豐土根，況夢祥，沈正偉，張 箭*，張彥紅

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.中鐵(上海)投資集團(tuán)有限公司，上海 200126)

城市中的地鐵隧道在施工過程中，不可避免地會從各個既有橋梁建筑物橋樁基礎(chǔ)的側(cè)面或者下部等位置穿越，并且隧道掘進(jìn)施工過程中會對隧道周邊的土體產(chǎn)生不同程度上的擾動。當(dāng)土體的位移場作用于橋樁基礎(chǔ)上時(shí)就會使鄰近的樁基產(chǎn)生內(nèi)力和附加變形，對樁和橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，當(dāng)沉降量過大或者橋梁產(chǎn)生不均勻沉降，將嚴(yán)重威脅到橋梁上部主體結(jié)構(gòu)的壽命和它的正常使用。對高架橋橋樁及上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全穩(wěn)定性分析，并計(jì)算工程施工的變形值從而指導(dǎo)現(xiàn)場施工采取合理的安全措施，對盾構(gòu)隧道建設(shè)的安全順利推進(jìn)和確保橋梁的后續(xù)健康使用是十分必要的。目前，國內(nèi)外研究盾構(gòu)隧道下穿橋樁的影響已經(jīng)取得較多成果[1-15]。比如，李永盛等[1-4]研究了盾構(gòu)隧道開挖給地層和橋樁產(chǎn)生的影響規(guī)律；李早等[5-6]基于兩階段法，分析了盾構(gòu)開挖施工過程中橋樁的變形和內(nèi)力的變化并建立出了相應(yīng)的公式；劉喆等[8-10]利用有限元模擬、分析不同支護(hù)方式及施工方法對群樁的影響，并分析了單樁與群樁的受力影響的區(qū)別。但是研究成果主要涉及了隧道施工對近鄰樁基和土體的內(nèi)力與變形的影響規(guī)律，及其對隔離樁加固后樁基的受力和位移等方面的影響。對于隧道開挖前后通過有無隔離樁支護(hù)的原有樁體水平位移和軸力變化缺少更具體的研究。

本文結(jié)合廣州地鐵8號線延長線下穿華南快速路高架橋工程實(shí)際，采用三維有限元模型計(jì)算研究了盾構(gòu)法隧道下穿該高架橋工程過程中產(chǎn)生的地表變形規(guī)律，分析了下穿過程中對有無隔離樁的鄰近橋梁樁基的變形和內(nèi)力影響，并對橋樁的隔離樁加固進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以為今后類似工程提供參考經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

廣州地鐵八號線北延段崗站—白云湖站區(qū)間隧道垂直下穿華南快高架橋樁下穿段長度約68.0 m，橋梁跨度長約25 m，橋身距地面高約9.0 m，主線及右幅加寬部分承臺尺寸為2.5 m ×2.5 m，高0.15 m，基礎(chǔ)是直徑為1 500 mm鉆孔樁樁基；左幅加寬部分承臺尺寸為2.8 m ×2.8 m，高0.2 m，基礎(chǔ)為直徑為1 800 mm鉆孔樁樁基，鉆孔樁均入巖，入巖深度為0～3 m。為了控制盾構(gòu)下穿對橋樁的影響，對靠近隧道的樁基增加加固措施，隔離樁至灰?guī)r層。盾構(gòu)隧道埋深約12 m，隧道管片外徑6.0 m，管片寬度1.5 m，管片厚度300 mm，華南快速立交橋橋樁樁長約為18.5 m，隧道底部高出樁底約4.86 m。隧道與快速路在水平方向投影有小夾角，左線隧道與中心橋樁距離6.58～10.87 m，屬側(cè)穿情況。示意圖如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿橋樁示意圖Fig.1 Schematic diagram of shield tunnel underpass bridge pile

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立及參數(shù)選取

綜合考慮精度和邊界效應(yīng)，模型范圍沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向取值36 m，橫向尺寸取100 m，深度方向取值36 m，滿足3～7倍隧道洞涇范圍要求。利用Abaqus有限元分析軟件建立樁、土、盾構(gòu)相互作用的三維模型，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，盾殼、襯砌、注漿層為理想線彈性模型，所有的部件均采用C3D8R實(shí)體單元。設(shè)定橋樁和隔離樁的樁端與巖土層綁定以防其脫離，樁側(cè)與土體采用面面接觸，盾構(gòu)與土體也采用綁定設(shè)置，默認(rèn)兩者不發(fā)生滑移。橋梁上部結(jié)構(gòu)及荷載均采用等效荷載替代法來計(jì)算，每根樁的樁頂施加400 kPa的壓力，土倉壓力值為200 kPa，注漿壓力0.22 MPa。

在土體的底部施加X、Y、Z三個方向的位移約束，垂直盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向?yàn)閄方向，平行盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向?yàn)閅方向，豎直方向?yàn)閆方向。在平行掘進(jìn)方向的土體邊緣面施加Y方向的約束，在垂直掘進(jìn)方向的土體側(cè)邊緣施加X方向的約束，頂部土體視為自由面。三維模型如圖2所示。

圖2 三維數(shù)值模型Fig.2 Three-dimensional numerical model

模型中橋樁自左向右編號為A-1、A-2、B-1、B-2、C-1、C-2，隧道左線與橋樁中線上方標(biāo)號為A點(diǎn)，隧道中間與橋樁中線上方標(biāo)號為B點(diǎn)，隧道右線與橋樁中線上方標(biāo)號為C點(diǎn)。根據(jù)地勘報(bào)告的資料，地層以及地下結(jié)構(gòu)物參數(shù)詳見表1。

表1 地層及結(jié)構(gòu)物參數(shù)

2.2 工況說明

根據(jù)實(shí)際施工步驟，先行開挖左線隧道，再開挖右線后行隧道?？紤]橋梁結(jié)構(gòu)建成時(shí)間已久，將橋梁結(jié)構(gòu)與土體一起做地應(yīng)力平衡。局部模型示意圖如圖3所示，左右隧道模型段分為六段開挖，每一段開挖分為三個階段：開挖、拼裝、硬化。在第一段開挖的第一階段完成后進(jìn)行拼裝和下一段的開挖，拼裝結(jié)束后進(jìn)行第一階段的硬化、第二段的拼裝和第三段開挖，依次逐步推進(jìn)。

圖3 局部模型示意圖(有隔離樁)Fig.3 Schematic diagram of partial model (with isolation piles)

主要計(jì)算步驟為：

(1)將開挖土體的模量軟化50%，用以模擬應(yīng)力釋放；

(2)殺死土并激活盾構(gòu)，加上土倉力用來模擬刀盤對開挖面土體的支護(hù)力；

(3)在第二塊開挖區(qū)實(shí)行步驟(1)、(2)后，在第一個開挖區(qū)域殺死盾構(gòu)及土倉力，激活并賦予泥漿層和襯砌的新的模量參數(shù)，施加注漿壓力；

(4)賦予泥漿層新的模量，用于模擬泥漿層的硬化。

左線開挖完成后和右線開挖完成后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)影響曲線，分別取左右線盾構(gòu)通過前、通過中、通過后、單線泥漿全部硬化完成后四步，故兩線共八步。

2.3 模擬方案驗(yàn)證

根據(jù)王國富等[10]人的研究結(jié)論建立有限元模型并進(jìn)行分析。關(guān)于地表沉降，本文選取該文獻(xiàn)中的無橋樁和工況8(隔離墻加固)進(jìn)行分析對比；關(guān)于樁頂沉降和樁頂水平位移，本文選取其工況8(隔離墻加固)進(jìn)行對比分析；關(guān)于橋樁樁身水平位移，本文選取其1、2號樁基的工況8進(jìn)行對比分析，分析比對結(jié)果如表2。

表2 模型結(jié)果對比分析結(jié)果

驗(yàn)證結(jié)果與原文的結(jié)果基本趨向一致，與原文的數(shù)值差值基本控制在15%以內(nèi)，考慮到計(jì)算誤差以及工程經(jīng)驗(yàn)可以認(rèn)為，采用本文編制的模型對盾構(gòu)隧道施工側(cè)穿有隔離樁保護(hù)的橋樁進(jìn)行模擬分析是可行有效的。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降

在有、無隔離樁支護(hù)條件下，左右線隧道施工結(jié)束后地表沉降如圖4所示。當(dāng)無隔離樁支護(hù)時(shí)，左線開挖完成后，截面I最大沉降值為5.0 mm；右線隧道開挖完成后，沉降槽曲線由“U”型轉(zhuǎn)變?yōu)椤癢”型，兩條隧道的沉降曲線疊加范圍小，兩條隧道對稱軸處的地表沉降值為0.9 mm，且右線地表沉降達(dá)到4.6 mm，右線施工全過程基本處于“雙峰”的形狀。盾構(gòu)施工對土體的影響范圍在隧道中心線的18 m左右，盾構(gòu)影響地表沉降范圍約為3倍盾構(gòu)直徑，可以證明本文對橋樁數(shù)量的選取和建模的尺寸以及參數(shù)的選取是在合理范圍內(nèi)的。

圖4 有無隔離樁施工結(jié)束地表沉降圖Fig.4 Surface settlement map after construction with or without isolation piles

有隔離樁支護(hù)時(shí)，沉降曲線基本與無隔離樁一致，說明隔離樁的存在并不能改變地層的沉降趨勢。但是左線開挖完成后，截面I最大沉降值為4.7 mm，兩條隧道對稱軸處的地表沉降值為0.17 mm，且右線地表沉降為4.3 mm，說明隔離樁對土體的反作用力使得土體沉降的趨勢一定幅度減小。有隔離樁存在時(shí)，外側(cè)的土體沉降值由無隔離樁時(shí)的0.8 mm減小到0.3 mm，削減比例達(dá)到60%左右，而沉降槽中心的最大沉降值也由5.0 mm減小到4.7 mm。

不論有無隔離樁，A點(diǎn)和B點(diǎn)在盾構(gòu)開挖階段的沉降曲線趨于一致，如圖5。在盾構(gòu)通過及離開時(shí)產(chǎn)生的沉降占總沉降量的70%以上。說明盾構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的沉降占總沉降量的70%以上。說明盾構(gòu)開挖的過程中，盾構(gòu)機(jī)所引起的沉降主要集中在盾構(gòu)通過相應(yīng)地層和盾尾脫離的階段，最后是由于土體的固結(jié)所帶來的沉降。有隔離樁存在時(shí)，B點(diǎn)處的位移趨于0，是因?yàn)楦綦x樁的彈模遠(yuǎn)大于土體，且隔離樁的樁端在巖石層上，土體向下位移時(shí)對樁產(chǎn)生的負(fù)摩阻力不足以讓樁產(chǎn)生大變形。隔離樁的存在使得沉降曲線整體朝上移動，相應(yīng)的減少了地表的沉降，對橋樁起到了一定程度上的保護(hù)作用。

圖5 截面I地表隨掘進(jìn)階段沉降圖Fig.5 Settlement map of section I surface along with excavation stage

3.2 橋樁影響分析

由于橋樁鉆孔深入巖層之中，尤其還添加了作用在巖層上屬于端承樁的隔離樁對橋樁進(jìn)行保護(hù)，因此豎向的沉降量極小?？紤]到該工程盾構(gòu)施工下穿鄰近橋樁時(shí)對橋樁產(chǎn)生的豎向沉降影響極小，故對樁頂沉降不作具體分析。

3.2.1 樁身水平位移

左右線隧道掘進(jìn)結(jié)束后樁身水平位移如圖6所示。隧道掘進(jìn)過程中，由于隧道掘進(jìn)帶來了地層損失，土體應(yīng)力釋放后土體向盾構(gòu)中心位移，樁體也隨之位移。樁端由于是嵌固在巖石層當(dāng)中，模擬中將樁端與灰?guī)r層綁定，隧道開挖帶來的水平位移接近于0。無論有無隔離樁時(shí)，橋樁發(fā)生最大位移都在12 m左右，即接近隧道開挖中心深度。

圖6 有無隔離樁時(shí)樁身水平位移Fig.6 Horizontal displacement of pile with or without isolation pile

考慮有無隔離樁時(shí)橋樁X方向水平位移的比較，如圖6(a)，無隔離樁時(shí)橋樁樁頂?shù)淖畲笏轿灰品謩e為0.95、-0.73 mm，有隔離樁時(shí)橋樁樁頂?shù)淖畲笏轿灰品謩e為0.81、-0.42 mm，隔離樁的施加使得樁頂?shù)腦方向水平方向的最大位移平均減少17%；橋樁中部和樁端的水平位移基本不變，甚至有變大的趨勢，這是由于隔離樁對土體的牽引作用。因?yàn)橛揖€的開挖對地層的擾動部分抵消了左線擾動帶來的對橋樁的影響。監(jiān)測報(bào)告中的樁頂X方向水平位移值為1.61 mm，模型的計(jì)算結(jié)果與廣州地鐵8號線最終監(jiān)測報(bào)告中的水平位移相接近。

考慮有無隔離樁時(shí)橋樁Y方向水平位移的比較，如圖6(b)，在盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中，盾構(gòu)刀盤對前方土體施加一個頂推力以及盾殼與周圍土體的摩擦力的作用下，使得平行與盾構(gòu)掘進(jìn)方向的土體發(fā)生移動，移動的土體隨之作用于樁身，使得橋樁發(fā)生相應(yīng)的位移。在無隔離樁時(shí)，樁頂?shù)淖畲笪灰莆挥跇驑禔-1，位移值為0.4 mm；在有隔離樁時(shí)，樁頂最大位移值位于橋樁A-1，位移值小于0.1 mm。這說明隔離樁的存在大大減弱了盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)引起的平行于掘進(jìn)方向的橋樁橫向位移。

3.2.2 樁身附加軸力

如圖7所示，當(dāng)無隔離樁支護(hù)時(shí)，橋樁附加軸力呈現(xiàn)“S”型變化，并隨著掘進(jìn)的進(jìn)程趨勢愈發(fā)明顯。盾構(gòu)開挖時(shí)的地層損失引起隧道上部地層發(fā)生向下的位移，土體與樁基發(fā)生相互作用，增大橋樁的負(fù)摩阻力，引起橋樁的附加軸力增大，樁身上部附加軸力最大增量出現(xiàn)在A-1埋深約9 m處，值為70 kN。在隧道中心水平面上，因管片變形引起土體向隧道外側(cè)位移并向上、下擴(kuò)散，隧道中心線附近土體位移與地層損失引起的土體位移部分抵消從而引起橋樁正摩阻力增大，附加軸力減小，最大減小值為20 kN，出現(xiàn)在A-1橋樁上埋深約13 m處。隧道中心線以下土體則是持續(xù)加大位移，樁身附加軸力持續(xù)增大，最大值可以達(dá)到140 kN。

當(dāng)有隔離樁支護(hù)時(shí)，樁身軸力出現(xiàn)反“C”型變化，隔離樁的存在基本消除了盾構(gòu)開挖時(shí)地層損失對樁身附加軸力的影響，這一現(xiàn)象與因隔離樁的存在減小了橋樁一側(cè)土體沉降相吻合。正由于管片變形引起土體向隧道中心線外側(cè)擠壓及其擴(kuò)散作用，導(dǎo)致隧道中心線上側(cè)橋樁的正摩阻力增大，中心線下側(cè)橋樁的負(fù)摩阻力增大。隔離樁的存在可以減少橋樁附加軸力極值達(dá)60%。

注：圖中負(fù)值代表樁身附加軸力增加，正值代表樁身軸力減少。圖7 截面I各樁身最大附加軸力圖Fig.7 Maximum additional axial force diagram of each pile in section I

3.2.3 樁身附加彎矩

橋樁與土體相接觸，橋樁通過自身附加變形的形式吸收部分由盾構(gòu)施工引起的底層損失而釋放土體應(yīng)力，從而導(dǎo)致橋樁自身的內(nèi)力的相應(yīng)變化。圖8為有無隔離樁時(shí)各樁身在X、Y方向上的最大附加彎矩圖。

由圖8(a)可知，無隔離樁時(shí)，X方向樁身附加彎矩呈反“C”字型分布，這是由于樁端受到巖石層的約束，而樁端模擬為自由端所導(dǎo)致的，X方向附加彎矩峰值出現(xiàn)在B-1樁的隧道中心線以及樁端，分別為71、-115 kN·m。隔離樁的存在大大削減了垂直盾構(gòu)方向橋樁附加彎矩的變化，由于B-1兩側(cè)都有隔離樁的存在，垂直盾構(gòu)方向的彎矩值削減到8、-14 kN·m，達(dá)到85%。A-1和C-1的X方向樁身最大附加彎矩減小幅度也達(dá)到了75%左右。

由圖8(b)可知，A-1樁身Y方向附加彎矩呈反“C”字型分布，而B-1，C-1為“C”字型分布，這是因?yàn)锳-1樁身撓度方向與其他兩樁身相反。由圖可以看出隔離樁的存在對于平行盾構(gòu)方向的彎矩基本沒有影響，符合實(shí)際情況。

圖8 截面I各樁身最大附加彎矩圖Fig.8 Maximum additional bending moment diagram of each pile in section I

4 加固優(yōu)化設(shè)計(jì)

由前面的分析結(jié)果可知，盾構(gòu)隧道下穿施工對周圍土層會產(chǎn)生一定程度的擾動并影響橋樁樁身位移及內(nèi)力變形，從而會給橋樁上部結(jié)構(gòu)的正常使用帶來不利影響。為降低不利影響，優(yōu)化施工參數(shù)，本文以地表沉降及X方向橋樁水平位移作為影響控制指標(biāo)，研究左線開挖過程不同隔離樁與橋樁間距L、樁身直徑d情況下盾構(gòu)隧道開挖對土層及橋樁的影響。

4.1 不同隔離樁與橋樁間距

為了解隔離樁與橋樁之間的相對位置變化引起的不同影響，選取間距L為0.75D、2D、3D三種工況進(jìn)行分析。D為當(dāng)前既有樁基的樁徑，隔離樁與隧道間距保證大于規(guī)范規(guī)定的安全間距6 m，即隧道直徑。

由圖9可知，隨著隔離樁與橋樁的間距增大，地表最大沉降值逐步減小。當(dāng)L為0.75D時(shí)，地表沉降峰值為4.7 mm，當(dāng)L為2D時(shí)，地表沉降峰值為4.4 mm，當(dāng)L為3D時(shí)，地表沉降峰值為3.7 mm。對比L=0.75D的工況，當(dāng)L=3D時(shí)，地表沉降削減幅度可以達(dá)到20%。

圖9 隔離樁與橋樁不同間距時(shí)地表沉降圖Fig.9 Surface settlement diagram with different spacing between isolated piles and bridge piles

由圖10可知，隨著間距L的增加，既有橋樁樁身上部及樁身中部的水平位移有較明顯減小。對比L=0.75D的工況，當(dāng)L=3D時(shí)，A-1樁身上部水平位移削減41%，樁身中部水平位移削減14%；B-1樁身上部水平位移削減73%，樁身中部水平位移削減13%。因此隨著既有橋樁與隔離樁之間間距的增加，可以大幅度地減少樁身上部的水平位移，小幅度地減少樁身中部的水平位移。故適當(dāng)增大隔離樁與橋樁間距，控制隔離樁與隧道間距在6～8 m時(shí)，對減小樁身水平位移有較大幫助。

圖10 不同樁間距時(shí)X方向橋樁水平位移Fig.10 Horizontal displacement of bridge piles in X direction at different pile spacing

4.2 不同隔離樁直徑

為研究隔離樁在不同直徑工況下的不同影響，選取間距d為1、1.5、2 m三種工況進(jìn)行分析。

由圖11可知，當(dāng)d=1 m時(shí)，地表沉降峰值為4.7 mm，當(dāng)d=1.5 m時(shí)，地表沉降峰值為4.1 mm，當(dāng)d=2 m時(shí)，地表沉降峰值為3.6 mm。對比d=1 m的工況，當(dāng)d=2 m時(shí)，地表沉降削減幅度達(dá)到23%。隨著隔離樁的自身樁徑的增大，有效地降低了地表沉降值。

圖11 不同隔離樁直徑工況下地表沉降圖Fig.11 Surface settlement diagrams under different isolation pile diameters

隔離樁樁身直徑d的變化對于橋樁樁身水平位移的整體趨勢仍然呈現(xiàn)“C”字型，樁徑的增大也意味著隔離樁剛度的增大。

由圖12可知，隨著間距d的增加，既有橋樁樁身上部及樁身中部的水平位移明顯減小。對比d=1 m的工況，當(dāng)d=2 m時(shí)，A-1樁身上部水平位移絕對值削減90%，樁身中部水平位移削減70%；B-1樁身上部水平位移絕對值削減70%，樁身中部水平位移削減77%。隨著隔離樁直徑的增加，可以大幅度地減少樁身上部及樁身中部的X方向水平位移。

圖12 不同隔離樁直徑時(shí)X方向橋樁水平位移圖Fig.12 Diagram of horizontal displacement of bridge piles in X direction with different isolation pile diameters

5 結(jié)論

本文依托廣州地鐵八號線盾構(gòu)隧道側(cè)穿華南快速高架橋樁基工程，采用數(shù)值三維建模等方法研究了不同工況下盾構(gòu)隧道開挖掘進(jìn)下穿公路橋樁對既有橋樁樁基礎(chǔ)的影響及加固方式優(yōu)化設(shè)計(jì)。得出以下結(jié)論：

1)隔離樁可有效減小既有橋樁垂直于掘進(jìn)方向的樁頂位移，由于隔離樁的牽引作用，對于橋樁中部位移基本無削減作用，甚至極小地加大其水平位移。隔離樁基本消除平行于掘進(jìn)方向的橋樁水平位移，對既有橋樁存在一定的遮蔽作用。

2)隔離樁大幅地減小了橋樁的附加軸力，大幅減小橋樁垂直盾構(gòu)方向附加彎矩，對平行盾構(gòu)方向附加彎矩基本無影響。由于隔離樁的牽引作用，極小范圍地增大平行盾構(gòu)方向附加彎矩。

3)建議將隔離樁設(shè)置在離地鐵凈距為6～8 m的范圍內(nèi)，這樣既可以滿足地鐵規(guī)范的安全凈距，也能夠最大限度起到保護(hù)既有橋樁的功能。隔離樁樁徑的增大有明顯降低附加內(nèi)力的作用，本工程中樁徑為1 m時(shí)已滿足規(guī)范要求，后續(xù)工程若不能滿足規(guī)范要求，可增加隔離樁樁徑以提高橋樁的安全性能。