城市地鐵明挖隧道對高架橋樁基影響的數(shù)值分析

吳超?。ㄖ貞c交通大學 土木工程學院，重慶 400074）

城市地鐵明挖隧道對高架橋樁基影響的數(shù)值分析

吳超俊
（重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074）

為評估明挖地鐵區(qū)間隧道施工對高架橋的影響，結(jié)合重慶軌道交通環(huán)線某區(qū)間隧道施工，采用有限元分析軟件MIDAS-GTS建立了隧道及橋墩的三維模型進行數(shù)值模擬，分析了隧道開挖對橋墩、圍巖的應(yīng)力及位移影響.結(jié)果表明：隧道開挖后圍巖和橋墩沉降的不同，橋梁樁身將受到圍巖的負摩擦力作用；隧道開挖在橋墩距隧道近端引起的樁基位移向下，在遠端引起的豎向位移向上；開挖荷載對樁基應(yīng)力影響不僅與橋墩到開挖隧道之間的距離有關(guān)，還與橋梁樁基高度有關(guān)，隧道支護錨桿最大軸力為7.07 kN能滿足安全穩(wěn)定性的要求.

地鐵隧道；明挖；樁基；沉降；數(shù)值模擬

隨著城市地鐵的發(fā)展，地鐵線路不可避免要穿越或靠近城市立交橋，隧道的開挖會對立交橋的橋墩內(nèi)力及形變產(chǎn)生不同程度的影響，甚至影響到上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[1].許多學者采用不同的數(shù)值計算方法對暗挖隧道開挖對周邊環(huán)境的影響進行了研究[2-6]，而明挖隧道的施工工藝與暗挖有著很大的差異，本文以重慶市軌道環(huán)線某區(qū)間隧道明挖段為工程背景，采用數(shù)值模擬方法分析工程施工對附近跨線橋橋墩的影響.

1 工程概況

1.1 位置關(guān)系

重慶軌道交通環(huán)線某區(qū)間隧道與高架橋呈15°走向，高架橋位于該明挖段的西側(cè)，其間有高架橋4#～9#橋墩.高架橋基礎(chǔ)位于隧道結(jié)構(gòu)底板以下，4#～9#橋墩基礎(chǔ)與隧道開挖面最小距離為12.17 m.如圖1、2所示.

2 三維有限元模型的建立

根據(jù)工程圖紙及結(jié)合實際情況，模擬尺寸XYZ 3個方向分別取為200 m× 1 85 m× 50 m.模型中圍巖、橋臺均采用實體單元，錨桿采用線單元，噴射混凝土采用板單元.其中噴射混凝土采用析取的方式建模，錨桿采用植入式桁架.模型底部進行豎向約束，前后左右施加法向約束，頂部為自由面.其巖土體物理力學參數(shù)見表1，具體計算模型如圖3所示.1.2 隧道結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計支護參數(shù)

圖1 區(qū)段局部關(guān)系平面示意圖

圖2 區(qū)段局部關(guān)系立面圖（單位：m）

此段均為雙側(cè)放坡開挖，基坑西側(cè)放坡比例為1:0.7，中部有1.5 m寬的放坡平臺，基坑東側(cè)放坡比例為1:0.7，無放坡平臺，兩側(cè)坡面均采用200 mm× 200 mm 雙層Φ8鋼筋，100 mm厚的C25噴射混凝土面層，直徑為42 mm且與水平方向呈15°角的注漿鋼花管@1.2 m× 1 .2 m梅花形布置支護加固.基坑底部采用200 mm厚的C20混凝土墊層，基坑坡腳布置深400 mm，寬500 mm的排水溝.

1.3 工程地質(zhì)條件

區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)底板以上以填土為主，土層平均厚度約10 m，中間有1 m厚度的粉質(zhì)粘土，結(jié)構(gòu)底板以下由砂巖和砂質(zhì)泥巖不等厚的正向沉積韻律層組成.以紫紅色砂質(zhì)泥巖為主，夾淺灰色、灰白色薄層至中厚狀砂巖.出露的地層由上而下依次可分為第4系全新統(tǒng)填土層（Q4ml）、殘坡積層（Q4el+dl）和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）沉積巖層，圍巖級別為Ⅳ級，巖體整體穩(wěn)定.

表1 模型參數(shù)取值

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 圍巖位移分析

隧道開挖不可避免會對土體造成擾動，根據(jù)文獻[7]的理論分析，隧道開挖對地表沉降的影響由近至遠依次減小呈高斯分布，隨著支護的施作，圍巖位移趨于穩(wěn)定，隧道開挖完成后圍巖水平方向位移云圖和豎直方向位移云圖如圖4、5所示，為了更好地反映出隧道在不同開挖步序?qū)Ω呒軜騽討B(tài)影響，在高架橋提取7#、8#橋墩基礎(chǔ)上臺階的4個角點A、B、C、D 4點位移的數(shù)值計算結(jié)果，具體位置如圖6所示.

圖4 隧道開挖完后圍巖豎向位移云圖

圖5 隧道開挖完后圍巖水平位移云圖

根據(jù)施工方提供的施工方案將施工步分為11步，第1步為初始地應(yīng)力場的計算，第2、3步模擬4#～5#橋墩所在區(qū)段土體的開挖和支護，第4、5步模擬5#～6#橋墩所在區(qū)段土體的開挖和支護，第6、7步模擬6#～7#橋墩所在區(qū)段土體的開挖和支護，第8、9步模擬7#～8#橋墩所在區(qū)段土體的開挖和支護，第10、11步模擬8#～9#橋墩所在區(qū)段土體的開挖和支護.

4#～6#橋墩區(qū)段隧道的開挖深度小于6#～9#橋墩區(qū)段.圍巖最大豎直方向位移為8.82 mm，最大水平方向位移為1.86 mm，均位于8#～9#橋墩區(qū)段圍巖，表明圍巖位移與隧道開挖深度有很大關(guān)系，開挖深度越大圍巖位移也將越大.結(jié)合7#橋墩的A點和8#橋墩的C點數(shù)值計算結(jié)果以及A、C正上方地表沉降值與地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)得出沉降變化折線圖如圖7所示，隨著開挖的靠近，橋墩和地表的沉降值逐漸增大，A、C正上方地表沉降值的監(jiān)測數(shù)據(jù)最大值分別為1.80 mm、1.90 mm，略大于數(shù)值計算結(jié)果的1.17 mm、1.36 mm，監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果變化基本吻合，趨勢都是隨著隧道開挖的靠近而增大，符合隧道開挖變化的一般規(guī)律.A、C兩點在整個施工過程中地表沉降值大于橋墩沉降，區(qū)間隧道的開挖將導(dǎo)致橋墩由原來的受正摩擦力轉(zhuǎn)換為受土體的負摩擦力作用，對橋墩的受力將十分不利，必須采取措施減小地表沉降.

圖6 4#～9#橋墩沉降取點

圖7 隧道施工引起的沉降

3.2 橋墩位移分析

橋墩位移云圖如圖8、圖9所示，該段隧道開挖后，在側(cè)向圍巖壓力的作用下，導(dǎo)致4#～9#橋墩及基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的水平位移和豎直位移，隧道開挖后 4#～9#橋墩水平移動最大值為0.81 mm，位于9#橋墩底部，隨著橋墩與隧道距離的減小水平位移逐漸增大.9#橋墩的豎向位移發(fā)生在靠近開挖區(qū)間隧道的一側(cè)，位移向下，最大沉降量為0.50 mm，橋墩遠離開挖的一側(cè)豎向位移向上，最大值為0.35 mm，豎向最大位移與水平最大位移均發(fā)生在9#橋墩.

圖8 4#～9#橋墩豎向位移圖

圖9 4#～9#橋墩水平位移圖

A、B、C、D 4點的沉降變化曲線如圖10所示.不同開挖步對橋墩的影響各不相同，第2步到第5步的開挖與支護雖然施工范圍較大，但與7#橋墩、8#橋墩相距較遠，橋墩受到的影響較小.第6步開挖至7#橋墩，A、B兩點的沉降明顯增大，第7步支護的進行橋墩沉降趨于穩(wěn)定，隨著隧道開挖的進行，第8步和第9步的施工在8#橋墩上表現(xiàn)出同樣的沉降規(guī)律.A、C兩點的沉降值大于B、C兩點，A點沉降值為0.42 mm，小于C點沉降值0.46 mm，表明橋墩離開挖區(qū)越近所受到的影響將會越大.

圖10 7#、8#橋墩位移動態(tài)分析圖

3.3 橋墩應(yīng)力分析

地鐵區(qū)間隧道開挖后橋墩基礎(chǔ)頂面豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力值見表2，6#橋墩樁身長度是9#橋墩的1.008倍，6#橋墩與明挖隧道之間的距離為 9 #橋墩的1.2倍，6#橋墩的豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力分別為9#橋墩的0.62 倍、0.34倍，表明橋墩應(yīng)力與開挖區(qū)的距離有關(guān)；7#橋墩與明挖隧道之間的距離為6#橋墩的1.015倍，7#橋墩的高度為6#橋墩的1.08倍，7#橋墩的豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力分別為6#橋墩的1.27倍、1.44倍，表明橋墩應(yīng)力與橋墩樁身長度有關(guān).

表2 開挖后橋墩應(yīng)力值

3.4 錨桿支護應(yīng)力分析

環(huán)線隧道開挖導(dǎo)致圍巖變形，使巖體應(yīng)力重分布，圍巖開挖后錨桿對隧道的加固與支護有著十分重要的作用.隧道開挖后錨桿軸力云圖如圖11所示.由云圖可知錨桿軸力隨著區(qū)間隧道開挖深度的增加而增加，整個區(qū)間隧道錨桿所受最大軸力為7.07 kN，小于《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[8]要求，錨桿軸力處于安全狀態(tài).

圖11 錨桿軸力云圖

4 結(jié)論

通過三維有限元模型對明挖隧道施工過程進行數(shù)值模擬計算，結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析其對鄰近高架橋樁基的影響，可以知道：1）A、C兩點正上方地表沉降值的計算分析結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合，地表沉降值隨著開挖的靠近而增大，隨著隧道支護的施作而逐漸趨于穩(wěn)定.2）隧道開挖對圍巖和橋墩有著不同程度的影響，圍巖沉降遠大于橋墩沉降，這種沉降差將導(dǎo)致在整個施工過程中橋墩將受到土體的負摩擦力作用，使橋墩受力處于十分不利狀態(tài)，必須及時對圍巖進行支護減小圍巖變形從而減小橋墩受到的負摩擦力.3）隧道開挖對同一橋墩兩側(cè)位移有不同的影響，開挖區(qū)近端位移向下，遠端位移向上，橋墩的不均勻沉降將引起橋面發(fā)生傾斜，從而影響橋梁的受力.4）橋墩應(yīng)力不僅與開挖隧道的距離有關(guān)還與橋梁樁基長度有關(guān)，隧道開挖時應(yīng)對長樁身橋墩和近距離橋墩加強監(jiān)控.綜上，隧道離橋墩越近，工程對橋墩的位移、應(yīng)力影響越明顯.因此，近距離施工時應(yīng)減慢開挖速度，及時進行圍巖支護，對地表沉降進行監(jiān)測.本文未分析樁身長度和橋墩與開挖區(qū)距離兩個因素分別對橋墩的影響規(guī)律，今后研究可以結(jié)合橋墩的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對二者的不同影響程度進行進一步分析.

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[責任編輯：韋 韜]

A Numerical Analysis of the Impact of Urban Open Excavation of Subway Tunnels on the Viaduct Pile Foundation

WU Chao-jun
(College of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

In order to evaluate the impact of open excavation of subway tunnels on viaducts,in light of the construction of a tunnel in a certain section of the Chongqing rail transit loop line,this study constructs a three-dimensional model of the tunnel and bridge piers using the finite element analysis software MIDAS GTS to analyze the impact of the tunnel excavation on bridge piers,stress of the surrounding rock and displacement.Results show that after the excavation of the tunnel,the settlement of the surrounding rock and the piers is different and the bridge piles will be subject to negative friction effect of the surrounding rock;the pile foundation displacement is downward where the tunnel excavation occurs close to the pile and the pile foundation displacement is upward when the excavation occurs at a distance from the pile;the stress effect of the excavation load on the pile foundation is not only related to the distance between the bridge pile and the tunnel being excavated but also to the height of the bridge pile foundation;the maximumaxial force of the tunnel supporting is 7.07 kN and can meet the requirement of safety stability.

subway tunnels;open excavation;pile foundations;settlement;numerical simulation

U465.33

A

1006-7302（2016）03-0030-05

2016-04-06

吳超俊（1992—），男，湖南婁底人，在讀碩士生，主要從事隧道及地下工程方面的研究.