隧道开挖过程中桥桩沉降机理研究

2017-12-28刘小四

黑龙江交通科技 2017年11期

关键词：桥桩桩体盾构

刘小四

(吉安市路桥工程局，江西吉安 343000)

隧道开挖过程中桥桩沉降机理研究

刘小四

(吉安市路桥工程局，江西吉安 343000)

主要从爆破施工动力响应和盾构推进中受力过程中来分析研究桩土的变形理论，首先采用经典Peck理论来预测底层损失，其次经爆破施工和盾构推进中岩土与桥桩之间的作用，以GAP等理论为参考，探讨桩土的相互作用理论。

盾构法；路桥结构；间隙参数

1 路桥爆破动力响应研究

1.1 爆破应力波传播特征

弹性波能够对地面建筑造成巨大的损伤。按装药形式的不同，在爆破时产生的波大致可分为两类，一类是柱形波，一类是球面波。且冲击波在传播过程中逐渐衰减称为应力波，而应力波在经过衰减之后就称弹性波。如图1 弹性波在介质中的反射和折射可知，弹性波在不同的介质中传播时，波的折射和反射情况不同，并且在波的传播过程中伴随着波型的转换。

图1 弹性波在介质中的反射和折射

1.2 岩土影响特征

在进行爆破施工时，爆破波首先会冲击到地面，之后会沿着地面传播，如图 2 岩土爆破破坏图所示。由图2可知，炸药爆炸之后，产生的高温气体带着高压会向周围的岩土层扩散，岩土结构内部会受到强烈的压缩，产生爆炸腔体，当腔体内部的气体压力下降后，会沿着爆破波的反向中心传播，使得岩石在两种力的作用下被拉断，在腔体周围产生裂缝。破坏区以外力的作用减小，形成振动区，会诱导周围岩石产生裂缝。当传播到地面的爆破波振动频率与岩土结构自振动频率相近，则建筑物会在共振作用下加剧破坏的速度。

图2 岩土爆破破坏图

2 地层形变与桥桩位移的影响

2.1 隧道开挖对桥桩作用的研究

衡量邻近桥桩是否需要保护的评价标准是邻近度的大小。桥梁邻近度需要在大量工程实践和经过精密的理论计算之后得到，在国内没有一套完整的桥梁邻近度的评价标准，只能借用日本的施工经验来说明隧道施工对桥桩的影响。桥桩与隧道及破裂面的相对位置大致可分为短桩、中长桩和长桩情形，由表 1 三种位置桥桩的下沉量和侧移量可知，侧移量的大小随着桥桩的变长而变大，对于长桩来说产生的侧移量最大，而下沉量的大小随着桥桩的变长而变小，短桩由于整个桩身都处在隧道顶部之上，其产生的下沉量最大。

表1 三种位置桥桩的下沉量及侧移量

2.2 上部荷载对桥桩的作用研究

在桥桩受到振动干扰时，会在桩体沉降过程中与周围的土体发生接触，产生静力平衡。桩体的位移是桩身与土体在静力平衡过程中产生的沉降，在这个过程中，桩身通过侧摩阻力将力扩散到土体中去，如图3 桩体作用力传递过程所示。由图3可知，桥桩在受到上部力的作用后发生沉降变形，且桩体的土体经过弹性变形、塑性变形之后，逐渐趋于稳定。

图3 桩体作用力传递过程

3 盾构推进中的受力分析

3.1 土压与盾构平衡原理及其受力状态

由于在挖掘盾构时对周围土体产生了振动及破坏，使得土体的原始应力发生改变，破坏了原始应力，引发了土体的位移。如图 4 隧道掌子面受力图，当水压及土压共同作用时，会使得隧道的压力剧增，产生超孔隙水压力，还会对隧道产生持续性的作用，使得隧道位移发生变化。

图4 隧道掌子面受力图

3.2 盾构施工的力学效应

在实际施工过程中，由于力的作用，使得盾构机的刀盘处在一个复杂的力的作用范围，导致周围土体的应力状态发生改变。在开始注浆之前，周围土体和管片之间会形成空隙，使得土体会下沉出现卸荷现象。注浆时，在注浆压力作用下，土体会逐渐向上位移，反复循环进行隧道的挖掘。盾构机在进行隧道挖掘时受到的力有土体带来的阻力也有机器本身的摩擦力，如表 2 盾构机受力及来源所示，盾构机主要受到来自土体的阻力。