盾构隧道侧穿桥梁桩基础数值分析

盾构隧道侧穿桥梁桩基础数值分析

戚黎昌

青岛国际机场集团有限公司，266300

摘要：为分析地铁区间隧道掘进对桥梁的影响，采用ANSYS有限元方法进行分析，得到隧道掘进过程中桥梁桩基础的变形和内力变化，并对隧道掘进施工过程中桥梁的安全性进行分析，为提高盾构隧道穿越建筑结构的设计和施工提供参考。

关键词：地铁有限元桥梁桩基础安全性

0引言

在城市地铁修建的过程中，地铁穿越城市建筑结构、桥梁桩基以及地铁运行区间的工程案例有许多[1～3]。不同的施工工艺对其周边结构的影响是有所区别，目的就是在地铁穿越的设计施工过程中尽可能远离周边结构，避免对其造成影响，降低各种风险。尤其是在软土地区修建地铁，区间隧道侧穿桩基时，盾构开挖土体产生的卸载效会对摩擦桩的变形与内力造成影响[4]。当前，采用有限元数值分析方法对盾构隧道穿越立交桥和房屋桩基施工过程进行模拟计算是很成熟的分析方法。基于地下工程地质条件的复杂多样性,现有成果不能有效地反映盾构掘进对临近桩基的影响,需要不断地对其展开研究，积累工程经验。本文运用ANSYS全面模拟盾构施工过程，对区间盾构隧道侧穿桥梁桩基础数值分析,以期进一步完善盾构近接施工分析理论,并为提高盾构隧道穿越建筑结构的设计和施工提供参考。

1工程概论

植物园站～龙洞站区间隧道位于天河区，隧道采用土压平衡法盾构施工。盾构隧道从龙洞站往植物园站施工，在YDK26+880至YDK26+835处侧穿华南快速路桩基。目前，盾构隧道已掘进到YDK26+26+989处，距华南快速路桥梁桩基础150m。

区间隧道圆形断面，洞径为6.0m，隧道衬砌采用0.3m钢筋混凝土预制管片。盾构侧穿的桩基为Φ150钻孔灌注桩，按端承桩设计，设计嵌入中风化岩层230cm。

根据区间隧道与桩基础位置平面图，区间隧道结构外边线与桥梁桩基础边界线最近处为3.01m，桥梁桩基础长约34.19m，嵌入区间隧道底部15m。隧道位于桩基础持力层以上。

图1区间隧道与桩基础位置平面图

图2区间隧道与桩基础位置横剖面图

为保证盾构能够顺利安全地通过华南快速路桩基础，对盾构侧穿时桥梁结构的安全性进行分析。

2风险识别与分析

根据土压平衡盾构的特点，盾构机掘进对周围地层主要存在的风险为：1)地层损失；2)地下水流失；3)土体扰动后固结。

对桥梁造成的影响主要有以下几点：

1）土体损失和地下水流失造成桩基础的整体下沉。

2）土体损失和地下水流失使桩基础受到的水平围压不均匀，使桩基础内部产生附加内力。

由于华南快速路桥梁桩基础为端承桩，且嵌入区间隧道底部15m，隧道位于桩基础持力层以上，重点考虑土体损失和地下水流失使桩基础失稳影响。

3有限元模型及参数

3.1模型选取

本次选取最不利情况进行计算分析，桥梁桩基础距隧道3m，桥梁桩基础嵌入隧道底部15m。假定使地层损失量达到最大：1）盾构机掘进过程中不对掌子面进行支撑(即土仓压力为0)；2）盾尾孔隙注浆量为0(即管片脱出盾尾后，周围土体变形填充盾尾空隙)。

3.2模型建立

计算取隧道侧穿桩基前后十环。模型上边界取至地表，下边界取至桩底30m，左边界取50m，右边界取50m。计算采用ANSYS有限元软件进行分析，岩土体弹性屈服准则为DP准则。采用地层结构法进行计算。初始应力考虑自重应力。土体采用实体单元，桩采用结构单元。模型中不体现桥墩承台以上的结构，采用等效荷载的方法，在桩顶施加1300kN的荷载。有限元模型图如图3、4所示。

图3有限元三维模型图图4模型桩与隧道关系

3.3有限元计算参数

本次计算参数按照实际地层参数选用，盾构管片和桩基混凝土结构参数及土层的参数分别如表1所示。

表1有限元计算参数

材料性质单元类型天然重度()弹性模量()泊松比粘聚力()摩擦角(°)填土层SOLIDE4518.10.010.452026粉质粘土SOLIDE4518.50.030.353021花岗岩SOLIDE4518.80.320.353522.5片盾构管SHELL6325.031.00.20——桥梁桩基BEAM425.031.00.20——

4模型计算与分析

4.1桩基础变形位移分布图

(a)x方向(b)y方向

图5盾构通过后桩基础分布图

桩基础的位移值为相对于隧道掘进前的位移,盾构通过前后，x方向位移变化最大值0.0121mm,y方向位移变化最大0.02mm。

4.2桩基础弯矩分布图

(a)隧道掘进前(b)掘进至450环(c)掘进至452环

(d)掘进至454环(e)掘进至456环(f)掘进至458环

图6桩基础弯矩分布图

隧道掘进前后，桩基础的弯矩值随着掘进逐渐增大，变化趋势如图7，在456管片处最大弯矩值为8.8kN·m。

图7弯矩值随掘进管片环数变化

4.3桩基础轴向应力分布图

(a)隧道掘进前(b)掘进至450环(c)掘进至452环

(d)掘进至454环(e)掘进至456环(f)掘进至458环

图8桩基础轴力分布图

隧道掘进前后，桩基础的轴力值随着掘进逐渐减小且数值变化小，变化趋势如图9，最大轴力值为1490kN。

图9轴力值随掘进管片环数变化

4.4桩基础剪力分布图

(a)隧道掘进前(b)掘进至450环(c)掘进至452环

(d)掘进至454环(e)掘进至456环(f)掘进至458环

图10桩基础剪力分布图

隧道掘进前后，桩基础的剪力值随着掘进逐渐增大且在管片454处有减小的突变，变化趋势如图11，最大轴力值为4.41kN。

图11剪力值随掘进管片环数变化

4.5桩基础承载力验算

选取桩基础的最大弯矩值和最小轴力值的组合进行验算。有限元分析得到桩基础计算弯矩值为8.8kN·m，轴力值为1490kN，最大轴力值为4.41kN。

验算根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004)中的迭代公式：

复核验算偏心距e0:412.1（mm）；γ0Nde0:24.99(kN.m)；偏心距e0与设计值ηe0的偏差(%):0.30，偏差小于2％，预假设值ξ满足要求。

计算轴力承载值：Ar2fcd+Cρr2fsd'=11876.16(kN)

计算弯矩承载值：Br3fcd+Dρgr3fsd'=4893.96(kN·m)

经计算，桩基础的计算轴力承载值为11876.16kN，计算弯矩承载值为4893.96kN·m，远大于有限元分析得到的最大弯矩9kN·m。

5结论

根据有限元分析计算分析与验算公式，得出以下结论：

1)由于隧道位于端承桩中风化持力层上，隧道开挖造成桩的整体下沉、倾斜可能性较小。

2)隧道开挖可能造成地下水位下降，致使桩基础的受到的水平压力不均，使桩产生附加内力。这种情况产生的附加内力是很小，可以采用监测手段进行识别，通过注浆进行控制。

3)地层损失对桥梁桩基础的影响体现在有限元分析的结果。隧道从450环掘进至458环过程中，桩基础的弯矩从0.7kN·m增加至8.8kN·m。说明隧道掘进过程中，对桩基础的内力有影响。桩基础的承载力为4893.96kN·m，远大于有限元分析得到的最大弯矩8.8kN·m，表明隧道掘进过程中桩基础安全可靠。

参考文献

[1]杨永平,周顺华等.软土地区地铁盾构区间隧道近接桩基数值分析[J].地下空间与工学报,2006(2):561～565.

[2]黎永索,阳军生等.盾构隧道下穿地下建筑物时的地表沉降分析[J].防灾减灾工学报,2013(33):705～710.

[3]陈元庆.宁波地铁1号线泽大区间盾构隧道障碍物处理技术[J].隧道建设,2011(31增)：162～170.

[4]陈书文，吴二林等。盾构隧道侧穿建筑物对其桩基的影响分析[J].人民长江，2013（44）：52～54.

[5]张志强,何川.深圳地铁隧道邻近桩基施工力学行为研究[J].岩土工程学报.2003,25(2):204-207.