正常固結土層盾構隧道開挖對既有橋梁樁基的影響

劉新峰，曹玉鋒，尹澤政

(廣東華路交通科技有限公司,廣東 廣州 510420)

0 引言

近年來公共軌道交通、地下管廊設施發展迅速,城市地下空間的利用越來越緊張。如廣州地鐵18號線、22號線、12號線、3號線東延線、13號線、珠三角水資源輸水隧道等地下工程,無不涉及到盾構施工并行或下穿高速公路橋梁。其中18號線盾構施工距離高速公路橋梁樁基最小凈距為1.54～5.30m;珠三角水資源輸水隧道距離高速公路橋梁樁基凈距5～13m;12號線隧道與高速公路橋梁樁基最小凈距2m;13號線并行、下穿約2km高速公路橋梁樁基,與樁基最小凈距為1.16m,并對高速公路橋梁樁基進行托換。隧道施工對高速公路橋梁結構的影響分析具有重要意義。

目前針對該問題的研究尚較少,主要采用有限元模擬、簡化解析法、室內模型試驗等方法。有限元模擬法將樁基與土體視為整體考慮,其剛度、接觸較難定義,依據既有的試驗數據來優化模型,使其能進一步預測其他類似工程樁基的變形和受力情況,模型的準確性主要依靠經驗[1-2];簡化解析法的主要思路是利用圓孔擴張理論、loganathan公式、H.G Poulos公式[3]計算隧道周邊樁周土位置自由場的水平位移,再利用Pasternak地基模型將位移轉化成作用在樁基上的附加應力,代入Winkler彈性地基模型,得到樁基的變形與彎矩;室內模型試驗方法主要代表為離心機試驗[4],但其試驗均是在平面應變的前提下模擬隧道開挖,通過控制土體損失率來分析隧道施工對樁基的作用。

Winkler彈性地基模型與有限元模擬是未來發展的主流方向。目前,有限元模擬仍然在完善階段。相比有限元模型建模的繁瑣性與未知性,Winkler彈性地基模型受力明確、計算方便,在實際工程中更具有說服力,應用更廣泛。近年來,許多學者也針對Winkler地基模型的不足,對模型進行優化調整,取得了一些研究成果,主要差異體現在位移與荷載、地基梁模型的選擇上。

1 工程調查

目前在進行盾構隧道對樁基影響力學機制分析時,巖土層的水平位移以及應力變化的研究未考慮隧道開挖對土體擾動的影響,更忽略了盾構隧道開挖過程中的三維空間效應,使得土體水平位移與應力的分布規律與實際情況有較大差別。實際上,盾構隧道開挖對圍巖的擾動以及土體損失均引起圍巖產生變形,應力重分布,使得樁基兩側土層應力不平衡。土體位移的變化不僅與巖土層的物理力學性質,如彈性模量、泊松比相關,還與埋深、開挖洞徑、土體損失率以及開挖后的空間效應等因素有關。通過調查近年來盾構施工的相關工程,得到盾構工程施工參數(表1)。

表1 盾構工程施工參數

由表1可知,地鐵隧道埋深大致在20～30m之間,掘進速度0～50mm/min。盾構機盾殼外徑略大于隧道管片外徑,導致圍巖與盾構隧道管片之間存在13.5～17.0cm厚的空隙體積,后續注漿將填充空隙體積。但由于注漿跟進不及時、注漿填充不到位、漿液凝結需要時間等原因,空隙體積會隨著圍巖應力的釋放被壓縮,該壓縮量認為是土體損失量,通常用土體損失率來體現,即為土體應力釋放與施工過程各種因素引起土體擾動的表征。土體損失率需根據土體性質、施工工藝以及工程經驗選取。魏綱[5]、徐俊杰[6]、王占生[7]、卓普周[8]、季亞平[9]等通過分析各個城市地鐵盾構施工引起地面沉降的實測數據,提出土體損失率η在0.20%～3.01%之間,對于黏土η通常為0.5%～2.5%,軟土取1%～2%,并得到如表2所示的實際工程數據,其中約95%的實測數據分布在0.2%～2.0%[5-10]。

表2 盾構施工土體損失率

2 研究思路

為研究正常固結土層中不同因素下盾構施工影響范圍與附近土體的水平位移規律,對不同圍巖的彈性模量Es以及不同土體的損失率ν進行組合,分別選取土層彈性模量20MPa、30MPa、40MPa、50MPa。因工程中遇到的正常固結土體泊松比一般在0.25～0.35之間,故泊松比μ均取0.3。土體損失率ν分別取1.0%、1.5%、2.0%。共建立12個不同參數有限元三維模型。根據廣州、深圳地鐵隧道的數據(表1),模型中盾構直徑R取6.3m,隧道頂埋深25m。模型計算范圍為:長100m、高100m、厚度60m;模型邊界為:頂部自由邊界,左右施加水平方向的約束,底部施加豎直方向的約束,如圖1所示。

圖1 計算模型

根據廣州地鐵21號線實際工程研究,隧道圍巖應力釋放是分階段釋放的,初次圍巖應力釋放率為20%～25%[11],因此模型中圍巖初次應力釋放取25%。土體損失率1.0%、1.5%、2.0%分別對應開挖界面徑向壓縮16mm、24mm、32mm。在隧道開挖界面與圍巖之間設置軟弱層模擬注漿填充,通過調節軟弱層的彈性模量,實現隧道開挖界面徑向壓縮量,進而達到模擬相應土體損失率的效果。

首先提取各隧道模型地表以及隧道開挖界面兩側不同距離土體的水平位移進行分析,得到不同參數下圍巖土體水平位移變形規律,并對土體位移分段擬合,建立考慮埋深、損失率、開挖洞徑等因素的土體位移預測函數。然后確定圍巖初始基床系數kh,利用力與位移的關系建立彈性地基梁力學模型。最后將計算結果與實測數據對比,使模型能夠更好地預測臨近橋梁樁基的變形與受力。

3 土體影響范圍與變形預測

3.1 土體塑性區分析

以20MPa土體為例,不同土體損失率下的隧道圍巖塑性區分布云圖如圖2所示。由圖2可知,圍巖塑性區圍繞隧洞成弧形向外擴散,隧道腰部塑性最為嚴重,其次為拱頂外側的圍巖。土體損失率1.0%、1.5%、2.0%時,隧道腰部水平方向塑性區影響范圍分別對應為8.00m、8.20m、8.61m,約1.3～1.5倍洞徑。其中最嚴重的影響區域為洞口邊緣2.5m范圍,約0.4倍洞徑;較為嚴重的區域為洞口邊緣2.5～5.7m范圍,為0.4～0.9倍洞徑之間。因此,認為隧道開挖影響范圍為隧道洞軸線上、下1.5R洞徑范圍,即H-1.5R洞徑～H+1.5R洞徑,H為洞軸線的埋深。

圖2 20MPa土體塑性區分布云圖

3.2 土體水平位移分析與預測函數的建立

由圖3可知,沿豎直方向,土體發生水平位移的區域為地表至隧道軸線深度H+1.5R洞涇范圍,水平位移突變區范圍在隧道中性軸上、下1.5R洞涇范圍。由圖4可知,斷面上隧道影響范圍為開挖界面外1.5R洞涇范圍。土體損失率1.0%、1.5%、2.0%分別對應開挖界面徑向壓縮16mm、24mm、32mm。本文根據各個深度位置的土體水平變形規律進行分析,建立土體位移預測模型。

圖3 土體位移曲線

圖4 不同損失率下隧道中心軸線徑向方向水平位移

(1)地表土體水平位移隨著與隧道軸線距離的變化,先是逐漸增大(包含1.5R洞涇對應范圍),然后在開挖影響區內逐漸減小。1～8m范圍,地表水平最大位移為3.24mm～6.00mm,為相應土體損失率對應徑向壓縮的18%～21%。利用matlab建立地表位移與損失率、徑向壓縮量的關系式,得到預測函數:

(1)

(2)H-1.5R洞徑深度土體水平位移,損失率1.0%時,1～8m對應0.7～0.4mm;損失率1.5%時,1～8m對應0.9～0.6mm;損失率2.0%時,1～8m對應1.9～3.5mm,成曲線變化。建立該深度土體位移與損失率、徑向壓縮量的關系式,得到預測函數:

(2)

(3)H+1.5R洞徑深度土體水平位移,損失率1.0%時,1～8m對應0.96～1.50mm;損失率1.5%時,1～8m對應1.30～2.35mm;損失率2.0%時,1～8m對應1.1～0.8mm。建立該深度土體位移與損失率、徑向壓縮量的關系式,得到預測函數:

(3)

(4)隧道中性軸上、下1.5R洞涇范圍,沿隧道軸線徑向方向,水平位移呈現減小的趨勢。根據3種損失率進行結果統計,得到隧道軸線徑向方向不同距離土體水平位移與相應的徑向壓縮比值。不同損失率下,凈距1m時,土體水平位移平均占比值為73%;凈距2m時,土體水平位移平均占比值為50%;凈距3m時,土體水平位移平均占比值為39%;凈距4m時,土體水平位移平均占比值為29%;凈距5m時,土體水平位移平均占比值為20%。不同土體的水平位移占比見表3。建立該深度位置土體位移關系式(式4)。

表3 沿隧道軸線徑向方向的水平位移占比(單位:%)

(4)

結合式(1)～式(4),可以推得空間位置土體對應不同埋深H、開挖洞徑R、土體損失率ν的位移預測函數式(5),其中x為與開挖邊界的距離、H為隧道中心軸線與地表的距離、z為距地表的距離。由于H+1.5R洞徑深度以下影響較小,故只考慮0～H+1.5R洞徑深度范圍。

(5)

以距離開挖邊界1m為例,預測不同損失率下土體不同深度位置的水平位移。由圖5可見,28m深度位置(中心軸線),損失率1.0%、1.5%、2.0%時分別對應水平位移11.5mm、17.9mm、23.1mm;對應預測位移值為12.2mm、18.3mm、24.4mm。預測模型與有限元模擬數據的擬合效果較好。

圖5 不同損失率下x=1.0m距離時土層水平位移擬合效果

圖6 盾構隧道臨近樁基施工土體變形與樁基受力模型

4 樁基變形簡化計算

4.1 模型的建立

在盾構機頂進推力與掌子面土壓力基本保持平衡時,盾構隧道施工造成圍巖土體向洞內徑向變形,樁基靠近隧道側土體位移,使得樁基兩側的土壓力不平衡,遂引發樁基向隧道側變形。參考基坑工程增量法,樁基一側土體壓力卸載即另一個土體壓力的增加,荷載增加量即土體的水平位移與水平基床系數的乘積。

Tanahashi[12]提出了考慮樁土共同作用的土體水平基床系數計算經驗公式:

(6)

式中:k為土體地基反力模量;P為量測位移測點設置后的圍巖釋放荷載;Δx為對應的量測支護外邊界位移;D為樁基等效作用寬度,因此處不將圓形樁等效為矩形樁,故D等于樁基直徑d;Es、μ分別為圍巖的彈性模量和泊松比;EI為樁基的彈性模量。

將式(5)和式(6)結合,即可得到盾構隧道開挖導致樁基承受的附加應力P與水平基床系數kh。具體的表達式如下:

P(z)=k·Sx(x,z)·B

(7)

kh=k·B

(8)

(9)

結合式(7)、式(8)和式(9),可利用Midas civil軟件建立橋墩-承臺-樁基有限元模型。通過蓋梁添加與支座類型相關的節點彈簧和上部結構壓力、汽車水平制動力,樁基、承臺添加水平基床系數(節點彈簧),模擬橋梁運營過程與盾構施工組合下樁基的最不利受力情況。

4.2 工程算例驗證

(1)為了驗證模型的有效性,提取了文獻[13]的GEPDN邊界元程序計算結果與本文簡化方法進行對比。模型中假設土體為各向同性的彈性體,彈性模量24MPa,隧道開挖直徑為6m,隧道中心軸線埋深20m,地層損失率為1%,樁基為C30,彈性模量為30GPa,樁基直徑0.5m,樁長25m,樁基軸線距離開挖界面1.5m。對應的該彈性模量土層一般為密實土層,泊松比取0.3。采用本文方法計算,樁基等效寬度D為1.125m,相應土體損失率的徑向壓縮量為15mm,樁頂、樁端按自由邊界條件。計算結果如圖7和圖8所示,可知,樁基在隧道中心軸線附加水平位移與彎矩最大。采用本文方法計算的樁身最大位移為8.55mm,GEPDN法計算的最大位移為8.10mm,誤差0.36mm,占比5.5%。本文方法計算的樁身最大附加彎矩為72.7kN·m,GEPDN法計算的最大附加彎矩為58.4kN·m,相對抗彎承載能力數值誤差在可接受的范圍,運用于實際工程屬于偏安全考慮。

圖7 樁基位移對比

圖8 樁身附加彎矩對比

圖9 樁身水平位移與實測值對比

(2)Lee等[14]對實際工程中隧道施工造成的樁基水平位移進行了記錄。隧道埋深15m,隧道開挖洞徑8.25m,樁基軸線距離開挖界面1.575m,樁基為C30砼,彈性模量30GPa,樁基直徑為1.2m,等效寬度D為1.98m,樁長28m,土體損失率約為0.5%。假定土體的彈性模量為54MPa,采用本文方法計算,相應土體損失率的徑向壓縮量為10.3mm。樁頂、樁端按自由邊界條件,計算得到樁身最大位移為9.47mm,與實測最大值10.10mm誤差6.2%,較為接近。

5 結論

(1)盾構隧道施工對周邊圍巖的影響區域為開挖邊界外起1.3～1.5倍洞徑范圍,影響區域較為嚴重的范圍為開挖邊界外起0.4～0.9倍洞徑,影響強烈區為開挖邊界外0.4倍洞徑范圍。

(2)盾構隧道開挖引起地表至隧道軸線埋深H+1.5R洞徑深度范圍土體水平位移,水平位移突變區范圍在隧道中性軸上、下1.5R洞徑范圍。

(3)本文通過總結分析正常固結土體盾構施工下不同損失率、埋深、土體參數下的土體水平位移,建立了預測地表水平位移以及不同位置土體水平位移的預測函數。該函數考慮了三維空間效應以及土體間的剪切效應,預測成果較為理想。通過與簡化的樁基計算模型結合,與理論解、實測項目結果進行對比,驗證了模型的有效性。

(4)由于巖土工程影響因素較復雜,后續建議根據不同地質下的盾構施工實例,優化土體變形預測函數,總結相適不同地層水平基床系數的計算方法,確定相應的樁基作用計算寬度,以優化計算模型,使其更具實用性。