隔离桩对双线盾构侧穿既有桩基的变形及应力控制分析

2023-06-29肖建锌

四川建筑 2023年2期

地铁盾构掘进会引起相应区域内地应力的改变，盾构近距离侧穿桩基，将使桩基发生变形，并产生一定的附加应力，对桩基的结构安全造成不利影响。采用有限元数值模拟分析了隔离桩对地铁盾构下既有桩基变形及应力的控制效果。计算结果表明：地铁盾构将引起隧道顶部地表发生沉降，而隧道两侧地表将发生隆起，地表竖向变形在掘进方向上呈“W”型分布；隔离桩可以有效的控制桩基的横向变形，掘进过程中，桩基最大横向位移由最初的5 mm降低到了0.5 mm，降幅90%；同时隔离桩的设置也改善了桩基的受力，当掘进行进至27 m时，桩基轴向应力由958.4 kPa减小至773.9 kPa，最大正弯矩值由113.5 kN·m减小到58.8 kN·m，最大负弯矩值由-105.3 kN·m减小到-69.6 kN·m。

盾构；隔离桩；桩基；位移；应力；有限元

U455.43 A

［定稿日期］2021-10-19

［作者简介］肖建锌（1990—），男，本科，工程师，从事建筑施工及房地产开发管理工作。

由于城市交通发展的需要，地铁线路不可避免会与既有地下建筑物发展交叉、重叠。地铁盾构施工会对周围土体造成扰动，引發临近土体或岩体发生一定大小的变形，并造成区域内的地应力重分布［1-3］。为避免盾构对临近既有桩基结构的安全造成较大影响，一般情况下可使用桩基脱换对既有建筑结构进行处理［4-5］，或采用注浆法［6-7］对盾构周围土体进行加固补强，减小盾构掘进过程中桩基的变形。但桩基托换法技术性较强，施工组织繁琐；而在软弱地质条件下，注浆法的加固效果又不能得到有效保证。在桩基与盾构区域之间设置隔离桩，降低盾构开挖对桩基周围土体的影响，可以快速有效地达到对桩基进行变形和应力控制的效果［8］。

目前，针对隔离桩的研究主要集中在数值模拟、现场监测方面。史渊等［9］通过FLAC3D软件建立了双线盾构近距离侧穿高铁桥梁桩基的数值模型，计算发现设置隔离桩可大幅减少双线隧道开挖对桥桩所造成的叠加效应的影响；赵晓勇等［10］对隔离桩设置范围、位置和深度等进行了对比计算分析，得出隔离桩的最优布置间距及埋深；冯国辉等［11］将Winkler地基模型及Pasternak地基模型的计算结果与已有工程监测数据进行对比验证后发现，随着隔离桩桩径的增大，高铁桩基水平位移显著减小。为使计算更加贴合实际情况，本文采用有限元法，模拟了盾构掘进中盾壳、管片拼装及注浆过程，更加真实地反映了隔离桩的控制效果。

1 计算原理及模型建立

1.1 接触面计算原理

桩土之间的相互作用采用切向和法向弹簧来模拟，在线弹性假定下，应力与应变的关系成正比，可以用式（1）～式（4）表示［12］：

{σ}=［K］{ω}（1）

其中：

{σ}=σnτs1τs2

（2）

［K］=kn00

0ks10

00ks2（3）

{ω}=dudυ1dv2（4）

式中：σn、τs1、τs2分别为接触面上的法向应力及2个方向的切向应力；du、dv1、dv2分别为接触面间产生的法向位移及2个方向的切向位移；kn、ks1、ks2分别为接触面法向刚度系数及2个方向的切向刚度系数。

接触面采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型的破坏准则［13］，可用式（5）表示：

σ1-σ32=σ1+σ32sinφ+ccosφ（5）

式中：σ1为最大主应力；σ3为最小主应力； c为土体的粘聚力；φ为土体的内摩擦角。

1.2 桩基接触面及桩端单元的设置

接触面参数主要包括法向刚度、切向刚度，具体取值如表1所示。相应的计算公式见式（6）～式（9）：

kn=Eoedtv（6）

kt=Gitv（7）

Gi=R×Gsoil（8）

Eoed=2Gi（1-υi）1-2υi（9）

式中：kn为法向刚度；kt为切向刚度；tv为界面厚度；R为强度折减系数，取0.7；Eoed为接触面弹性模量；Gi为接触面剪切模量。

桩端参数包括最终剪力、桩端承载力及桩端弹簧刚度，根据相关工程经验，具体参数取值如表1所示。

1.3 有限元物理力学计算模型及参数

将隔离桩等效为1 m厚度的地下连续墙，地层、桥墩、注浆层、地下连续墙结构使用三维实体网格，地层材料破坏准则选取M-C本构模型；盾构管片、盾壳使用二维板单元网格，桩基础使用一维杆单元网格，直径1 m，注浆层、桥墩、地下连续墙及板单元、杆单元采用线弹性破坏准则。盾构管片厚度为0.3 m，盾壳厚度为0.06 m，沿盾构掘进方向，管片、盾壳长度取1.5 m。采用双向同时掘进，盾机一次掘进3 m，即2个管片长度，注浆压力设置为120 kN/m2。材料物理力学参数如表2所示，盾构区域与桩基础空间位置如图1所示，网格模型如图2所示。

2 计算结果分析

2.1 地表竖向变形分析

掘进27 m后，地表监测断面竖向位移如图3所示。从图中可以看出，地表监测断面竖向位移呈“W”型分布。由于土体的开挖导致地层产生卸荷作用，在盾构区域内（x=26，x=52）地表发生较大沉降，最大沉降量为2.2 mm；在盾构区间临近区域内，特别是盾构左、右线两侧及中间的土体，在盾构掘进压力的作用下发生挤压，沉降量相对较小。

图4为地表监测点竖向变形随盾构掘进的时程变化曲线。从图中可以看出，盾构初期，由于地层土体开挖产生的卸荷作用，地表沉降不断加剧，当盾构至24 m处时，沉降达到最大值6 mm，随着后期管片的安装及注浆压力的施加，土颗粒间的挤压不断加大，地表位移方向发生改变，甚至出现了隆起现象，最大隆起值为4 mm。

2.2 桩基横向变形控制分析

图5为掘进27 m处时桩基的横向变形。从图中可以看出，桩身最大横向变形发生在桩基埋深14 m的位置，即盾构隧道所在高程，桩身最大横向变形为4 mm，桩身相对变形最大值为5 mm。在隔离桩施加后，桩基周围土颗粒间的相互作用路径被阻断，桩身所受影响大大减小，桩身相对变形量减小为0.4 mm。图6为桩基14 m埋深处监测点的横向变形随盾构掘进的变化曲线。从图6可以看出，桩基横向位移随着盾构掘进先增加后减小，在盾构掘进18 m时达到最大值，随着管片的拼接和注浆压力的作用，桩基横向位移逐渐减小直至稳定在1.1 mm左右。隔离桩桩施加后，桩基的横向位移大为减小，最大值为0.5 mm，最大横向位移减小了90%。

2.3 桩基应力控制分析

当掘进行进至27 m时，桩身轴力分布如图7所示。从图7可以看出，施加隔离桩前，桩身轴向应力最大值出现在埋深6 m的位置，值为958.4 kPa；施加隔离桩后，桩基周围土体施加在桩身表面的侧向摩阻力减小，桩身轴向应力有所降低，最大值为773.9 kN。桩身弯矩分布如图8所示，从图8可以看出，桩身最大负弯矩出现在埋深6 m位置处，值为-105.3 kN·m。桩身最大正弯矩出现在埋深14 m的位置处，其值为113.5 kN·m。施加隔离桩后，桩身最大负弯矩和最大正弯矩的值分别减小为-69.6 kN·m、58.8 kN·m。由此可以看出，隔离桩可以有效改善桩基的受力情况。

3 结论

本文通过采用有限元数值模拟，分析了隔离桩对盾构掘进中的既有桩基的变形和应力控制效果，得出结论：

（1）盾构掘进过程中，前期由于开挖造成土颗粒的损失，会产生地层的卸荷作用，地表发生较大沉降，后期在管片拼接及注浆压力等作用下，地表会产生隆起现象。

（2）隔离桩可以阻断土颗粒间的相互作用，减小桩基的横向变形。施加隔离桩后，桩基最大相对横向位移由5 mm减小至0.5 mm。同时，隔离桩的施加也有效的改善了桩基的受力条件，桩基的轴力和弯矩均呈现不同程度的降低。

参考文献

［1］姚爱军，郭彦非，郭海峰，等.盾构隧道邻域基坑施工下桩隔离效果研究［J］.地下空间与工程学报，2019，15（4）：1212-1224.

［2］陈发东.盾构隧道施工对临近桥梁桩基及周围土体影响的模拟研究［J］.中外公路，2018，38（6）：177-181.

［3］杨世东，唐艳丽，刘庆方，等.基坑开挖施工对超近距离下卧既有盾构隧道的保护技术研究［J］.隧道建设（中英文），2017，37（S2）：35-46.

［4］苏明，尹志清.盾构下穿高架桥桩基托换和切削施工技术［J］.城市轨道交通研究，2020，23（9）：175-179.

［5］陳子全，汪波，吴迪，等.盾构隧道穿越桥梁桩基群的桩基托换技术研究［J］.现代隧道技术，2019，56（5）：133-141.

［6］杨龙，徐海清，李长冬，等.武汉软土地区盾构施工地面沉降与注浆加固研究［J］.人民长江，2021，52（3）：131-136.

［7］王建伟.砂卵石地层盾构侧穿高架桥桩基的施工控制技术［J］.城市轨道交通研究，2021，24（3）：124-128.