盾构隧道近接侧穿引起桥梁桩体的变形规律*

王治宇 杨松松 禹鹏飞 李 顺 章定文**

(1.中建八局轨道交通建设有限公司, 210046, 南京; 2.东南大学交通学院, 211189, 南京; 3.道路交通工程国家级实验教学示范中心(东南大学), 211189, 南京∥第一作者, 工程师)

盾构施工导致的地层损失将会引起隧道周围土体产生运动,当盾构隧道侧穿临近桥梁的桩体时,会引起桩体发生一定的竖向变形和水平变形,一般采用两阶段法计算盾构施工对桥梁桩体的影响。两阶段法以Winkler弹性地基梁和荷载传递法为基础,第一阶段采用解析解计算隧道开挖引起的土体自由位移场,并用三次曲线进行拟合;第二阶段基于Winkler地基模型,将盾构隧道施工引起的周围土体竖向位移转化为荷载施加在桩体上,通过弹性地基梁叠加原理,计算单桩由于盾构隧道施工引起的附加位移。文献[1]基于两阶段法研究盾构隧道对桩体的沉降影响。文献[2]基于现场实测数据研究盾构隧道侧穿高铁桥桩施工过程对群桩的影响,研究结果表明,基桩变形最不利位置位于盾构隧道底部以上部位。文献[3]采用数值模拟方法,研究盾构隧道下穿既有高铁桥墩对既有桩体的影响,研究结果表明,采用隔离桩可以有效减少盾构施工的影响。

目前,由盾构隧道施工引起的桩体沉降计算公式可以较为准确地计算出盾构施工对桩体变形的影响,但在盾构侧穿桩体后,桩体周围土体将会产生固结,施加在桩侧的负摩阻力逐渐消失,进而引起桥梁桩体出现一定的回弹。基于施工现场长期的桩体沉降监测结果,将盾构施工对桩体的影响分为两个阶段:第一阶段为盾构隧道施工对桩体沉降的影响;第二阶段为桩周土体固结,桩侧负摩阻力消散,桩端持力层回弹引起的桩体回弹阶段。本文建立了盾构侧穿桩体的数值计算模型,分析了8根桩体的水平变形量及沉降量,分析了盾构施工桩体x向水平变形量的影响因素,最后还对比分析了盾构施工对各桩体实际沉降量的影响。本文研究可为盾构隧道近距离侧穿桥梁桩体的水平变形及沉降控制提供理论参考。

1 工程概况

宁句城际轨道交通工程DS6-TA02杨东盾构区间北起东大街站,沿宁杭南路向南,下穿河滨北路,里程K41+855.85处下穿句容河,双线侧穿绕避句容河桥,沿着宁杭南路继续向南至东句区间盾构井。句容河南门桥的桥桩是直径为1.5 m的钻孔灌注桩,桩长为34 m,桩体埋深为27 m,相邻桩体间距为4.20～5.45 m。盾构隧道左右线与2号桥墩桥桩之间的最短距离分别为4.04 m、4.31 m。左线隧道埋深为9.67 m,右线隧道埋深为9.31 m。盾构隧道全断面位于中等风化粉砂质泥岩中,上部为强风化粉砂质泥岩、含碎石粉质黏土及淤泥质填土等,属于弱微透水层,地表水对本工程影响较小。句容河南门桥桥台群桩与隧道位置关系示意图如图1所示。每个桥台共有8根桩体,2号桥台8根桩体按从左线到右线编号为1～8。盾构区间土层地质条件与衬砌管片参数如表1所示。

表1 盾构区间土层地质条件与衬砌管片参数

图1 句容河南门桥桥台群桩与隧道位置关系示意图

2 数值计算模型及其验证

2.1 数值计算模型

采用数值模拟软件FLAC3D对盾构侧穿桥梁桩体进行模拟,模型尺寸应满足边界条件要求,盾构隧道开挖对周围土体的影响约为3倍的开挖直径。根据上述因素确定的模型尺寸为80 m(长)×25 m(高),盾构开挖深度为24 m(按20环长度计),模型共生成56 432个实体单元,61 537个节点。桩身用实体单元进行模拟,并用接触面单元模拟桩-土间的关系;盾构管片用壳结构单元进行模拟;土体材料变形采用摩尔-库伦弹塑性本构模型;隧道开挖采用空单元来模拟。模型除顶部为自由边界外,其他边界均采用法向约束,注浆压力为0.2 MPa。盾构侧穿桩体模型软件截图如图2所示。数值模拟的土层参数与实际工况保持一致,桩土接触面的基本力学参数为:法向刚度和切向刚度均为2.9×107N/m;内摩擦角为30°;黏聚力为800 kPa。

图2 盾构侧穿桩体模型软件截图

2.2 模型验证

盾构侧穿句容河南门桥现场实测及数值模拟的各桩体沉降对比如图3所示。由图3 a)可知,盾构侧穿桥桩过程中引起桩体的实测最终沉降量为7.0～11.0 mm,其中距离盾构隧道距离较近的1号桩与8号桩的沉降量均大于其余桩体。由图3 b)可知,由数值模拟获得的桩体最终沉降量为4.9～7.3 mm,其沉降特点也是距离隧道较近的1号桩与8号桩的沉降量最大。对比数值模拟结果与现场实测桩体沉降值可知,数值模拟结果与实测桩体沉降值吻合得较好,验证了所提数值计算模型的可靠性及准确性。下文将基于该数值计算模型进行盾构侧穿对桩体水平变形及沉降的影响因素研究。

a) 实测桩体沉降

3 基于数值模拟的桩体水平变形及沉降量分析

3.1 桩体沉降量

左右线盾构隧道施工时,不同桩体埋深下,各桩体的沉降量如图4所示。由图4 a)可知:距离左线盾构隧道最近的1号桩的沉降量最大,为3.3 mm;距离左线盾构隧道最远的8号桩的沉降量仅为1.6 mm;2号桩—8号桩的沉降量显著小于1号桩,这不仅是由于1号桩体距离左线盾构隧道最近,还因为1号桩产生了遮挡效应,减缓了盾构隧道对周围桩体产生的拖拽力。由图4 b)可知:在右线盾构贯通后,1号桩—8号桩的沉降量发生了相应的变化,紧邻右线盾构隧道的8号桩沉降量迅速增加,此时紧邻左线盾构隧道的1号桩的沉降量为3.6 mm,紧邻右线盾构隧道的8号桩的沉降量为3.2 mm。由此可以看出,右线盾构侧穿桩体时,其对距离较远的1号桩也产生了一定的沉降影响,1号桩在右线盾构隧道施工时桩端的沉降增量为0.3 mm,右线盾构隧道施工产生的扰动对距离右线盾构隧道较远的桩体影响较小。

a) 左线隧道施工

3.2 桩体水平变形

左右线盾构隧道施工时,不同桩体埋深下,各桩体的x向水平变形如图5所示。由图5可知:临近左线盾构隧道的1号桩—3号桩的x向水平变形较大,在桩体入土深度5 m位置处的桩体x向水平变形达到最大,1号桩的x向水平变形量仅为2 mm,土体以上部分的桩体x向水平变形量接近于0;右线盾构隧道侧穿后,临近右线盾构隧道的6号桩—8号桩的x向水平变形量逐渐增加,在桩体入土深度20 m以下位置处,桩体的x向水平变形量基本趋于一致。

a) 左线隧道施工

盾构隧道施工时,不同桩体埋深下,各桩体的y向水平变形如图6所示。由图6可知,临近盾构隧道的1号桩和8号桩在y向的水平变形量明显大于其余桩体变形量,8号桩的最大y向水平变形量为1.0 mm,最大y向水平变形点与隧道中轴线埋深相同。

图6 不同桩体埋深下各桩体的y向水平变形

4 盾构施工对桩体x向水平变形的影响因素

由前文分析可知,盾构隧道侧穿桥基对y向水平变形的影响较小。因此,下文将只分析盾构隧道开挖对桩体x向水平变形的影响。

以1号桩为例,研究不同盾构隧道直径下,不同桩体埋深对1号桩x向水平变形的影响,如图7所示。由图7可知,改变盾构隧道直径后,桩体的最大水平变形逐渐增大,且其最大水平位置点也逐渐上移。这是由于增大盾构直径后,其盾构施工的影响范围也相应有所增加,导致桩体的水平变形量相应增加。

图7 不同盾构隧道直径下不同桩体埋深对1号桩x向水平变形的影响

以1号桩为例,研究不同桩体与隧道间距条件下,不同桩体埋深对1号桩x向水平变形的影响,如图8所示。由图8可知,随着桩体与隧道间距的增加,桩体的水平变形量有所减少,但其最大水平位置点没有发生明显的改变,说明桩体与隧道间距对桩体最大水平位移点的影响不大。

注:D为盾构隧道直径。

为了分析盾构隧道开挖对桩体x向水平变形的影响,研究不同隧道埋深条件下桩体的变形特征。数值模拟参数与施工现场的实际参数保持一致。取D=6.48 m,单桩轴线与隧道中心线之间的距离为3 m,地层损失比为1.67%,桩长为34 m,桩体埋深为27 m,桩径为1.5 m。当隧道埋深为1.0D、1.5D、2.0D、2.5D和3.0D时,各桩体的x向水平变形如图9所示。由图9可知,随着隧道埋深的增加,桩体的x向最大水平变形量先增大后逐渐减小。

a) 埋深为1.0D,双线盾构贯通

5 盾构施工对桩体实际沉降量的影响

盾构推进速度约为5～8环/d,不同监测时间下,各桩体实际沉降量对比如图10所示。由图10可知:①左线隧道盾构过程中,1号桩—8号桩的沉降量逐渐增大;盾构掌子面通过桥桩后,所有桩体的累计沉降量达到最大值,靠近左线盾构隧道的1号桩沉降量为7.0 mm,距离左线盾构隧道最远的8号桩沉降量为5.5 mm;盾构通过桥桩后,8根桥桩均出现了回弹现象;在盾构贯通桩体的7～8 d后,桩体的回弹趋于稳定;左线盾构通过后,1号桩的回弹量为3.5 mm,其余桩体的回弹量约为3.0 mm,左线盾构时桩体的回弹速率约为0.375 mm/d。②右线隧道盾构过程中,临近隧道的桩体开始产生沉降;在盾构隧道侧穿桥台过程中,所有桩体的沉降量均达到最大值,1号桩体沉降量从4.0 mm逐渐增加到13.0 mm;盾构通过桥桩后,所有桩体的沉降量稳定在5.0～10.0 mm;在右线盾构通过桥桩的7～8 d后,桩体的回弹量约为2.5～5.0 mm;右线盾构时,桩体的回弹速率约为0.310～0.630 mm/d。

图10 不同监测时间下各桩体实际沉降量对比

对比左右线盾构侧穿桥基的桩体回弹速率可以发现:临近右线隧道的7号桩和8号桩的回弹速率显著大于左线隧道;左线盾构贯通过程中,桥梁桩体的沉降量相对较小,且其桩体回弹量也明显小于右线隧道侧穿后的桩体回弹量。这主要是由于盾构贯通过程中,掌子面附近的土体受到较大的扰动,掌子面附近土体逐渐向刀盘附近移动,导致掌子面附近土体对桩基础产生了负摩阻力。

盾构贯通过程中,桩体的受力示意图如图11所示。盾构影响线以上的土体产生了向下的移动趋势,引起桩体周围土体产生较大的负摩阻力。由于该群桩属于端承摩擦桩体,在桩体荷载增大后,施加在桩尖持力层的荷载也逐渐增大,引起桩端持力层中风化泥岩的变形量逐渐增加。在盾构掌子面通过桥桩后,桩体周围土体逐渐稳定,盾尾间隙土体移动对桩体的影响也逐渐减小,桩体周围土体逐渐固结,这个过程对于桩体来说是一个显著的加载再逐级卸载的过程,施加在桩端的地基反力大于桩体的荷载,桩端持力层在逐级卸荷过程中发生回弹(见图11 b))。左线盾构贯穿过程中,桩体的回弹量为1.8～3.0 mm;右线盾构贯穿过程中,桩体的回弹量为2.5～5.0 mm,这说明重复施工扰动会增加群桩的沉降量。

a) 盾构贯通时

6 结语

本文研究了盾构隧道侧穿桩基础对桥梁群桩桩基础的水平变形与沉降影响,提出了盾构侧穿桥桩对桩体的水平变形影响规律及计算方法,对比分析了盾构施工对各桩体实际沉降量的影响。同时,根据长期的桥桩沉降监测结果可以发现,盾构隧道侧穿会引起端承摩擦桩发生显著的回弹现象。在盾构远离桩体后,桩体周围土体逐渐发生固结,导致施加在桩侧的负摩阻力逐渐消失,这是导致桩体出现回弹现象的主要原因。