并清除地层位移，最终得到结构相对位置示意图。随后按照实际开挖过程，先开挖右侧桩基础，再开挖左侧桩基础，并在桩基础所在位置处施加壁后注浆加固以保证结构的安全，注浆半径为1m。

图3 数值模型施工过程

2.2 材料参数

表1中表示的是盾构隧道穿越围岩物理参数详细信息。表2中表示的是盾壳、管片、注浆层以及桥梁结构的物理力学参数。

2.3 结构桩单元简介

表1 围岩物理参数表

表2 隧道、桥梁物理参数表

计算采用的是pile单元模拟，通过具有弹簧性能的link单元和周围土层连结，以模拟桩土耦合效应[6]。在桩基础与承台之间需要删除pile单元的原始连接，并将嵌入桩基础部分更改为固接状态。pile单元接触面切向耦合弹簧黏结力cs和切向摩擦角Φs以及切向刚度ks的计算方法为：

cs=fc·c·p

(1)

φs=fφ·φ

(2)

ks=[fc·c+K0γZ·tan(fφ·φ)]·p/s

(3)

式中：fc表示桩土黏着力系数；fφ表示桩土外摩擦角系数；c为土的粘聚力；p为桩的周长；K0为静止侧压力系数；Z为覆土高度。

pile单元接触面法向摩擦角、法向耦合弹簧黏结力以及法向刚度的计算方法为：

(4)

kn=10max[(K+4/3G)/Zmin]

(5)

式中：Kα为主动土压力系数;Kp为被动土压力系数；γ为上覆土加权重度。

3 计算结果分析

3.1 地层竖向位移

在右线隧道施工完成后左线隧道开始施工，在隧道施工完成后，截取在断面上地层在竖向上的位移云图，如图4所示。

图4 隧道施工完成后纵断面沉降云图

从图4中可以看出，在盾构隧道拱顶以上的土体表现为沉降运动，最大沉降量发生在拱顶位置，最大量级为7.4mm；拱底位置则表现为隆起运动，最大的隆起量为1.78cm。地表位置处形成由盾构隧道开挖引起的“W”形状的沉降槽，在盾构隧道穿越正上方沉降量最大，在中夹岩的正上方沉降量相比较小。同时，可以发现“0”位移线距离右线隧道更远，这是因为右线隧道开挖后对周围地层存在初始扰动，在左线隧道再次开挖时，已产生扰动的地层区域更易发生位移变形。

3.2 承台位移分析

图5表示的是在施工完成后桥梁承台在竖向上的位移云图。可以看出桥梁承台在竖向上的最大隆起量为1.53mm，在竖向上的最大沉降量为0.76mm。因为2号桥台位于左右线隧道的两侧，受到隧道开挖的影响最大，在开挖完成后表现为向右侧倾斜的不均匀沉降。

图5 桥梁墩台竖向位移云图(单位：m)

3.3 桩基位移分析

图6展示的是在施工完成后桩基础在X横向上的位移云图。1号墩桩基因为双线盾构隧道的开挖向左侧偏移运动，2号墩台的两侧的桩基础均向中间位置运动，且可以发现右侧的桩基位移变形量更大，3号墩台受到隧道开挖的影响较小，基本无变化。

图6 桩基横向位移云图(单位：m)

为了更加清晰地分析在桩基础在开挖完成后横向位移的变化情况，选择2号墩台第二排横向连续的3根桩基为研究对象，分别提取桩基随埋深的横向位移变化数据，绘制如图7所示。

图7 桩基横向位移随埋深分布曲线

从图7中分析可知，A、B、C桩的横向位移呈现逐渐增加的趋势，这是因为A桩基础位于最左侧，受到右线隧道开挖的影响减小，在左侧隧道开挖完成后，向反向挤压使其横向位移表现在0.5mm附近。C桩的横向位移最大，最大值接近于3.5mm，最大值位于盾构隧道所在平面，C桩因为距离右线隧道最近，且距离左线隧道最远，受到右线隧道的影响最大，因此表现为横向位移最大。

3.4 桩基弯矩分析

图8表示的是在施工完成后2号墩台桩基础Y方向上的弯矩云图。因为右线隧道距离桩基础右侧距离仅为2.86m，位移变形更加明显，在此位置Y方向的弯矩最大。

图8 桩基Y向弯矩云图(单位：Pa)

同样地，为了直观地分析桩基础的弯矩随着埋深的变化情况，提取上述A、B、C桩基础Y方向上的弯矩随着埋深的变化曲线，如图9所示。

从图9中可以看出，在桩顶位置，因为桩基础嵌入承台中，在土体横向位移的作用下，其弯矩表现很大，随着埋深的增加，桩基础的Y向弯矩逐渐减小并反向。在随着埋深增加过程中，经过两次反弯点，在桩基础桩端位置减小为0。其中，桩基础的弯矩在隧道埋深平面表现最大，与横向位移曲线相对应，且A、B、C桩的弯矩呈现依次增大的趋势，A桩表现在100kPa，C桩的弯矩接近900kPa。弯矩的大小反映的是桩基础产生弯曲变形，为了减小C桩的弯矩，在施工过程可采取加强措施。