隧道開(kāi)挖方法對(duì)鄰近既有橋梁影響的數(shù)值分析

劉金山

（中交隧道工程局有限公司，北京100102）

隧道開(kāi)挖方法對(duì)鄰近既有橋梁影響的數(shù)值分析

劉金山

（中交隧道工程局有限公司，北京100102）

結(jié)合大連地鐵春光街車站工程，通過(guò)數(shù)值模擬方法，在隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)橋梁過(guò)程中，首先在不進(jìn)行圍巖注漿加固的情況下，對(duì)比分析了“兩臺(tái)階”、“三臺(tái)階”的開(kāi)挖方法對(duì)樁基及承臺(tái)的影響；繼而在隧道內(nèi)進(jìn)行不同程度的加固條件下，對(duì)比分析了“兩臺(tái)階”、“三臺(tái)階”的開(kāi)挖方法對(duì)樁基及承臺(tái)的影響；最后給出了適宜的洞內(nèi)加固參數(shù)和開(kāi)挖方法。

隧道施工；既有橋梁；洞內(nèi)加固；位移；數(shù)值模擬

1　工程概況

春光街站位于大連市華北路與春光街交口處，為地下雙層分離島式車站，車站總長(zhǎng)186.15m，標(biāo)準(zhǔn)段寬41.5m。車站主體結(jié)構(gòu)附近受車站影響的橋樁共計(jì)13根，其中，右線墩號(hào)A351-2的橋樁邊緣距離車站主體開(kāi)挖邊緣距離分別為1.75m和3.3m，為距離隧道開(kāi)挖輪廓線最鄰近樁。如圖1所示。

圖1　樁與隧道開(kāi)挖輪廓線空間位置示意（單位：m）

城市地鐵臨近既有運(yùn)營(yíng)橋梁的施工一直是地鐵建設(shè)的重、難點(diǎn)之一，也是工程建設(shè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

本文以大連地鐵春光街車站隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)橋梁為工程背景，采用數(shù)值模擬方法，分析了幾種隧道施工工況對(duì)運(yùn)營(yíng)橋梁基礎(chǔ)的影響。

2　數(shù)值模擬分析

2.1計(jì)算依據(jù)及計(jì)算方案的確定

本文將地基視為半無(wú)限空間，模擬隧道施工對(duì)鄰近樁的影響，同時(shí)模擬在隧道內(nèi)進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿和錨桿加固的方法。由于巖土的非線性特點(diǎn)，其構(gòu)成相當(dāng)復(fù)雜，完全模擬巖土材料在施工過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變特性非常不易，所以在明確了分析目的前提下，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

地基土模型大小取用100m×100m×65m；右線A351-2墩基礎(chǔ)為雙樁-承臺(tái)結(jié)構(gòu)跨過(guò)暗渠；其2根樁直徑均為1.5m，樁長(zhǎng)為15.05m；承臺(tái)尺寸6.75m（長(zhǎng)）×2.5m（寬）×2.2m（高）；其樁與橋墩偏心距離分別為2.75m和1.5m。

材料的本構(gòu)模型：在Ansys中首先運(yùn)用Solid45單元進(jìn)行建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將劃分后的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到FLAC3D中［1］。

三維數(shù)值模型圖、網(wǎng)格劃分圖及樁基與承臺(tái)的空間關(guān)系如圖2、圖3、圖4所示。

圖2　三維數(shù)值模型

圖3　三維模型網(wǎng)格劃分

圖4　樁基與承臺(tái)的空間關(guān)系

2.2計(jì)算模型參數(shù)的選取

樁身和承臺(tái)采用線彈性模型。樁周及樁底土體為彈塑性模型，假定服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。

根據(jù)大連市地鐵2號(hào)線工程《春光街站巖土工程勘察報(bào)告》［2］及《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218—1994）得到各土層參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1　土層計(jì)算參數(shù)

數(shù)值分析中圍巖按照中風(fēng)化板巖考慮，并根據(jù)裂隙狀態(tài)、滲水及泥夾層等地質(zhì)體參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)折減，分別取值為E0=0.5GPa，c=10MPa，φ=13°，μ=0.2，γ=28kN/m3。

橋樁，承臺(tái)及隔離樁的混凝土等級(jí)為C30，分別取E0=30GPa，μ=0.3，γ=25kN/m3。

2.3模型荷載取值

本文模型承臺(tái)所承受的恒荷載按照橋樁上部實(shí)際幾何尺寸及混凝土重度選取，動(dòng)荷載按照《城市道路和橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ—2011）［3］選取，計(jì)算出承臺(tái)承受的分布力大小為1000kN。隧道周圍土體初始地應(yīng)力場(chǎng)的模擬參數(shù)為

其中：k0為樁基的初始應(yīng)力模擬參數(shù)，k0=μ/（1-μ）；μ為樁基的泊松比。

另外，由于隧道臨近樁基開(kāi)挖問(wèn)題本身的復(fù)雜性，數(shù)值模擬暫不考慮地下水的影響。

2.4數(shù)值計(jì)算分析

2.4.1洞內(nèi)加固數(shù)值模擬方法

目前，在隧道開(kāi)挖前穩(wěn)定掌子面及周邊圍巖主要采用的方法有超前支護(hù)或超前注漿、網(wǎng)噴混凝土及格柵或鋼拱架。

在數(shù)值分析中，對(duì)于橫通道和主洞，噴層作為彈性材料利用板殼單元來(lái)進(jìn)行模擬；小導(dǎo)管超前注漿采用改善圍巖參數(shù)的等效方法模擬；鋼拱架的彈性模量采用等效的方法換算成混凝土的彈性模量。

下文針對(duì)兩臺(tái)階、三臺(tái)階施工方法，按隧道內(nèi)不同注漿加固方案分析樁基與承臺(tái)的位移規(guī)律。

鑒于春光街車站暗挖隧道鄰近既有橋梁，為確保施工安全，根據(jù)春光街站巖土工程勘察報(bào)告，并參考既有臨近建筑物地鐵隧道施工的經(jīng)驗(yàn)［4-6］，春光街車站暗挖隧道施工擬采用“兩臺(tái)階”或“三臺(tái)階”法施工，為此，采用兩種不同暗挖施工方案對(duì)既有橋梁樁基的影響進(jìn)行分析，確定合理的開(kāi)挖方案。

2.4.2不采取加固措施時(shí)樁基及承臺(tái)的位移情況

1）樁基與承臺(tái)豎直方向沉降

樁基與承臺(tái)豎直方向沉降云圖見(jiàn)圖5。

圖5　豎直方向沉降云圖（單位：m）

由圖5可以看出，在不加任何措施的情況下，兩臺(tái)階開(kāi)挖樁基及承臺(tái)最大沉降值為-12.24mm，而三臺(tái)階開(kāi)挖樁基及承臺(tái)最大沉降值為-9.97mm，比兩臺(tái)階開(kāi)挖減小2.27mm，減小18.5%。因此，三臺(tái)階開(kāi)挖相比兩臺(tái)階而言，能較好地控制土體的變位，對(duì)減少樁基沉降有一定效果，建議施工中盡可能采用三臺(tái)階施工。

2）樁基水平位移

柱基平行于橫通道、正洞的水平位移分別如圖6、圖7所示。

圖6　平行于橫通道方向位移云圖（單位：m）

圖7　平行于正洞方向位移云圖（單位：m）

由圖6、圖7可以看出，隧道開(kāi)挖對(duì)于樁基及承臺(tái)的水平方向影響最大的為平行于正洞方向的水平位移。在兩臺(tái)階、三臺(tái)階開(kāi)挖中，平行于橫通道方向的樁基水平位移最大值分別為-1.4，-1.0mm；平行于正洞方向的樁基水平位移最大值為-6.96，-5.69mm。因此，開(kāi)挖中對(duì)于水平方向的位移控制主要考慮平行于正洞方向的位移變化。

2.4.3兩臺(tái)階開(kāi)挖不同注漿效果對(duì)橋樁的影響分析

在模擬隧道洞內(nèi)加固的過(guò)程中，采用簡(jiǎn)化的方法，用提高圍巖彈性模量參數(shù)的方法來(lái)模擬，在隧道開(kāi)挖輪廓外側(cè)一定范圍內(nèi)構(gòu)筑一個(gè)加固圈。并將此加固圈的彈性模量提高0～150%。為了表示方便，用0，0.3，0.5，1.0，1.5分別代表將圍巖彈性模量提高0，30%，50%，100%，150%。注漿加固效果如圖8所示。

由圖8（a）可以看出，在隧道洞內(nèi)超前注漿加固中，數(shù)值沉降最大點(diǎn)為承臺(tái)右上角，最小點(diǎn)為遠(yuǎn)樁底。彈性模量提高1.5倍后，承臺(tái)右上角沉降值從-11.7mm減小到-8.26mm，累計(jì)減小29%；遠(yuǎn)樁底沉降值從-8.07mm減小到-5.91mm，累計(jì)減小27%。鄰樁頂和遠(yuǎn)樁頂累計(jì)位移均大于樁底，說(shuō)明在隧道開(kāi)挖中，樁頂沉降大于樁底沉降，彈性模量調(diào)高1.5倍后，樁頂沉降減小29%左右；鄰樁位移大于遠(yuǎn)樁位移，說(shuō)明在隧道開(kāi)挖中，鄰樁對(duì)遠(yuǎn)樁的遮攔效果比較明顯。另外，從圖8（b）中還可以看出，彈性模量從0.5倍提高到1.0倍，加固效果顯著，從1.0倍提高到1.5倍，加固效果變化不大。所以，就抑制樁基與承臺(tái)豎直方向沉降而言，提高1.0倍是適合的。

2.4.4三臺(tái)階開(kāi)挖不同注漿效果對(duì)橋樁的影響分析

三臺(tái)階開(kāi)挖不同注漿加固效果對(duì)橋樁的影響分析如圖9所示。

由圖9（a）可知，在不提高圍巖參數(shù)三臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，沉降最大點(diǎn)主要分布在鄰樁頂和承臺(tái)右上角，沉降值都在-9mm以上，彈性模量提高1.5倍后，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)值最大為-7.02mm。其中，承臺(tái)右上角監(jiān)測(cè)值從-9.42mm減小至-6.88mm，累計(jì)減小27%。且從圖9（b）中可以看出，彈性模量從0.3倍提高至0.5倍時(shí)，加固效果提升幅度最大。從0.5倍至1.5倍后，沉降減小幅度減弱。

圖8　樁與承臺(tái)在豎直方向位移及位移減小百分率（兩臺(tái)階法）

圖9　樁與承臺(tái)在豎直方向位移及位移減小百分率（三臺(tái)階法）

3　結(jié)論和建議

本文就大連地鐵春光街車站施工中，對(duì)鄰近既有橋梁樁基的影響進(jìn)行了分析，主要結(jié)論為：

1）通過(guò)注漿加固改變圍巖的彈性模量可以減小橋墩的沉降，隨著圍巖彈性模量的改變橋墩水平位移值也隨之減小，說(shuō)明通過(guò)改變圍巖的參數(shù)，可以減小樁基和承臺(tái)的不均勻沉降，但隨彈性模量增大，減小趨勢(shì)變緩；也說(shuō)明在工程中應(yīng)用超前支護(hù)和注漿對(duì)于穩(wěn)定掌子面和上部土層有著積極的作用。提高圍巖的彈性模量對(duì)于平行于主洞方向的樁基位移控制不是特別顯著，不過(guò)此方向的位移較小，對(duì)于整體隧道穿越影響不是很大。另外，注漿加固達(dá)到原有圍巖剛度1倍以上時(shí)，注漿加固效果的提高對(duì)橋基樁基礎(chǔ)變形的影響將不再明顯，因此建議以加固效果達(dá)到原剛度的1.0倍為控制標(biāo)準(zhǔn)。

2）對(duì)比分析了兩臺(tái)階、三臺(tái)階開(kāi)挖方法對(duì)樁基變形影響，結(jié)果表明三臺(tái)階開(kāi)挖方法能較好地控制土體變位，減少樁基變形。建議采用三臺(tái)階開(kāi)挖方法施工。

［1］李圍.ANSYS在土木工程中的應(yīng)用［M］.北京：水利水電出版社，2007.

［2］大連市勘察測(cè)繪研究院有限公司.大連市地鐵2號(hào)線工程《香工街站巖土工程勘察報(bào)告》［R］.大連：大連市勘察測(cè)繪研究院有限公司，2009.

［3］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ—2011城市道路和橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［4］李波.盾構(gòu)施工對(duì)高速鐵路橋梁樁基的影響分析及防護(hù)措施［J］.鐵道建筑，2014（5）：75-78.

［5］王妍.隧道開(kāi)挖引起的地層沉降及對(duì)近接橋樁的影響［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2007.

［6］張汎，劉軍，蕭巖，等.隧道施工引起的地層位移對(duì)橋梁樁基的影響分析［J］.市政技術(shù)，2005，23（增）：86-89.

AbstractNumerical simulation was carried out based on the project of Chunguang Street Station of Dalian Subway.T he tunnel went through beneath the existing bridge in service.Different excavation methods were compared.Firstly，the effects of two-bench and three-bench excavation on piles and platform were analyzed in the case of non-reinforced surrounding rock with grouting.Secondly，the effects were analyzed in the case of reinforced surrounding rock with grouting.Based on the comparison，appropriate parameters for inner reinforcement were proposed and proper excavation method was suggested.

Numerical Simulation Analysis of Influence of Tunnel Excavation Method on near Existing Bridge

LIU Jinshan
（CCCC Tunnel Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100102，China）

Tunnel construction；Existing bridge；Inner reinforcement；Displacement；Numerical simulation

U455.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.16

1003-1995（2016）04-0060-04

（責(zé)任審編孟慶伶）

2016-01-08；

2016-02-04

劉金山（1975—），男，高級(jí)工程師，碩士。