鋼管樁施工對(duì)鄰近既有隧道的動(dòng)力響應(yīng)分析

尹洪樺，尹洪冉，胡明華，祝佳宇

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064；2.德州市陵城區(qū)房產(chǎn)管理局，山東 德州 253000；3.德州市陵城區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，山東 德州 253000)

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鋼管樁施工對(duì)鄰近既有隧道的動(dòng)力響應(yīng)分析

尹洪樺1，尹洪冉2，胡明華1，祝佳宇3

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064；2.德州市陵城區(qū)房產(chǎn)管理局，山東 德州 253000；3.德州市陵城區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，山東 德州 253000)

為了分析在打樁振動(dòng)作用下既有隧道的動(dòng)力響應(yīng)，在驗(yàn)證某工程實(shí)際的基礎(chǔ)上，采用有限元軟件基于樁-土-隧道動(dòng)力相互作用模型，對(duì)打樁施工引起鄰近既有隧道的響應(yīng)問題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析在不同打樁距離情況下既有隧道的振動(dòng)速度、最大總位移和彎矩響應(yīng)及規(guī)律。建議打樁施工過程中加強(qiáng)既有隧道打樁側(cè)1/4拱的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)既有隧道拱頂?shù)目偽灰票O(jiān)測(cè)，打樁施工前判斷是否對(duì)既有隧道打樁側(cè)起拱線附近進(jìn)行加固處理，為類似實(shí)際工程問題提供參考。

打樁振動(dòng)；既有隧道；動(dòng)力響應(yīng)；有限元；樁-土-隧道動(dòng)力模型

引 言

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者圍繞隧道下穿對(duì)既有建筑物或基礎(chǔ)影響的研究開展了大量的工作，但關(guān)于上部結(jié)構(gòu)施工對(duì)地下既有隧道影響的研究并不多見，尤其是樁基打樁施工對(duì)既有隧道影響的研究頗少，隨著地上結(jié)構(gòu)物樁基打樁施工的需要和城市地下空間的發(fā)展，這類問題日益突出。李怡聞[1]等利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)打樁引起隧道的振動(dòng)進(jìn)行了研究，分析了打樁荷載下隧道的振動(dòng)規(guī)律，為確定打樁間距、深度以及打樁動(dòng)力等參數(shù)提供了參考。謝世波[2]等在打樁過程中對(duì)樁周圍土體的孔隙水壓力進(jìn)行了跟蹤測(cè)試，發(fā)現(xiàn)樁周一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生裂縫，土體處于塑性狀態(tài)，土體有效應(yīng)力降低。尹雄[3]等采用有限元-無限元耦合模型對(duì)打樁引起近場波動(dòng)的問題進(jìn)行數(shù)值模擬。

馮龍飛[4]分析了鉆孔灌注樁近距離施工對(duì)鄰近隧道的影響，對(duì)樁周土體軟化產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞效果進(jìn)行了探討。練健飛[5]指出樁基施工對(duì)隧道影響的兩個(gè)方面：一是樁基振動(dòng)施工對(duì)隧道的影響，二是樁基成孔后澆筑混凝土前地基中成孔對(duì)隧道的影響。樓曉明[6]等討論了振陷和地面沉降對(duì)隧道產(chǎn)生附加沉降的可能性，指出地面下沉使長樁基礎(chǔ)的實(shí)測(cè)沉降偏小。朱紅霞[7]分析樁基施工過程引起地鐵結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)，其得知樁基施工順序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)的變形和受力的影響較小。羅雪貴[8]分析樁基施工的不同水平距離對(duì)鄰近隧道的影響差異，研究發(fā)現(xiàn)樁基施工對(duì)鄰近隧道的豎向變形(與水平變形相比)影響較大。隨水平位移增大，鄰近隧道的水平、豎向位移都近似呈指數(shù)減小。徐云福[9]等在試樁過程中對(duì)隧道的水平位移和豎向沉降進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，隧道管片位移最大值發(fā)生在與試樁相對(duì)應(yīng)的剖面上；隨著試樁的距離增大，管片豎向位移和水平位移均減小。且管片以發(fā)生水平位移為主，豎向位移約為水平位移的一半。

本文將采用Midas/GTS有限元分析軟件建立基于非線性時(shí)程分析計(jì)算的樁-土-隧道動(dòng)力相互作用模型。并且在對(duì)某工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，分析不同打樁距離引起近鄰既有隧道的振動(dòng)、位移、彎矩響應(yīng)規(guī)律，提出針對(duì)類似工程打樁距離的建議值及施工控制方案，為類似實(shí)際工程問題提供一定參考。

1-工程概況

某建筑物基礎(chǔ)采用鋼管樁形式，鋼管樁樁長24 m，鋼管外徑為1 m，管壁厚度為0.02 m，在距離樁10 m處有一地鐵隧道，隧道埋深為14 m，直徑為8 m。該地區(qū)土層分三層，第一層為黏土，厚度為10 m，第二層為砂土層，厚度為12 m，第三層為中風(fēng)化層。樁-隧道平面位置如圖1所示。

圖1 樁-隧道平面位置

2-模型的建立

(1)幾何模型及參數(shù)

采用二維平面模型，模型尺寸為50 m×100 m，模型如圖2所示。

圖2 模型

巖土體按摩爾-庫倫理想彈塑性材料考慮，鋼管樁、隧道襯砌為彈性材料，樁和隧道襯砌均采用1D梁單元模擬。根據(jù)勘察報(bào)告和相關(guān)規(guī)范，計(jì)算模型中各材料取值見表1。

表1 各材料參數(shù)表

(2) 邊界條件[10]

①特征值分析采用彈性邊界條件

要進(jìn)行樁基打樁動(dòng)力時(shí)程分析，首先進(jìn)行模態(tài)分析，求取有限元體系的特征周期，以計(jì)算其阻尼參數(shù)，在MIDAS/GTS有限元軟件中，進(jìn)行特征值分析時(shí)采用彈性邊界條件，一般用曲面彈簧定義，曲面彈簧系數(shù)計(jì)算公式：

豎直地基反力系數(shù)：

水平地基反力系數(shù)：

②時(shí)程分析采用黏彈性人工邊界

樁基打樁時(shí)程分析時(shí)，若采用一般靜力邊界條件會(huì)由于波的反射作用而產(chǎn)生較大誤差，故時(shí)程采用Lysmer(1969年)提出的黏性邊界條件。為了定義粘性邊界需要計(jì)算相應(yīng)的巖土體在X、Y方向上的阻尼比。阻尼比計(jì)算公式：

P波：

S波：

(3)選取打樁動(dòng)力

目前常用的樁錘有自由落錘、柴油錘、蒸汽錘和液壓錘等，但由于各樁錘作用方式不同，故打樁動(dòng)力的實(shí)現(xiàn)形式也有較大差異，為近似模擬打樁過程，通過采取控制打樁動(dòng)力峰值的方式簡化不同打樁動(dòng)力形式[11]。選取打樁動(dòng)力峰值為1500 kN，作用時(shí)間均為12 s。打樁動(dòng)力時(shí)程曲線如圖3所示。

圖3 打樁動(dòng)力時(shí)程

3 計(jì)算方案

為了研究打樁距離(隧道與樁基礎(chǔ)的距離)對(duì)既有隧道的影響，分別取打樁距離8 m～48 m(相當(dāng)于1D～6D，D為隧道洞徑)，各模擬方案見表2。

表2 計(jì)算方案匯總

4 實(shí)例驗(yàn)證

為了保證模型計(jì)算的可行性及準(zhǔn)確性，對(duì)文獻(xiàn)中的實(shí)例進(jìn)行計(jì)算[12]，實(shí)例中土體模量15 MPa，泊松比0.4，重度19 kN/m3，樁型φ600，提取距離樁基礎(chǔ)10 m、20 m、30 m和40 m處的地面振動(dòng)速度時(shí)程響應(yīng)，振動(dòng)速度峰值的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，模型振動(dòng)速度峰值計(jì)算值與實(shí)測(cè)值見表3。

表3 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值匯總

由表3可以看出模型振動(dòng)速度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本接近，說明該模型符合計(jì)算要求且能達(dá)到較好的精確度，本文采用的計(jì)算模型是可行的。

5 不同打樁距離對(duì)隧道的影響

(1)既有隧道振動(dòng)的影響分析

通過對(duì)方案1-1～1-6進(jìn)行計(jì)算，得到在相同打樁深度和相同強(qiáng)度動(dòng)力的情況下不同打樁距離引起既有隧道振動(dòng)的響應(yīng)，打樁距離8 m和48 m對(duì)應(yīng)的隧道最大振動(dòng)速度云圖如圖4所示，不同打樁距離的隧道最大振動(dòng)速度區(qū)域匯總?cè)鐖D5所示。

圖4 隧道最大振動(dòng)速度云圖

圖5 隧道最大振動(dòng)速度位置

由圖4和圖5可知，在不同打樁距離情況下既有隧道的最大振動(dòng)位置都出現(xiàn)在隧道打樁側(cè)的1/4拱附近。因此，在打樁過程中應(yīng)著重對(duì)隧道打樁側(cè)1/4拱區(qū)域的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以保證打樁引起的隧道振動(dòng)安全。不同打樁距離的隧道最大振動(dòng)速度時(shí)程及趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 隧道最大振動(dòng)速度

由圖6可知，當(dāng)打樁距離1D～4D時(shí)，隨著打樁距離逐漸增大，隧道最大振動(dòng)速度曲線較陡；當(dāng)打樁距離4D～6D時(shí)，隨著打樁距離逐漸增大，隧道最大振動(dòng)速度曲線較緩，說明在1D～4D范圍內(nèi)既有隧道的最大振動(dòng)速度減少較快且引起隧道振動(dòng)速度較顯著，這說明存在一定的打樁距離對(duì)既有隧道的最大振動(dòng)速度影響較大。因此，在打樁施工之前應(yīng)選取根據(jù)具體的場地條件、工程地質(zhì)條件等選取合適的打樁距離，以避免打樁引起既有隧道的過大振動(dòng)而產(chǎn)生安全隱患。

(2) 既有隧道位移的影響分析

通過對(duì)方案1-1～1-6進(jìn)行計(jì)算，得到在相同打樁深度和相同強(qiáng)度動(dòng)力的情況下不同打樁距離引起既有隧道位移的響應(yīng)，打樁距離8 m和48 m對(duì)應(yīng)的隧道最大總位移計(jì)算云圖如圖7所示。不同打樁距離的隧道最大總位移區(qū)域匯總?cè)鐖D8所示。

圖7 隧道最大總位移云圖

圖8 隧道最大總位移位置

由圖7和圖8可知，在不同打樁距離情況下既有隧道的最大總位移都出現(xiàn)在隧道的拱頂附近。當(dāng)打樁距離1D～3D時(shí)，隧道最大總位移出現(xiàn)在隧道的上部偏左位置；當(dāng)打樁距離3D～6D時(shí)，隧道最大總位移出現(xiàn)在隧道的上部偏右位置且在拱頂附近，這說明存在一定的打樁距離界限，使既有隧道的最大總位移位置分別出現(xiàn)在拱頂附近的左、右位置。因此，在打樁施工過程中，應(yīng)著重加強(qiáng)隧道拱頂附近的位移監(jiān)測(cè)，及時(shí)預(yù)警以保證既有隧道運(yùn)營安全。不同打樁距離的隧道最大總位移時(shí)程及趨勢(shì)如圖9所示。

圖9 隧道最大總位移

由圖9可知，當(dāng)打樁距離1D～4D時(shí)，隨著打樁距離逐漸增大，隧道最大總位移曲線較陡；當(dāng)打樁距離4D～6D時(shí)，隨著打樁距離逐漸增大，隧道最大總位移曲線較緩，說明在1D～3D范圍內(nèi)既有隧道的最大總位移減少較快且對(duì)隧道最大總位移的影響較顯著，這說明存在一定的打樁距離對(duì)既有隧道的最大總位移影響較大。因此，在打樁施工之前，因根據(jù)具體的施工情況、場地條件等選取一定的打樁距離以避免引起既有隧道過大位移，進(jìn)而影響既有隧道運(yùn)營安全。

(3)既有隧道彎矩的分析

通過對(duì)方案1-1～1-6進(jìn)行計(jì)算，得到在相同打樁深度和相同強(qiáng)度動(dòng)力的情況下不同打樁距離引起既有隧道附加彎矩的響應(yīng)，打樁距離8 m和48 m對(duì)應(yīng)的隧道最大彎矩計(jì)算云圖如圖10所示。不同打樁距離的隧道最大彎矩區(qū)域如圖11所示。

圖10 隧道最大彎矩云圖

圖11 最大彎矩位置

由圖10和圖11可知，在相同打樁深度、相同強(qiáng)度動(dòng)力和不同打樁距離的情況下，既有隧道的最大彎矩均出現(xiàn)在隧道的起拱線附近(打樁側(cè))。不同打樁距離的隧道最大彎矩時(shí)程及趨勢(shì)如圖12所示。因此，在打樁施工前，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況判斷是否對(duì)隧道進(jìn)行加固處理，尤其是打樁側(cè)的隧道起拱線附近，另外在隧道設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮后期是否存在打樁施工的情況而進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

圖12 隧道最大彎矩

由圖12可知，當(dāng)打樁距離1D～3D時(shí)，隨著打樁距離逐漸增大，隧道最大彎矩曲線較陡；當(dāng)打樁距離4D～6D時(shí)，隨著打樁距離逐漸增大，隧道最大彎矩曲線較緩，說明在1D～3D范圍內(nèi)隨著距離增大既有隧道的最大彎矩減少較快且對(duì)隧道最大彎矩的影響較顯著，這說明存在一定的打樁距離對(duì)既有隧道的最大彎矩影響較大。因此，打樁施工應(yīng)控制一定的打樁距離以保證既有隧道的抗彎承載能力。

6 結(jié) 論

(1)在不同打樁距離情況下既有隧道的最大振動(dòng)位置均出現(xiàn)在隧道打樁側(cè)1/4拱附近，因此在打樁施工過程中加強(qiáng)既有隧道打樁側(cè)1/4拱附近的振動(dòng)監(jiān)測(cè)；隨著打樁距離的增大，打樁引起的既有隧道振動(dòng)速度逐漸變小，且打樁距離大于4D后振動(dòng)速度趨于穩(wěn)定值。

(2)在不同打樁距離情況下既有隧道的最大總位移位置均出現(xiàn)在拱頂附近，打樁距離在1D～3D范圍變化時(shí)，打樁距離對(duì)既有隧道最大總位移的影響較顯著，且當(dāng)打樁距離大于4D后既有隧道的最大位移變化不明顯。因此，打樁施工過程中應(yīng)加強(qiáng)既有隧道拱頂?shù)奈灰票O(jiān)測(cè)。

(3)在不同打樁距離情況下既有隧道的最大彎矩均出現(xiàn)在隧道打樁側(cè)的起拱線附近，且打樁距離在1D～3D變化時(shí)既有隧道的彎矩變化較明顯。因此，在打樁施工前應(yīng)判斷是否加固既有隧道，尤其打樁側(cè)隧道起拱線附近區(qū)域，打樁施工應(yīng)控制一定的打樁距離以保證既有隧道的抗彎承載能力。

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Analysis of Dynamic Response of Steel Pipe Piles Construction on Adjacent Existing Tunnel

YINHonghua1,YINHongran2,HUMinghua1,ZHUJiayu3

(1.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064; 2.Dezhou Lingcheng District Housing Authority, Dezhou 253000, China; 3.Dezhou Lingcheng District Housing and Urban Construction Bureau, Dezhou 253000, China)

In order to analyze the dynamic response of the existing tunnel under the action of pile driving vibration, on the basis of verifying the actual project, the finite element software is used to calculate the response of the adjacent existing tunnel caused by pile driving construction based on the pile soil interaction model. Response and regularity of the vibration speed of existing tunnel, the maximum total displacement and bending moment under different pile driving distance are analyzed. As a suggestion, the vibration monitoring of 1/4 side arch of the existing tunnel is strengthened in the process of piling construction, the monitoring of the total displacement of existing tunnel vault is strengthened, and whether need to reinforce the existing tunnel and the side of the arch bridge before piling construction is judged on.It provides reference for similar practical engineering problems.

pile driving vibration; the existing tunnel; the dynamic response; finite element; pile-soil-tunnel dynamic model

2015-11-06

尹洪樺(1992-)，男，山東德州人，碩士生，主要從事巖土工程方面的研究，(E-mail) woshiyinhonghua@126.com

1673-1549(2016)01-0076-06

10.11863/j.suse.2016.01.16

TU921

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