某橋梁樁基施工對高鐵隧道影響分析

李 煉

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，城市用地條件越來越緊張，市政橋梁建設(shè)條件也越來越受限。越來越多的高架橋梁在設(shè)計和施工時都不可避免的與周邊構(gòu)筑物發(fā)生關(guān)系，尤其是許多高架橋梁在下部結(jié)構(gòu)施工時，會對周邊或地下結(jié)構(gòu)物造成擾動，如何減少或避免擾動，成為城市橋梁設(shè)計和施工中較為突出的問題。

土是由巖石風化而成的松散顆粒集合體，其本構(gòu)模型十分復雜。彈性本構(gòu)模型主要有：線彈性模型、非線性模型（如Duncan-Chang）雙曲線模型、高階非線彈性理論模型（如Cauchy 彈性理論、Green超彈性理論）等。其中Duncan-Chang 模型應(yīng)用比較廣泛。彈塑性模型主要有：劍橋模型（Cam-Clay）、萊特-鄧肯（Lade-Duncan）模型、清華彈塑性模型等，其中劍橋模型較為廣泛。土體的屈服準則或破壞準則主要有：特雷斯卡（Tresca）準則與廣義特雷斯卡。（Tresca）準則、米塞斯(Von-mises)準則和廣義米塞斯準則等。

近些年來，結(jié)合各自施工工程項目，有大量科研工作者和設(shè)計人員對樁基施工對周邊結(jié)構(gòu)物的擾動做了大量研究：李智彥[1]采用GTS 值方法，對鉆孔灌注樁對臨近樁基的影響進行了數(shù)值模擬；陳建華[2]采用PLAXIS 對沖孔樁施工對橋梁樁基的動力影響進行了分析；李永盛[3]等通過按照彈性地基梁理論，推導了盾構(gòu)施工過程中土體對現(xiàn)狀構(gòu)筑物的內(nèi)力和撓曲影響的計算公式；

張志強[4]等針對隧道施工對既有樁基的影響，進行了三維有限元數(shù)值模擬。目前關(guān)于樁基施工對高鐵隧道的影響還不多見

本文結(jié)合工程實例，通過三維有限元軟件MIDAS GTS 對樁基進行數(shù)值模擬，研究分析了樁基施工各個階段對高鐵隧道的影響，可用于工程施工參考。

1 工程概況

某工程新建橋梁位置受限，需要在高速鐵路隧道兩邊設(shè)置樁基，樁基最近距離隧道結(jié)構(gòu)邊線最近處約7.8 m。新建橋梁樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑2 m，按照嵌巖樁設(shè)計，樁長80 m，其中14 號墩橋梁樁基距離隧道結(jié)構(gòu)邊線最近約7.8 m（見圖1），隧道為單洞隧道，埋深約15 m，隧道直徑約14 m。橋梁樁基在施工時對既有隧道有一定影響，應(yīng)對樁基施工周邊的土體和隧道的變形和受力變化進行分析，評估施工過程對既有隧道的影響。

圖1 新建橋梁樁基與既有隧道平面關(guān)系

2 計算建模

2.1 整體模型

采用MIDAS GTS 建立樁基和隧道三維有限元模型。

根據(jù)圣維南原理，建模時選取足夠大尺寸的模型，模型尺寸為長（Y）×寬（X）×高（Z）=240 m×180 m×120 m，共有258 373 個單元，45 055 個節(jié)點，模型整體網(wǎng)格劃分見圖2。模型中，隧道采用2D 殼單元，土層和樁體采用3D 實體單元，土體采用Drucker-Prager屈服準則，橋樁采用線彈性本構(gòu)模型。

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 計算參數(shù)選取

邊界條件：模型采用位移邊界條件，底面為固定約束，側(cè)面為法向約束。

土體由上至下共分為5 層，最下面一層為巖層，每層參數(shù)按照勘察報告中選取，見表1、表2。

表1 土體參數(shù)表

表2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 計算工況

為了模擬樁基施工對高鐵隧道的影響，本次計算選取如下2 個工況進行分析：

工況1：樁基成孔過程中；

工況2：橋梁運營后。

3 分析結(jié)果

3.1 工況1

3.1.1 承臺周邊變形分析

在工況1 時，樁基成孔過程中產(chǎn)生的樁基周邊土的豎向位移見圖3～圖6。

圖3 14 號墩樁基周邊豎向位移云圖

圖4 14 號墩樁基橫向位移云圖

圖5 15 號墩樁基豎向位移云圖

圖6 15 號墩樁基橫向位移云圖

由上述地層豎向和橫向位移云圖可知，在工況1情況下，地層位移主要由于樁基開挖導致，由于樁基成孔以及承臺開挖施工，導致承臺處在周邊地層應(yīng)力作用下，產(chǎn)生了隆起，豎向最大隆起為9.3 mm；最大沉降0.2 mm，在樁基周邊。橫向由于樁基成孔，在地層應(yīng)力作用下，樁位處產(chǎn)生了橫向位移，最大為9.0 mm，位于樁底。

3.1.2 隧道變形分析

在工況1 時，樁基成孔過程中產(chǎn)生的隧道變形見圖7、圖8。

圖7 隧道豎向變形

圖8 隧道橫向變形

由上述隧道豎向和橫向位移云圖可知，在工況1情況下，隧道受樁基旋挖施工影響，在臨近樁基位置出現(xiàn)較大位移。豎向最大隆起為0.4 mm，位于拱腰。最大沉降為0.2 mm，位于拱頂。橫向最大位移為0.9 mm，位于拱腰。縱向最大位移為0.1 mm，位于拱腰。

3.1.3 隧道內(nèi)力分析

在工況1 時，樁基成孔過程中產(chǎn)生的隧道內(nèi)力見圖9、圖10。

圖9 隧道橫向彎矩圖

圖10 隧道橫向軸力

由上述隧道橫向和縱向彎矩云圖可知，在工況1情況下，隧道橫向最大正彎矩為398.9 kN·m，位于拱腳，最大負彎矩為401.6 kN·m，位于拱底；隧道橫向最大軸力為2 030.5 kN，位于拱腳。

3.2 工況2

3.2.1 樁基周邊變形分析

由上述樁基周邊地層位移云圖（見圖11～圖14）可知，在工況2 情況下，在運營階段，樁基在承受樁頂力工況下，會產(chǎn)生豎向變形，從而導致周邊土產(chǎn)生一定的隆起，豎向最大隆起為3.5 mm，位于樁基承臺周邊處；同時樁基底部由于樁身自身受壓彈性變形，導致周邊土體也發(fā)生沉降，最大沉降4.6 mm。樁基由于豎向變形在樁底同時也產(chǎn)生橫向變形，最大為9.0 mm。

圖11 14 號墩樁基周邊豎向位移云圖

圖12 14 號墩樁基周邊橫向位移云圖

圖13 15 號墩樁基周邊豎向位移云圖

圖14 15 號墩樁基周邊橫向位移云圖

3.2.2 隧道變形分析

由上述隧道位移云圖（見圖15、圖16）可知，在工況2 情況下，隧道豎向最大變形為1.0 mm，位于拱腰。橫向最大位移為0.8 mm，位于拱腰。

圖15 隧道豎向變形

圖16 隧道橫向變形

3.2.3 隧道內(nèi)力分析

由上述隧道位移云圖（見圖17、圖18）可知，在工況2 情況下，隧道橫向最大正彎矩為417.4 kN·m，位于拱腳，最大負彎矩為409.2 kN·m，位于拱底；隧道橫向最大軸力為2 031.8 kN，位于拱腳。

圖17 隧道橫向彎矩

圖18 隧道橫向軸力

4 隧道受力分析

由工況1 和工況2 的分析可知，隧道在工況1和工況2 的作用下，都會產(chǎn)生一定的橫向和縱向彎矩，該彎矩主要是由于樁基施工所導致的。由于在進行GTS 分析時，是單獨將工況1 和工況2 分開分析的，實則在最終運營狀況下工況1 和工況2 是受力疊加的過程，工況2 是在工況1 內(nèi)力和變形已經(jīng)發(fā)生的基礎(chǔ)上進一步的發(fā)生變形和內(nèi)力。故在進行隧道受力分析時，應(yīng)綜合考慮兩個階段的變形和內(nèi)力，鑒于工況2 成樁后，對周邊土體變形有一定的抑制作用，在此為了方便分析，將工況1 和工況2 產(chǎn)生的內(nèi)力和變形進行疊加來對隧道受力進行分析。

隧道主要受力模式與變形為橫向變形，在此根據(jù)上述工況1 和工況2 的計算結(jié)果，隧道在橫向彎矩作用下，計算由此隧道裂縫見表3。

表3 隧道裂縫表

由以上計算可知，隧道在工況1 和工況2 條件下，隧道在拱腳處產(chǎn)生較大的裂縫，最大裂縫約0.19 mm?？梢钥闯觯芽p雖小于規(guī)范要求的0.2 mm，但已經(jīng)比較接近，設(shè)計和施工時建議對地層考慮預先加固措施。。

5 結(jié)語

由以上分析可見，受樁基施工的影響，從樁基開挖至施工完成，地層及隧道結(jié)構(gòu)的受力均有一定變化。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）工況1 下樁基成孔施做階段，由于基坑開挖，導致周邊土產(chǎn)生隆起，故建議在工況下基坑開挖時做好支護。

（2）就地層而言，地層最大變形均發(fā)生在樁基處，豎向隆起減小，豎向沉降增大。橫向變形及縱向變形變化不明顯。隧道結(jié)構(gòu)最大位移始終出現(xiàn)在臨近樁基區(qū)域。當樁基開挖時，隧道結(jié)構(gòu)上同時存在隆起及沉降位移，而樁基施做完成后，隆起消失，最大沉降位移增大。隧道橫向及縱向位移變化不明顯。

（3）就隧道內(nèi)力而言，隨著樁基施做完成，隧道橫向軸力略有增大。隧道縱向整體沉降趨同，縱向軸力有所減小。隧道橫向、縱向彎矩均略有增加。

綜上可見，相對于樁基的開挖半徑，樁基與隧道結(jié)構(gòu)的間距較大，樁基開挖與施做對隧道結(jié)構(gòu)的影響有限。隧道受力和變形影響基本在規(guī)范和鐵路部門允許范圍內(nèi)。以后類似橋樁與地下結(jié)構(gòu)物較近的工程項目，采用MIDAS GTS 進行三維實體分析，不失為一種有效的方法。