盾构隧道近侧穿复建桥桩基扰动分析★

张文涛，赵红领，王瑞强，常友光，周威狄

(1.杭州市地铁集团有限责任公司,浙江 杭州 310018;2.中建八局第三建设有限公司,江苏 南京 200000; 3.浙江工业大学土木工程学院,浙江 杭州 310014)

0 引言

国内外专家对盾构隧道开挖扰动桩基作了大量研究。汪鹏程等[1]运用三维数值分析方法分析了盾构掘进过程中桩基的变形规律。李早等[2]利用传统的力学与位移计算手段对隧道开挖过程中群桩的竖向位移和力学效应进行了分析。王丽等[3]利用有限元软件ABAQUS对天津地铁1号线盾构施工过程中桩身位移和沉降进行分析。王运涛等[4]采用Midas GTS NX软件对杭州市轨道交通七号线吴山广场站—江城路站盾构穿桥梁桩基进行施工模拟,并分析桩基位移规律。韩进宝等[5]建立了临近桩基受开挖影响的位移控制(DCM)三维有限元分析模型并用实验验证了模型的有效性。闫富有等[6]采用离心模型实验及反演分析方法预测了隧道施工对邻近桩基的影响规律。刘子龙[7]采用数值方法和FLAC3D软件对桩基偏位和桩内力进行了高仿真度计算分析,研究了群桩间距、桩径等参数的影响效应。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

智果桥建于2000年,为3×20 m的简支空心板桥,桥面宽B=17.5 m。桥梁下部结构为:重力式桥台、柱式桥墩、钻孔灌注桩基础。现状桥梁横断面尺寸:2.0 m非机动车道+6.5 m机动车道+0.5 m 路中线+6.5 m机动车道+2.0 m 非机动车道=17.5 m。因旧桥桩基位于区间隧道位置,需拆除后重建。新建桥梁为3×25 m简支空心板桥,重力式桥台,桩柱式桥墩,钻孔灌注桩基础,桩基避开了区间隧道。

1.2 隧道概况

嘉善至西塘铁路SG2标段,盾构区间桩号DK28+895.145—DK25+886,区间隧道左右线长均为3 006.75 m,最小净间距7.54 m。旧智果桥位于木业大道,桥长60 m,桥梁起始桩号K0+197.98,中心桩号K0+230,桥梁终点桩号K0+262.02。其桩基影响盾构区间,需拆除后重建。区间隧道下穿该桥始自DK28+400.00,复建智果桥1号、2号桩长为30.6 m,桩底标高为-33.0 m。

隧道上覆盖土厚度约为14.8 m,主要有杂填土、淤泥质黏土、黏土、粉质黏土及砂质黏土。左右隧道净距9.5 m,埋深约19.05 m。区间隧道开挖为泥水平衡法,刀盘D=8.5 m,管片厚度t=0.4 m,隧道与复建智果桥桩基的最小净距ΔL=1.6 m。承台厚度为1 m,桩基直径为1.3 m,钻孔桩长L=30.6 m,复建智果桥桩基与隧道平面位置关系见图1,自北向南,自西向东依次编号1号,2号,…,16号桩基。

桥梁与桩基的空间位置关系见图2。

2 盾构隧道施工模拟

2.1 数值模拟

采用Midas GTS NX 软件建立数值模型,见图2,模型计算范围:X×Y×Z=125 m×98 m×50 m,区间隧道直径R=8.5 m,管片厚度t=0.4 m,运用命令生成智果桥桩基实体,并设置界面单元保证桩基和周围土体的耦合。

首先需要通过软件Midas GTS NX建立隧道与桥梁复合模型,并将复建后智果桥的结构自重荷载以及车辆荷载转化为等效荷载,将等效后的荷载以均布的形式施加在承台上表面[8]。三维数值模型网格数122 843,节点数734 758。三维建模网格划分效果图如图3所示。

2.2 计算参数

对复建智果桥—盾构区间隧道段进行模拟,该段工程地质条件复杂,该区间段地层分为8层,在工程现场取土样进行室内试验,测定其各地层物理力学参数见表1,工程位置横剖面及地层分布见图4。盾构机盾壳所用的钢材、管片、混凝土、注浆后的复合地层等物理力学参数见表2。计算采用摩尔库仑强度准则,将盾壳视作各向同性的弹性材料,将混凝土桩基和管片材质视作各向同性的理想弹塑性材料。

表1 地层参数

表2 材料参数

2.3 施工荷载及边界条件

盾构机复合式刀盘推力F=1.2×103kN,管片安装过程中,盾构机顶推机构对管片施加推力,其大小F1=100 kN。管片周围土体采用化学灌浆加固,施加在管片上的注浆压力F2=150 kN。数值模型边界条件:约束模型前后、左右的法向位移均为零。模型底面的X,Y,Z三向固定,上顶面为自由面。桩基与土体界面符合变形协调原理,同时,桩基顶部不能发生转动。

2.4 盾构掘进过程模拟

模拟嘉善地铁隧道实际开挖过程,每一个开挖步的长度与一环管片的宽度1.2 m相同。实际模拟流程如下:

激活盾壳,钝化混凝土体的开挖区,钝化注浆区单元→激活刀盘推力、启动管片单元→启动注浆材料区单元,把注浆区土体属性换为复合材料→重新激活管片安装时的千斤顶推力。

3 数值计算结果分析

3.1 地表沉降分析

左线隧道模拟开挖至第21步时,盾构机刀盘距离桩基最近,最小净距为δ=1.6 m,挖至第105步时,左线开挖完成。右线隧道开挖至第126步时刀盘距离桩基最小距离δ=1.6 m,挖至210步,右线隧道盾构开挖结束。左线隧洞拱顶产生最大沉降,其值为12.8 mm;右线隧洞拱顶产生最大沉降值11.5 mm。最大位移云图见图5,图6。

当左线隧道开挖完成后,x=25 m监测断面的监测点最大沉降值为Δmax=8.8 mm。当右线隧道开挖后,该沉降曲线明显右移。左右线隧道开挖完成后,测点产生的最大地表沉降值为Δmax=9.4 mm,如图7所示。

3.2 桩基偏位分析

左线隧道开挖后,1号桩发生明显偏位,如图8所示。桩顶偏向左线隧道方向,桩底偏移方向与桩顶偏移方向相反,桩顶位移为-2.42 mm,桩底位移为1.6 mm。右线隧道开挖完成后,1号桩倾斜增大,左右隧道的开挖对桩基的影响产生了叠加效应,桩顶位移达到-3.05 mm,桩底位移达到2.1 mm。2号桩偏位见图9,2号桩偏向左线隧道,左线开挖时桩顶位移为4.2 mm,桩底位移为-2.8 mm。双线贯通后,桩基倾斜减小,桩顶位移为3.2 mm,桩底位移为-1.8 mm。

4 结论

采用有限元数值仿真软件Midas GTS NX,对盾构隧道的近侧穿复建智果桥桩基偏移规律进行了数值模拟分析,结论如下:

1)区间隧道开挖,盾构机刀盘推进全过程,智果桥桩基发生偏位,桩底偏离区间隧道,而桩顶与桩底偏移方向相反。2)双隧道中间桩,单侧开挖完成后桥梁桩基产生较大的偏移,而双线隧道贯通后偏移减小。3)左线隧道掘进过程中,地表沉降最大值出现在盾构隧道轴线正上方;右线隧道开挖诱发地表最大沉降位置向右偏移,双线隧道贯通后,地表沉降最大值位于双线隧道中线正上方。