周 劍

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

隨著地鐵施工技術(shù)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)掘進(jìn)已成為城市軌道交通建設(shè)的常規(guī)手段，但同時(shí)也會受到既有建筑物和地表環(huán)境條件的影響和制約[1-8]，這就導(dǎo)致部分新建的地鐵線路只能沿立交線路延伸，交錯穿行于立交橋的基礎(chǔ)樁群之間[9]。盾構(gòu)開挖掘進(jìn)必然會引起附近地層受擠壓擾動，導(dǎo)致一定距離內(nèi)的橋梁樁基以及上部結(jié)構(gòu)發(fā)生擠壓損傷[10]。目前，盾構(gòu)施工所導(dǎo)致的城市地表坍塌開裂等安全事故數(shù)量呈顯著上升趨勢[11-15]。因此，研究盾構(gòu)掘進(jìn)引起的土層擠壓損失理論及其對地面沉降和橋梁樁基位移的應(yīng)力變化具有非常重要的工程意義。以下通過公式推導(dǎo)和數(shù)值模擬，研究盾構(gòu)雙線掘進(jìn)施工對地面U形槽和鄰近群樁基礎(chǔ)的沉降影響及控制技術(shù)。

2 工程概況

成都地鐵4號線東三環(huán)站區(qū)間YDK38+640.258～YDK38+791.162段雙線盾構(gòu)隧道下穿鐵路群，分別為成綿樂客運(yùn)專線、動4線、東環(huán)線、動2線、動3線、達(dá)成線、動1線共10股鐵路線。其中，東環(huán)線、成綿樂客運(yùn)專線、動2線、動3線、達(dá)成線均為雙線，其余為單線。雙線盾構(gòu)在橋梁樁基中間和U形槽下部掘進(jìn)，圖1和圖2分別為盾構(gòu)與U形槽和橋梁樁基相對位置關(guān)系的現(xiàn)場示意和設(shè)計(jì)示意。

圖1 實(shí)際示意

圖2 設(shè)計(jì)示意(單位：m)

3 盾構(gòu)掘進(jìn)誘發(fā)土體豎向變形公式推導(dǎo)

3.1 正面推力導(dǎo)致的土體豎向變形

圖3為盾構(gòu)-土體受力模型，土體圓截面內(nèi)的微分面積為rdrdθ。對其進(jìn)行積分，得到圓形在均布荷載作用下，周邊土體中任一點(diǎn)位置引起的豎向位移為

圖3 盾構(gòu)-土體受力模型

(1)

以盾構(gòu)初始工作面位置為基點(diǎn)，x為開挖面與基點(diǎn)在推進(jìn)方向的投影距離；y為開挖面與基點(diǎn)垂直于推進(jìn)方向的水平距離；z為開挖面距地面的豎向距離；P為盾構(gòu)機(jī)的正面推力；D為盾構(gòu)機(jī)的直徑；G為土體剪切彈性模量；h為隧道至地面的距離。

3.2 盾構(gòu)摩擦力引起的土體豎向變形

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中其外殼與土體產(chǎn)生較大摩擦，如圖3所示。取盾構(gòu)表面的微分面積Rdldθ，利用彈性力學(xué)積分，可推導(dǎo)出盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中由摩擦力引起的土體豎向位移為

(2)

式(2)中，

3.3 土體損失引起的豎向變形

將土體損失看作為圓柱體，土體不排水和不可擠壓，沿盾構(gòu)縱向均勻分布，如圖4所示。地面沉降槽體積相當(dāng)于土體損失的體積。因此，土體損失導(dǎo)致的地面沉降計(jì)算公式為

圖4 土體豎向變形

(3)

式(3)中，y為開挖面與基點(diǎn)在推進(jìn)方向的投影距離；x為開挖面與基點(diǎn)垂直于推進(jìn)方向的水平距離；當(dāng)z=0時(shí)，可擬合得到非等量橢圓形的豎向土體荷載移動的平面土體損失V1為

(4)

考慮到橢圓形不同等量的徑向土體位移狀態(tài)，土體損失引起的地面沉降可表示為

(5)

將盾構(gòu)機(jī)正面擠推力、盾構(gòu)機(jī)與周邊土體摩擦以及掘進(jìn)過程中土體損失等導(dǎo)致周邊豎向土體變形的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加，可得到盾構(gòu)在掘進(jìn)施工過程中引起的豎向變形公式為

w=w1+w2+Sz=0

(6)

4 模型建立

結(jié)合成都4號線雙線盾構(gòu)隧道穿越工程實(shí)際情況，建立盾構(gòu)-U形槽-橋墩的地層-盾構(gòu)三維實(shí)體模型，采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。

4.1 整體模型

計(jì)算模型范圍為：模型底部(Z向)距隧道中心43 m，左右兩側(cè)(X向)距雙線盾構(gòu)中線50 m，上部(Z向)為地表，考慮隧道施工過程對樁基的動態(tài)影響，模型縱向(Y向)取45 m。

采用的周圍約束條件為：底面(Z=-43)，限制在Z方向位移變形；側(cè)面(X=-50和X=50)，限制其X方向土體位移變形；平面(Y=0和Y=45)，限制其Y方向土體位移變形；表面(Z=32)為地面，表示自由邊界；在橋墩表面(Z=40)施加豎直向下的應(yīng)力(-9.296 MPa)，模擬鐵路橋梁上部結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的荷載組合及部分橋墩的自重。計(jì)算模型如圖5和圖6所示，開挖過程如圖7所示。

圖5 計(jì)算模型整體示意

圖6 各種結(jié)構(gòu)相對位置示意

圖7 開挖過程

4.2 計(jì)算模型參數(shù)的選取

本次地層結(jié)構(gòu)模型中主要考慮到橋墩、土層、盾構(gòu)管片、U形槽、承臺和同步注漿層等，各土層和結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)如表1～表2所示。

表1 各土層模型參數(shù)的選取

地質(zhì)勘察報(bào)告中只給出了雜填土和全風(fēng)化泥巖土體側(cè)限條件下的壓縮模量Es，但在實(shí)際模擬計(jì)算中，需采用巖土材料的彈性模量E0。因此，采用土力學(xué)理論換算公式(7)來計(jì)算土體材料的彈性模量E0

有

(7)

表2 各結(jié)構(gòu)模型參數(shù)的選取

盾構(gòu)管片參數(shù)取值時(shí)，考慮到隧道襯砌由管片與管片之間通過螺栓剛性連接，有限元模擬時(shí)將其考慮成連續(xù)體，剛度折減系數(shù)可取0.8。

4.3 雙線盾構(gòu)隧道開挖對地面U形槽的影響

(1)盾構(gòu)隧道開挖周邊土體豎向位移分析

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中，不可避免地會造成周圍地層的擾動，開挖、周圍的圍巖松動擠壓和孔隙水壓力消散產(chǎn)生土體體積損失，引起地層位移和地表沉降。

隧道的豎向位移云圖如圖8所示，從圖8可以看到，隧道上方土體向下運(yùn)動，最大向下位移量為4.7 mm。

圖8 隧道豎向位移云圖

(2)盾構(gòu)隧道開挖地表沉降分析

選取距橋墩3 m的橫截面為研究對象，地表沉降云圖和橫向沉降曲線如圖9和圖10所示，從圖10中可以看出，該沉降曲線成“W形槽”狀，隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)開挖，地表沉降逐漸增大。盾構(gòu)開挖曲線正上方的地表沉降最大，開挖曲線正上方兩邊沉降逐漸減小，左線盾構(gòu)領(lǐng)先右線盾構(gòu)3 m。因此，地表最大沉降值發(fā)生在左線隧道拱頂附近；隨著右線隧道的開挖，地表最大沉降值發(fā)生的位置不斷向右線拱頂附近移動，當(dāng)左、右線隧道臨近貫通時(shí)(即隧道開挖面距研究橫斷面33 m時(shí))，地表沉降值幾乎不再發(fā)生變化。數(shù)值模擬得到其地表最大豎向位移為14 mm，公式計(jì)算得到其最大沉降為25 mm。由于數(shù)值模擬考慮因素較少，其地表沉降小于公式計(jì)算沉降，但其變化趨勢一致。

圖9 地表沉降云圖

圖10 盾構(gòu)掘進(jìn)開挖引起的地表變形沉降

4.4 雙線盾構(gòu)隧道開挖對鄰近群樁的影響

由于樁基礎(chǔ)、樁承臺和土的相互作用，群樁的工作形態(tài)較為復(fù)雜，會形成群樁效應(yīng)。群樁的沉降明顯大于單樁的沉降，隨道開挖對附近群樁工作性能的影響與樁基在外荷載作用下的工作性能有所不同。隧道開挖前，土體在長期的固結(jié)狀態(tài)以及外荷載作用下，橋梁群樁處在一個相對平衡狀態(tài)；隧道開挖時(shí)，地層損失造成樁基周圍土體的移動，進(jìn)而引起樁基產(chǎn)生附加內(nèi)力變化和變形，使得樁基產(chǎn)生向下的拖拽力，嚴(yán)重時(shí)將會引起樁基的不均勻沉降，對上部橋梁結(jié)構(gòu)的安全造成威脅。

以下對雙線盾構(gòu)隧道鄰近動2線、動3線鐵路施工最近的樁基開展數(shù)值模擬計(jì)算，分析樁的水平與豎向位移。

(1)群樁水平位移

盾構(gòu)隧道動態(tài)開挖時(shí)，距離盾構(gòu)較近的前排樁基水平方向受到一定程度擠壓而發(fā)生水平位移和內(nèi)力變化。成都地表下砂卵石分布較多，由于砂卵石具有擠壓蠕動減震效果，因此群樁水平位移很小，其水平位移云圖如圖11所示。

圖11 盾構(gòu)隧道開挖橋墩水平位移云圖

(2)群樁豎向位移

盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)到群樁附近時(shí)，在同一個群樁承臺下，前、后排樁基的豎向沉降分布形態(tài)和形式較為相似，但因?yàn)榍芭艠队懈糸_和阻擋作用，后排的樁基豎向沉降值明顯小于前排。取離盾構(gòu)正向掘進(jìn)最近的樁基進(jìn)行研究，隨著盾構(gòu)不斷掘進(jìn)，最近的樁基開始沉降，前期沉降較為明顯，尤其是盾構(gòu)正好經(jīng)過樁基時(shí)，沉降急劇增大。隨后樁基沉降趨于平穩(wěn)。當(dāng)盾構(gòu)距離樁基30 m左右時(shí)，其數(shù)值模擬沉降值約為13 mm，公式計(jì)算沉降值約為21 mm。盾構(gòu)隧道開挖墩樁基豎向位移云圖和盾構(gòu)隧道開挖周邊樁基豎向位移如圖12和圖13所示。

圖12 盾構(gòu)隧道開挖墩樁基豎向位移云圖

圖13 盾構(gòu)掘進(jìn)開挖周邊樁基豎向變形位移

5 控制技術(shù)

結(jié)合以往研究經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際工程狀況，在盾構(gòu)隧道鄰近橋梁樁基施工控制方面，常用的加固措施主要從隧道空間與橋梁樁基之間位置(包括縱向和橫向)、隧道施工工法效應(yīng)對橋梁樁基周邊土的擠壓擾動、盾構(gòu)隧道和橋梁樁基之間的土體作用力以及隧道周邊土體和樁基周邊土體的加固等方面考慮，以此來保護(hù)鄰近橋梁樁基在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)時(shí)的穩(wěn)定與安全。采取的主要沉降控制措施為在隧道與樁基之間設(shè)置隔斷(即在隧道與樁基之間采用地表注漿的方法加強(qiáng)地層結(jié)構(gòu))，并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

采用在隧道與樁之間進(jìn)行地表注漿的方法來減小盾構(gòu)施工對橋梁樁基的影響，其實(shí)質(zhì)是對巖土體的充填與加固、膠結(jié)、增強(qiáng)，注漿對巖土的加固效果主要表現(xiàn)在巖土體黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值的提高。因此，在數(shù)值模擬分析時(shí)，鑒于加固區(qū)位于中風(fēng)化泥巖中，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，可將加固區(qū)材料的黏聚力c值、內(nèi)摩擦角φ和彈性模量E值均提高20%。

圖14 在隧道與樁之間設(shè)置隔斷示意(單位：m)

如圖14所示，在距承臺1 m靠近隧道側(cè)進(jìn)行地表注漿，加固區(qū)頂部距地表17 m，加固區(qū)尺寸為：厚3 m(X向)，高19 m(Z向)，縱向22 m(Y向)。根據(jù)上述加固措施，在FLAC3D軟件中建立如圖15所示的加固區(qū)，來模擬在隧道與樁之間設(shè)置隔斷時(shí)，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工對附近樁基產(chǎn)生的沉降影響。注漿加固后，靠近隧道一側(cè)的橋墩樁基沉降降低了約58%；最大沉降值由13 mm(未注漿加固)減少到2.4 mm(采用注漿加固)，效果較為顯著。

圖15 在FLAC3D中模擬隧道與樁之間隔斷的示意

6 結(jié)論與建議

(1)通過建立盾構(gòu)-土體受力力學(xué)模型，得到盾構(gòu)在掘進(jìn)施工過程中引起地面豎向變形的計(jì)算公式，其變形主要由盾構(gòu)正面推力、盾構(gòu)機(jī)與周圍土體之間的摩擦力等引起。

(2)盾構(gòu)掘進(jìn)軸線方向的上方地表沉降最大，兩邊沉降逐漸減小，其對稱性使得雙向盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)地面U形槽沉降呈現(xiàn)“W”形。

(3)數(shù)值模擬得到其地表最大豎向位移為14 mm，公式計(jì)算得到其最大沉降為25 mm。其數(shù)值相差大的原因是數(shù)值計(jì)算考慮因素較公式計(jì)算少，但總趨勢較為一致。

(4)可采用注漿的方法來減小盾構(gòu)施工對樁基的影響。注漿后，鄰近隧道施工側(cè)的樁基沉降降低了約58%；最大沉降值由13 mm(未注漿加固)減少到2.4 mm(采用注漿加固)，效果較為顯著。

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