周國志

(蘇交科集團股份有限公司新疆分院 烏魯木齊市 830000)

0 引言

作為公路交通中重要連接載體，橋梁是不可或缺的工程設施，而橋梁的安全穩(wěn)定性與橋樁息息相關，當橋樁下方受到其他施工影響擾動時，均會在一定程度上影響橋樁承載能力[1-3]。一些城市在大力發(fā)展地鐵軌道交通時，盾構是其中快速而安全的施工手段，但當面臨橋樁施工環(huán)境時，盾構施工穿越橋樁對其穩(wěn)定性影響不可忽視[4-5]。已有一些工程師或學者通過巖土體理論公式或施工技術參數指標研究盾構穿越橋樁時，對樁間土擾動影響，極大豐富了橋梁樁基礎受施工擾動影響研究[6-7]。但也有一些學者通過有限元數值軟件，建立工程模型，分析各種復雜工況下橋樁受擾動的影響規(guī)律[8-10]，為工程施工提供重要理論參考。為此，借助FLAC有限元軟件，根據工程資料，模擬不同穿越工況下不同橋梁結構時橋樁受擾動影響變形特征。

1 工程概況

某橋梁設計為城市快速公交的三環(huán)外環(huán)城公路連接架構體，是城市BRT公交的實現載體，研究區(qū)段內橋梁長度約為1.2km，設計橋面寬度7.5m，設計橋面行車速度不超過80km/h，但由于該橋梁設計時還并未確定采用簡支梁或連續(xù)梁，即橋梁結構形式還處于討論環(huán)節(jié)，但由于橋梁下方正進行地鐵盾構施工，因而其對橋梁樁基影響不可忽視，且由于橋梁結構形式設計差異性，一定程度會對橋梁樁基穩(wěn)定性產生較大影響。該橋梁設計耐久性為Ⅱ級，盾構施工隧道面直徑約為5.8m，盾構施工掘進速率8m/d，盾構管片厚度為30cm，樁隧間距為15m，通過在中間層注漿加固土層穩(wěn)定性。盾構施工斷面鋪設有土工隔膜作為止水設施，施工過程中已搭建好橋梁樁基如圖1所示，本文將針對于盾構施工過程中橋梁樁基安全性進行研究分析。

根據地質勘察資料得知，橋梁所在區(qū)域表面土層主要為人工填土，厚度約有3.6m，土體主要為粘性土與細砂土體，密實性較差，析水性較強；另在填土下層中還含有第四系的沉積土層，主要為淤泥質土、砂土層以及礫石土交織錯雜，其中淤泥質土含水量達44%，礫石土所含顆粒粒徑均超過3mm，級配不良，盾構施工所在土層中主要面臨的即是該土層中砂土層，該層土體占比較大，最厚處達6.4m，可塑性較強，已產生流砂現象，對盾構掘進施工帶來影響。基巖層為花崗巖體，中風化作用，根據現場取樣得知，該基巖層穩(wěn)定性較好，取樣表面磨圓度較好，肉眼不可見孔隙分布，室內土工試驗確定該基巖層可作為橋梁樁基重要載體，即使工程研究區(qū)域內地下水位較高，但花崗巖圖受滲透破壞影響較弱。

2 計算理論與建模

2.1 計算理論

本工程考慮采用FLAC 3D有限元數值軟件作為求解基礎，FLAC求解時將所建模型進行網格單元化后，對每一個網格認為是其中一個質點，而每個質點運動與變形服從以下式：

(1)

(2)

上述所計算出來的即為各質點的應變與運動速率參數，另FLAC中還有運動平衡方程，其可表述為

(3)

式(1)～式(3)中，ρ指密度參數；vi指運動速度值。

運動方程與靜力學方程聯立可得到靜力平衡方程，可針對于質點應力進行求解，其靜力平衡方程為

(4)

式中，σij指應力值；bi指體力。

其中每個材料質點又有自身本構方程，以M-C模型本構方程為巖土體應力應變性質，該模型方程以下式可表述為

Δ[σ]=[E]Δ[ε]

(5)

式中，[E]指剛度矩陣。

應力增量在彈性變形中可表述為

(6)

式中，α1、α2與材料模量參數有關。

在求解應力變形特征參數時利用有限差分迭代逼近最優(yōu)解，其中差分服從高斯積分，有

(7)

式中，[n]指法向矢量矩陣

針對正交原理與線性速度迭代逼近原則，有

(8)

在獲得應力應變等特征參數條件下，針對性分析材料安全穩(wěn)定性。根據工程實際情況，考慮土體應力分布均勻，且影響荷載僅考慮自重應力，隧道襯砌結構形式考慮為混凝土抹面剛體模型，各個管片之間的連接考慮為無摩擦界面，巖土體材料強度準則均服從M-C屈服準則，相關材料參數以土工試驗報告為依據。樁基與土層之間接觸界面不僅有摩擦力，亦與土體材料剛度性質有關，且樁基穿越土層性質差異較大，因而樁間土接觸關系統一以FLAC 3D推薦模型表述，如下式所述：

(9)

式中，K、G指模量；ΔZmin指接觸面上最小單元體尺寸。

2.2 建模

由于不同研究工況下建?；绢愃?，按照工程實際資料在FLAC 3D中創(chuàng)建數值模型，工程設計幾何剖面與橋樁編號如圖2所示，以盾構施工穿越簡支梁橋設計形式為例，研究考慮盾構側面穿越橋樁上部、中部、下部不同形式以及下穿橋樁四種工況。圖3為盾構側面穿越橋樁基礎中部工況下所建數值模型，并已劃分好網格單元，樁基與盾構隧道之間的空間位置關系如圖4(a)所示，樁間土界面間接觸關系如圖4(b)所示。設定X、Y、Z向分別為橋樁的水平向、縱向及豎向位移。另為分析方便，按照盾構隧道掘進方向及橋樁分布在盾構隧道兩側形式，以左側(前排左側、后排左側)、右側(前排右側、后排右側)區(qū)分橋樁位置。另在連續(xù)橋結構中，根據距離隧道遠近又分為遠端(前排左側、后排左側)、近端(前排左側、后排左側)、遠端(前排右側、后排右側)、近端(前排右側、后排右側)。

3 數值試驗結果分析

3.1 簡支梁橋結構形式

根據盾構施工不同側穿越簡支梁結構形式，獲得了橋樁位移云圖，限于篇幅，本文列出工況一側穿越橋樁上部位移云圖，如圖5所示。從側穿越形式來看，橋樁受盾構擾動影響，呈左側橋樁X向位移高于右側，且左側橋樁位移由頂部增大至底部，而右側與之相反，最大位移出現在左側1#、2#橋樁上，達2.847mm，兩側位移分布具有對稱性分布；左右兩側橋樁Y向位移分布基本一致，橋樁頂端局部Y向位移較大，達到4.267mm，分析是由于盾構側穿越橋樁上部影響Y向位移分布；從沉降云圖來看，最大沉降仍然在左側4#橋樁，最大沉降達3.389mm，且側穿越中最大沉降均出現在左側橋樁。

為準確對比側穿越橋樁不同形式工況下樁基變形特性，以其中左右兩側2#、6#橋樁作為特征樁，分別對比不同工況下橋樁變形特性，獲得如圖6所示結果。從圖中可看出，X向位移中，除工況四以外，側穿越各工況中兩側橋樁位移分布互為對稱，量值上亦是側穿越形式橋樁位移值更大，其中下穿越工況四中2#橋樁最大位移為0.1mm，僅為側穿越橋樁上部工況一的3.5%，側穿越工況中又以工況一位移值最大，工況二僅為其的87.6%、23.7%。Y向位移中各工況下左右兩側橋樁上位移分布變化基本一致，且量值上亦較為接近，以工況三為例，左側2#橋樁最大Y向位移為0.8mm，右側6#橋樁最大位移亦是0.8mm左右，且樁長上位移分布均呈底部至頂部，逐漸增大。Z向沉降位移中分布處于較“穩(wěn)定”狀態(tài)，即樁長上沉降位移均為一致性，其中工況一2#橋樁沉降位移穩(wěn)定在4.43mm，工況二、工況三2#橋樁沉降位移相比前者分別下降了14.5%、33.2%，結合沉降云圖可看出，沉降變形以前排橋樁位移更大，后排橋樁位移較低，但工況四中以左側沉降位移更大，右側橋樁位移較低，右側6#橋樁沉降位移穩(wěn)定在0.26mm。

3.2 連續(xù)梁橋結構形式

連續(xù)梁橋結構形式下盾構施工穿越研究工況、橋樁分布及編號如圖7所示，模型參數及巖土材料均與前文一致。圖8為側穿越橋樁上部樁身位移分布特征云圖，限于篇幅，以圖8開展分析，遠端左側橋樁X向位移從頂部至底部逐漸由負向位移過渡至以正向位移為主，且為遞增態(tài)勢；近端及遠端右側橋樁為從頂部至底部逐漸在負方向上位移增大的態(tài)勢，且近端左側橋樁增大幅度極為顯著，靠近遠端右側橋樁增長斜率較小。Y向位移在橋樁上分布均呈底部至頂部逐漸增大態(tài)勢，橋樁愈靠近遠端右側，則位移增長斜率愈小，工況一中最大Y向位移為2.331mm。Z方向沉降變形中以后排橋樁更小，愈靠近前排橋樁的沉降更大，其中最大沉降出現在前排遠端右側4#橋樁，達5.3mm左右。

對比不同工況下位移特征，如圖9所示，從圖中可看出工況一的2#橋樁X向位移為負向位移，且為增大態(tài)勢，但工況二、工況三、工況四該根橋樁的位移值為X正向位移區(qū)間內遞增，最大值分別達到2.2mm，其中工況二、工況三、工況四中的2#橋樁最大值分別為3.47mm、0.2mm、0.8mm(負向)。Y向位移中工況一近側2#橋樁、遠測4#橋樁位移值從底部至頂部增長斜率基本一致，樁身上每米增長位移值約0.15mm，工況二乃是減小態(tài)勢，樁長每增長1m位移值增大約0.2mm，工況三、工況四亦是如此，同一工況下2#、4#橋樁位移值增長斜率基本相近。各工況中均以2#、4#橋樁為最大Z向沉降變形，其中4#橋樁沉降變形又相比2#稍大，工況二中2#橋樁沉降變形穩(wěn)定在4.62mm，4#橋樁沉降變形相比高5.8%，約為4.89mm，四個工況中又以工況四沉降變形為最大，達8.1mm。

當盾構施工均為下穿越形式時，即工況四，簡支梁與連續(xù)梁兩種橋梁結構形式下以3#樁作為對比，如圖10所示，簡支梁結構形式中樁身上X向位移基本上一半為正向位移，另一半處于負向位移，約在樁身13m處X向位移為0；但連續(xù)梁橋約在樁身13m處為最小位移(負向)，樁頂至樁身13m處，呈逐漸減小，樁身13m至樁底部，逐漸增大。Y向位移中，簡支梁與連續(xù)梁橋3#樁身位移值均從頂部至底部遞增，但增長斜率以簡支梁為更大，平均每米增長位移值0.1mm。Z向位移中以簡支梁更大，3#橋樁沉降變形約為8.7mm，連續(xù)梁橋僅為前者的55%。綜上分析表明，相同盾構穿越橋樁形式工況下，簡支梁橋結構設計的水平向位移或沉降變形均是最大，受盾構施工擾動影響更敏感。

4 結論

針對盾構施工對橋梁樁基影響特性，利用FLAC 3D有限元數值軟件建立網格模型，分析了簡支梁與連續(xù)梁橋兩種結構形式下，不同穿越形式工況中橋樁位移變化特征，獲得了以下幾點結論：

(1)獲得了盾構穿越簡支梁橋時，側穿越形式下兩側橋樁X向位移分布互為對稱，其位移高于下穿越形式，側穿越中上部樁基位移值最大；各工況Y向位移分布變化均呈底部至頂部遞增，量值接近，工況三2#、6#橋樁最大位移均為0.8mm左右；前排橋樁Z向沉降變形高于后排橋樁，下穿越形勢下左側橋樁沉降高于右側，6#橋樁沉降穩(wěn)定在0.26mm。

(2)研究了盾構穿越連續(xù)梁橋時，側穿或下穿X向位移均由頂部至底部遞增，但側穿樁基上部時為X正向位移；Y向位移中遠近側橋樁從底部至頂部增長或減小斜率一致，側穿越樁基上部時每米樁長增長位移值約0.15mm，其余穿越形式均為遞減；各工況Z向位移中均為4#橋樁沉降變形最大，其中下穿越工況沉降變形又是4#橋樁中最大，達8.1mm。

(3)對比了簡支梁與連續(xù)梁橋下穿工況時位移特征，簡支梁與連續(xù)梁橋樁X向位移分布呈相反；兩種梁橋結構Y向位移均為從頂部至底部遞增，但以簡支梁增長斜率最大，平均每米增長位移值0.1mm；簡支梁Z向位移中更大，3#橋樁達8.7mm，連續(xù)梁橋僅為其55%。