地鐵盾構(gòu)隧道近接樁基的施工力學(xué)行為研究
摘 要: 針對(duì)城市地鐵新建隧道近接既有民房樁基的工程情況,進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬的施工力學(xué)行為研究。研究結(jié)果表明,近接樁基施工將引起新建隧道自身結(jié)構(gòu)特別是與既有樁基近接一側(cè)邊墻,有不利的受力狀況和變形特征。因此,需要采取加固措施,以確保隧道自身結(jié)構(gòu)以及近接建筑物的安全。本文研究對(duì)城市地鐵隧道的近接施工,有一定參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞: 盾構(gòu)隧道; 近接施工; 既有樁基
近年,由于土地價(jià)格上揚(yáng),城市土地用地不足等, 重疊隧道工程等建設(shè)中遇到了相類似的問題,給設(shè)計(jì)城市急劇向郊區(qū)擴(kuò)大,土地高度利用化,而近接既有地和施工帶來(lái)了極大難題。下結(jié)構(gòu)物進(jìn)行近接施工的工程,大量涌現(xiàn)。因此在這種情況下,最主要的問題是施工中對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的影響問題以及自身近距離施工時(shí)的影響問題。概括講, 如何把對(duì)環(huán)境的影響減少到最低限度,是地下建筑物在近距離條件下施工的核心問題。這一新動(dòng)向和新問題,目前已經(jīng)引起了地下工程界和巖土工程界甚至包括地鐵承包商在內(nèi)的廣泛重視。在日本,已將近距離條件下地下結(jié)構(gòu)施工定義為“ 近接施工影響問題”[ 1 ] , 并且給以高度重視。在我國(guó),隨著近年來(lái)城市地鐵交通事業(yè)飛速發(fā)展,已先后在北京、上海、廣州的地鐵一號(hào)線、廣州地鐵二號(hào)線以及目前在建的深圳地鐵一期近期的近接工程與過去的比較,不僅工程規(guī)模大, 而且與既有地下結(jié)構(gòu)物的間隔距離更小,例如,在建的深圳地鐵一期工程天虹—崗廈區(qū)間隧道,在左線里程CK6 + 784. 155 處,與民房樁基近接距離僅為0. 31 m , 如圖1 所示。可見,近接施工影響問題已變得非常嚴(yán)重。
為了確保近接施工中,新建盾構(gòu)隧道自身結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定,以及施工期間對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的影響減少到最低限度,本文將針對(duì)深圳地鐵一期工程天虹—崗廈盾構(gòu)區(qū)間隧道與民房樁基相互近接的施工力學(xué)行為, 從整體上包括新建盾構(gòu)隧道、近接樁基以及上至地表環(huán)境,進(jìn)行數(shù)值模擬研究。
1 工程地質(zhì)概況
根據(jù)工程地質(zhì)描述,天虹—崗廈區(qū)間地處寬階地、沖積平原,地形平坦稍有起伏。工程勘測(cè)范圍內(nèi)自上而下圍巖組成為:第四系全新統(tǒng)人工堆積層Q4ml (由粉質(zhì)粘土的素填土組成) 、沖積層Qal4 ,(由淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘3土組成) 、第四系殘積層Qel 、及下伏燕山期花崗巖r5 (由砂質(zhì)粘性土及全風(fēng)化花崗巖組成) 。從整體上看, 本區(qū)段地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,無(wú)明顯不良地層,圍巖分類為I～ II 類。
2 盾構(gòu)隧道近接既有地下樁結(jié)構(gòu)的空間計(jì)算
2. 1 建模情況
(1) 最不利工況確定
根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖資料,可確定出盾構(gòu)隧道近接既有地下樁基(民房樁基) 施工時(shí)的最不利工況,在左線里程CK6 + 790 處,與民房樁基近接距離僅為0. 31 m , 如圖2 所示。因此,新建盾構(gòu)隧道近接既有地下樁基的三維彈塑性數(shù)值計(jì)算將針對(duì)這種工況進(jìn)行。
圖2 盾構(gòu)隧道近接樁基最不利工況模型(近距0. 31 m)
(2) 模型考慮
在建模中,為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性,對(duì)混凝土管片結(jié)構(gòu)選用了等參8 結(jié)點(diǎn)空間板殼單元,對(duì)于周邊圍巖體選用了等參20 結(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬,而對(duì)于福華新村1 棟樓(CK6 + 790) 樁基,則選用了三維梁桿單元進(jìn)行模擬。在隧道和樁結(jié)構(gòu)周邊圍巖體采用了細(xì)密單元,見圖2 所示。本次計(jì)算采用通用大型有限元軟件ANSYS 進(jìn)行數(shù)值分析,以期獲得理想效果。
(3) 計(jì)算參數(shù)
針對(duì)深圳地鐵一期工程勘測(cè)圍巖自上而下的地質(zhì)情況,將其綜合歸并為4 層材料性質(zhì)的巖土體,進(jìn)行研究。即地表淺層Q4ml (地層號(hào)Ⅰ) 、地中中層Qal 和Qel 334 (地層號(hào)Ⅱ) 、隧道周邊Qel 和r5 (地層號(hào)Ⅲ) 及底部r5 (地層號(hào)Ⅳ) 。需要指出,這4 層材料參數(shù)的確定,是依據(jù)對(duì)其組分按厚度進(jìn)行加權(quán)平均的處理方法而獲得。對(duì)于混凝土管片結(jié)構(gòu),選取C50 材料參數(shù),考慮到接頭影響以及擬定采用的錯(cuò)縫拼裝方式,將管片的剛度折減系數(shù)分別確定為0. 75 、0. 85 兩種情況。而對(duì)于地下樁基,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定為C25 , 所有力學(xué)參數(shù)列于表1。
表1 盾構(gòu)隧道近接既有地下民房樁施工時(shí)的計(jì)算參數(shù)
注: 3 為管片錯(cuò)縫拼裝的剛度折減系數(shù)。
2. 2 計(jì)算分析力場(chǎng),形成“毛洞”狀態(tài)時(shí),圍巖載荷釋放率為25 % , 管為了說(shuō)明地下樁基與盾構(gòu)隧道相互近接的影響, 片支護(hù)后,圍巖載荷完成釋放率為75 %; 如圖3 所示。需要完成以下3 方面工作:
(1) 模擬施工過程,假定隧道開挖初期自重地應(yīng)影響施工力學(xué)行為進(jìn)行研究; (2) 分別針對(duì)無(wú)樁和有樁兩種條件下,結(jié)構(gòu)相互折減系數(shù)η= 0. 75 或0. 85 分別進(jìn)行計(jì)算。
2. 3 隧道近接福華新村樁基情況
2. 3. 1 內(nèi)力影響因素分析
從整體上看,對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生重大影響的仍然是橫向內(nèi)力及其變化,而不是縱向內(nèi)力及其變化,通過比較盾構(gòu)隧道管片最大橫、縱彎矩值及其相應(yīng)軸力,如表2 、表3 所列,可以更清楚看到這一點(diǎn)。
2. 3. 2 結(jié)構(gòu)受力狀況分析
(1) 從整體上看,有樁作用條件下,所獲得最大彎矩均比無(wú)樁情況下相同位置計(jì)算結(jié)果要高,而對(duì)應(yīng)軸力則相差不多,這意味著在有樁作用條件下,結(jié)構(gòu)安全度呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì);
(2) 從發(fā)生位置看,在有樁作用條件下,最大正負(fù)彎矩值,均出現(xiàn)在與樁基近接一側(cè)的隧道管片邊墻位置;
(3) 提高剛度折減系數(shù),結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,呈現(xiàn)出一致性增大的趨勢(shì);不過相對(duì)來(lái)看,彎矩的增加更明顯一些,而軸力可近視為“不變”。
圖3 模擬盾構(gòu)隧道施工的整個(gè)計(jì)算過程村民房樁基凈距僅為31 cm , 因此對(duì)近接樁基一側(cè)隧
(3) 考慮可能采取錯(cuò)縫拼裝方式,選取管片剛度道受力狀況造成了不利的影響,從加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)看, 應(yīng)當(dāng)更關(guān)注近接樁基一側(cè)的隧道邊墻。
表2 近接民房樁基(η= 0. 75 或0. 85) ,無(wú)樁和有樁兩種條件下,隧道最大橫向內(nèi)力比較
表3 近接民房樁基(η= 0. 75 或0. 85) ,無(wú)樁和有樁兩種條件下,隧道最大縱向內(nèi)力比較
2. 3. 3 近接施工引起群樁的水平變形
如表4 所示,近接隧道施工引起的福華新村群樁
水平變形情況,從中可得到以下認(rèn)識(shí):得到樁基沿水平方向的最大“拉伸”變形為4. 04 cm 。
(1) 隧道近接樁基施工時(shí),產(chǎn)生了明顯的較大側(cè)加固的群樁范圍達(dá)4 m ; 若以3 cm 受拉變形為控制指向“拉伸”變形;其中當(dāng)隧道與樁基近距為0. 30 m 時(shí)；
(2) 考察不同近距情況下樁基側(cè)向變形,可以得到以下范圍,若以2 cm 受拉變形為控制指標(biāo),則需要?jiǎng)t需要加固的群樁范圍約1. 8 m 。
(3) 考慮到施工時(shí)產(chǎn)生的較大擾動(dòng),爭(zhēng)取對(duì)福華新村近距1. 8 m 范圍內(nèi)的加固措施。
表4 近接隧道施工引起的群樁( 以η= 0. 75 為代表)
2. 3. 4 近接群樁施工引起的地表沉降
圖4 為剛度折減系數(shù)0. 75 時(shí),地表沉降大于3 cm 結(jié)點(diǎn)矢量圖,考察其覆蓋范圍,獲得沉降槽最大寬度為25. 32 m , 其中樁基一側(cè)為15. 2 m ; 而另一側(cè)占10. 12 m 。以招標(biāo)文件規(guī)定地表沉降允許值3 cm 為控制基準(zhǔn),則需要采取措施控制地表沉降的寬度范圍為25. 32 m 。
圖4 隧道近接樁基施工時(shí),地表沉降超過3 cm 范圍及幅值
3 結(jié)論
(1) 與無(wú)樁情況相比較,近接樁基施工將引起新建隧道自身結(jié)構(gòu),特別是與既有樁基近接一側(cè)邊墻不利的受力狀況。具體表現(xiàn)為,有樁作用條件下,所獲得最大彎矩均比無(wú)樁情況相同位置的計(jì)算結(jié)果要高, 而相應(yīng)軸力則與無(wú)樁情況的相同位置計(jì)算結(jié)果相差不大,這意味著,在有樁作用條件下,結(jié)構(gòu)的安全度,呈現(xiàn)出一致性降低的趨勢(shì)。
(2) 從整體上看,由于樁基的作用,使得新建隧道沿水平方向左右邊墻的變形結(jié)果不具備對(duì)稱性;比較有樁和無(wú)樁條件的計(jì)算結(jié)果可知,近接既有樁基的隧道施工完成后,鄰接樁基一側(cè)隧道邊墻的水平變形均表現(xiàn)出高于無(wú)樁條件下的變形特征。
(3) 從隧道對(duì)樁基影響角度看,近接施工將引起既有樁基產(chǎn)生偏向隧道水平方向的“ 拉伸”變形情況。在近接距離僅為0. 31 m 的樁基處,產(chǎn)生了達(dá)到4. 04 cm 的最大“拉伸”變形。
(4) 需要采取加固措施,以確保隧道自身結(jié)構(gòu)以及近接地下“建筑物”的安全。
(5) 考察不同剛度折減系數(shù)時(shí),發(fā)現(xiàn)樁基水平側(cè)向變形幾乎沒有變化,這表明改變盾構(gòu)管片的拼裝方式,在整體上,對(duì)近接地下“建筑物”幾乎無(wú)影響。
(6) 以地表沉降允許值3 cm 為控制基準(zhǔn),則新建隧道近接福華新村樁基施工時(shí),需采取控制措施的寬度范圍為25. 32 m 。
參考文獻(xiàn):
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