盾构掘进面土压力对邻近桥梁桩基的影响_刘敏.pdf

-100-盾构掘进面土压力对邻近桥梁桩基的影响刘 敏，张 奇，严志秀（云南省公路工程监理咨询有限公司，云南 昆明 650021）摘要：依托某轨道交通线下穿高速公路立交桥盾构施工实例，建立有限元模型，模拟分析盾构施工过程中掘进面土压力对临近桥梁桩基的影响，得出在掘进面土压力作用下桩基产生的水平位移沿桩深的分布规律、桩基水平位移随掘进面土压力的变化规律、掘进面压力对桩基竖向位移影响较小的 结论。关键词：桥梁桩基；位移；数值分析；掘进面土压力；盾构施工；侧穿中图分类号：U445 文献标识码：BInfluence that earth pressure of shield tunneling face has on adjacent bridge pile foundationLIU Min,ZHANG Qi,YAN Zhixiu（Yunnan Highway Engineering Supervision and Consultancy Co.,Ltd.,Yunnan Kunming 650021 China）Abstract:Relying on a rail transit line through highway overpass shield construction example,establish a finite element model,simulation analysis of the influence of shield construction in the influence of near bridge pile foundation,in horizontal displacement of pile foundation under the pressure of pile foundation along the pile depth distribution law,horizontal displacement of pile foundation with the change of the tunneling surface soil pressure,tunneling surface pressure less influence on vertical displacement of pile foundation.Key words:bridge pile foundation;displacement;numerical analysis;earth pressure;shield tunneling;pass through引言我国城市地上公路桥梁分布较为广泛，地铁下穿桥梁施工不可避免，且多以盾构法施工为主。盾构施工下穿桥梁时，施工参数掘进面土压力的控制尤为重要，过大将对邻近桩基造成损坏，过小将影响施工进程，加之复杂的地质条件，盾构下穿桥梁施工安全风险较大。国内外学者就地铁盾构下穿桥梁的施工问题开展了广泛研究，LEE 和 RICHARD1通过模型试验与有限元理论，对盾构施工对桩基的影响进行了分析，结果表明邻近桩基的变形、内力与桩径、桩长、桩顶荷载、隧道断面、土层性质等有关；马亚丽2考虑了地层的非线性以及桩土间的相互作用，利用 ABQUS 有限元软件模拟天津地铁 2号线的盾构施工过程，得到了盾构施工时地层的变形情况及对邻近桩基的影响规律。1 依托工程简介某轨道交通线下穿高速公路立交桥，区间隧道埋深 23.96 23.99 m。隧道由小里程到大里程依次侧穿高速公路立交桥A匝道桥（A5#、A6#、A7#墩），B 匝道桥（B1#、B2#、B3#墩），主桥左半幅（33#、34#、35#墩），主桥右半幅（33#、34#、35#墩），C 匝道桥（C10#、C11#、C12#墩），D 匝道桥（D1#、D2#、D3#墩），穿越区间桥墩基础均采用四桩承台结构，桩基础均为直径 1.2 m 的钻孔灌注摩擦桩，区间隧道与桥梁桩基的最小水平净距为 1.6 m，最小竖向距离为 0.7 m（桩底位于隧道顶部侧上 0.7 m）。因该轨道交通线下穿高速公路立交桥区间隧道因距离桥梁桩基较近，为保证质量及安全，盾构施工前采用袖阀管对桩基附近地面进行注浆预加固，制浆材料采用42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为11，水玻璃掺量为 3%，主桥左右幅 34#墩袖阀管注浆加固范围为 10.4 m10.4 m，加固深度分别为 28.96 m、29.27 m，见图 1。收稿日期：2022-06-17作者简介：刘敏（1990），女，山东泰安人，硕士研究生，工程师，研究方向为桥梁与隧道工程。2022 年第 6 期山东交通科技-101-（a）立交桥主桥左半幅注浆加固（b）立交桥主桥右半幅注浆加固图 1 立交桥主桥袖阀管注浆加固/mm盾构区间管片内径 5 500 mm，厚度 350 mm，宽度 1 200 mm，穿越区域采用 A 型加强型管片，错缝拼装方式，盾构施工先施工右幅，右幅施工完成后进行左幅施工。立交桥下方土层自上而下依次为素填土、黏土、粉砂、圆砾土、黏土、粉质黏土。桥址区未见地表水发育情况，地下孔隙潜水主要赋存于场区表部填土和浅部黏土、粉质黏土、淤泥质土、泥炭质土，接受大气降水的补给，富水性及透水性均较差。2 盾构施工掘进面土压力对邻近桥梁桩基的影响分析2.1 有限元模型 采用 Midas GTS NX 软件进行模拟，选取与盾构施工范围距离最近的主桥左右幅 34#墩 1、4#桩为分析对象，模拟原施工方案右幅隧道施工过程。既有桥梁桩基采用梁单元模型，承台等钢筋混凝土结构采用弹性模型，岩土体采用弹塑性模型，桩与土之间的接触通过接触单元模拟3，计算中采用莫尔-库伦屈服准则判断岩体的破坏，采用“位移”“内力”收敛条件。各种材料的模型计算参数、桩基础参数、管片参数等依据工程地质勘察报告及设计取值。对距离主桥左右幅 34#墩各桩基最近点位施工阶段 1 8 中掘进面土压力分别为 200 kN/m2、260 kN/m2、300 kN/m2、400 kN/m2和 500 kN/m2时主桥左右幅 34#墩桩基的桩身水平位移及桩顶竖向位移进行分析，具体工况见表 1、表 2，主桥左右幅33 35#墩模型见图 3。表 1 主桥左右幅 33 35 墩施工阶段12345678详情掘进至左幅34-1#桩掘进至左幅33-2#桩掘进至左幅34-4#桩掘进至左幅33-3#桩掘进至右幅34-1#桩掘进至右幅33-2#桩掘进至右幅34-4#桩掘进至右幅33-3#桩表 2 模型计算工况分析桩号施工阶段掘进面土压力/（kNm-2）主桥左右幅 34-1、2、3、4#桩1、2、3、4、5、6、7、8200、260、300、400、500（a）整体模型（b）主桥邻近桩基、隧道位置关系图 3 主桥左右幅 33 35#墩模型本项目模型将底面 Z 方向位移固定，侧面 X、Y方向位移固定，主桥左右幅 34#墩桩基顶部分别施加本桥设计时的桩顶反力值。2.2 掘进面土压力对邻近主桥桩基的影响分析2.2.1 相同掘进面土压力不同施工阶段下沿桩身深度的水平位移主桥右幅 34-4#桩在相同掘进面土压力不同施工阶段下的沿桩身深度水平位移变化情况见图 4。沿桩身水平位移/mm施工阶段 8施工阶段 7施工阶段 6桩身深度/m-0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5-5-10-15-20-25-30-35（a）掘进面土压力为 200 kN/m2 桩身深度/m沿桩身水平位移/mm施工阶段 8施工阶段 7施工阶段 6-0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0-5-10-15-20-25-30-35（b）掘进面土压力为 300 kN/m2刘 敏，张 奇，严志秀：盾构掘进面土压力对邻近桥梁桩基的影响-102-图 4 桩沿桩深度水平位移变化情况桩身深度/m-5-10-15-20-25-30-35沿桩身水平位移/mm0 1 2 3 4 5 6施工阶段 8施工阶段 7施工阶段 6（c）掘进面土压力为 400 kN/m2桩身深度/m-5-10-15-20-25-30-35沿桩身水平位移/mm预警值0 2 4 6 8 10 施工阶段 8施工阶段 7施工阶段 6（d）掘进面土压力为 500 kN/m2由图 4 可以看出，在盾构施工过程中掘进面土压力会对隧道区域以外一定范围内的桩基产生推挤作用，既有桥梁桩基受盾构施工掘进面土压力的影响，与盾构隧道施工区域相对应的桩基位置处产生明显向外的挠曲变形，且随着盾构施工断面与既有高架桥桩基距离的临近，挠曲变形愈发明显。从桩基整体变形情况看，沿桩身向上由于盾构施工引起的桩身水平位移逐渐减小，在桩顶处有水平位移最小值，即水平位移沿桩身深度呈桩顶最小、盾构施工对应最近位置处最大、桩端次之的分布规律。2.2.2 相同施工阶段不同掘进面土压力下沿桩身深度的水平位移主桥右幅 34-4#桩在相同施工阶段不同掘进面土压力下的沿桩身深度水平位移变化情况见图 5。桩身深度/m-5-10-15-20-25-30-35沿桩身水平位移/mm0 1 2 3 4 5 6 7 8顶推力 500 kN/m2顶推力 400 kN/m2顶推力 300 kN/m2顶推力 260 kN/m2顶推力 200 kN/m2（b）施工阶段 6桩身深度/m-5-10-15-20-25-30-35沿桩身水平位移/mm0 1 2 3 4 5 6 7 8顶推力 500 kN/m2顶推力 400 kN/m2顶推力 300 kN/m2顶推力 260 kN/m2顶推力 200 kN/m2预警值（b）施工阶段 7桩身深度/m-5-10-15-20-25-30-35沿桩身水平位移/mm0 1 2 3 4 5 6 7 8顶推力 500 kN/m2顶推力 400 kN/m2顶推力 300 kN/m2顶推力 260 kN/m2顶推力 200 kN/m2预警值（c）施工阶段 8图 5 桩沿桩深度水平位移变化情况由图 5 可以看出，当盾构掘进面土压力从 200 kN/m2增至 300 kN/m2时，沿桩身深度水平位移相对增长较慢，而当盾构掘进面土压力从 300 kN/m2增至 400 kN/m2、400 kN/m2增至 500 kN/m2时，沿桩身深度水平位移增幅明显增加。由此说明，随着掘进面土压力的增加，邻近桩基产生的水平位移呈非线性增加趋势，过大的掘进面土压力会明显影响既有桥梁桩基的安全。2.2.3 相同施工阶段不同掘进面土压力下桩顶竖向位移盾构掘进至施工阶段 8 时，主桥左右幅 34-1、4#桩基在该阶段不同掘进面土压力下的桩顶竖向位移，涨幅见表 3。表 3 施工阶段 8 桩顶竖向位移涨幅/mm掘进面土压力/（kNm-2）左幅右幅34-1#桩桩顶竖向位移变化值34-4#桩桩顶竖向位移变化值34-1#桩桩顶竖向位移变化值34-4#桩桩顶竖向位移变化值200-4.32-4.32-4.70-4.11-300-4.33-0.01-4.320-4.72-0.02-4.12-0.01400-4.35-0.02-4.33-0.01-4.73-0.01-4.14-0.02500-4.37-0.02-4.35-0.02-4.76-0.03-4.16-0.02当盾构施工掘进至施工阶段 8 时，在不同掘进面土压力作用下，主桥左右幅 34-1、4#桩基桩顶竖向位移变化基本保持一致，且涨幅很小，右幅 34-1#桩顶竖向位移值最大，在掘进面压力为 500 kN/m2时为-4.76 mm。由此说明，掘进面土压力对桩基竖向位移影响较小，可以忽略。2.3 掘进面土压力控制值分析盾构掘进至施工阶段 8 时，主桥左右幅 34-1、4#桩基在不同掘进面土压力作用下的最大水平位移，涨幅见表 4。表 4 施工阶段 8 最大水平位移涨幅/mm掘进面土压力/（kNm-2）左幅右幅34-1#桩最大水平位移变化值34-4#桩最大水平位移变化值34-1#桩最大水平位移变化值34-4#桩最大水平位移变化值2002.16-1.90-2.49-2.05-3003.050.892.931.033.501.013.451.44004.391.344.711.785.722.225.982.535006.622.237.002.298.452.739.153.17当掘进面土压力为 400 kN/m2时，本项目主桥左右（下转第 111 页）2022 年第 6 期山东交通科技-111-行适当湿润。（2）按照 1 3 的比例稀释复合微生物菌液，然后将稀释后的复合微生物菌液均匀喷洒至煤矸石边坡表面，每平方米用量为 1 kg。（3）选用聚灰比为 1.2 的纯丙乳液，外掺一定量的消泡剂和成膜助剂，充分搅拌之后也均匀喷至坡面，喷洒厚度约为 5 cm，每平方米用量为 12 kg，首次喷涂后进行养护，养护时间不低于 7 d。（4）锚杆施工，主锚杆的水平和纵向间距均为 2.5 m，次锚杆的水平和纵向间距均为 1.2 m，锚杆与坡面垂直打设。（5）挂网施工，在初次喷射好的坡面铺设一层钢筋网，钢筋网用锚杆进行固定。（6）对坡面补喷高分子固化剂，以保证施工效果。（7）配制植生基材，土壤有机质废料黏结剂胶结材辅助黏结剂为 155 12.3 20.6 1.2 1.2 1.2，配制混合草种，高羊茅狗牙根黄花槐紫穗槐多花木兰为 20 30 15 15 20。（8）客土喷播，将配制好的植生基材和混合草种拌制成泥浆，然后进行喷播，每次喷播宽度为 5 m，喷播厚度为 10 cm。4.2 效果评价对该边坡施工 1 a 后进行复检，植物长势良好，覆盖率高，坡面雨水冲刷痕迹不明显，坡面环境质量得到明显改善，表明采用微生物+纯丙溶液固化剂对煤矸石边坡进行客土喷播防护效果显著，取得了较好的生态恢复效果。5 结语（1）复合微生物菌液可对煤矸石中的重金属等污染物进行有效降解，改善植被的生长环境。（2）采用固化剂对煤矸石进行固化改良，可有效减少土体冲刷量，抗冲刷能力明显提升；纯丙乳液固化剂的固化效果优于苯丙乳液固化剂。（3）现场施工过程中应注意植生基材和混合草种的配制，在挂网施工结束后需要对坡面多次补喷高分子固化剂，才能有效保证施工效果。参考文献：1 林江宇,吴勇,马鑫文,等.降雨条件下煤矸石高边坡稳定性评价J.科学技术与工程,2021,21（34）:14775-14782.2 杨果林,陈子昂,段君义,等.格宾网加筋煤矸石界面剪切特性及路堤边坡稳定性研究J.煤田地质与勘探,2021,49（6）:186-192,199.3 刘益芳,易文,眭子凡.煤矸石边坡生态防护施工技术研究J.大众标准化,2020（15）:88-89.（上接第 102 页）幅 34-1、4#桩基水平位移均较接近桩基允许水平位移 6 mm4，而当盾构掘进面土压力为 500 kN/m2时，主桥左右幅 34-1、4#桩最大水平位移分别为 6.62 mm、7.00 mm、8.45 mm、9.15 mm，均已超过既有桩基允许位移 6 mm4，因此，建议本项目进行盾构隧道施工时掘进面土压力不超过 400 kN/m2，且掘进面土压力接近 400 kN/m2时，应密切关注桩身水平位移，防止盾构施工对既有高架桥桩基产生过大 影响。3 结语（1）在盾构施工过程中施工参数掘进面土压力会对隧道区域以外一定范围内的桩基产生推挤作用，与盾构隧道施工区域相对应的桩基位置处明显产生向外的挠曲变形，且沿桩身深度水平位移呈桩顶最小、盾构施工对应位置处最大、桩端次之的分布规律。（2）随着盾构施工断面与既有桩基距离的临近，掘进面土压力对桩基的推挤作用愈发明显。（3）盾构施工掘进面土压力对桩基竖向位移的影响较小，可以忽略，但随着掘进面土压力的增加，邻近桩基产生的水平位移呈非线性增加趋势，过大的掘进面土压力会明显影响既有高架桥桩基的安全。参考文献：1 LEE Y J,RICHARD H.Influence zones for 2D pile-soil-tunneling interaction based on model test and numerical analysis.Thunneling and Underground Space Technology,2006（7）:1016-1034.2 马亚丽.盾构隧道开挖对邻近桩基影响的数值模拟研究D.大连:大连理工大学,2012.3 李龙剑.基坑开挖对邻近桥梁桩基的影响分析J.地下空间与土木工程学报,2011（S2）:1697-1701.4 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑桩基技术规范:JGJ 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