大斷面地鐵隧道施工對鄰近高架橋樁基的影響分析

□文/徐佳萌 陳長江 郭幪

大斷面地鐵隧道施工對鄰近高架橋樁基的影響分析

□文/徐佳萌 陳長江 郭幪

以某地鐵區(qū)間隧道側穿高架橋樁基為研究背景，運用有限差分軟件FLAC-3D，結合工程地質條件，模擬大斷面淺埋暗挖隧道側穿高架橋樁基的施工過程，分析開挖進尺、開挖順序及隧道埋深對樁基的內力及位移產(chǎn)生的影響并得出結論。

暗挖；隧道；樁基；FLAC-3D；大斷面；地鐵；高架橋

隨著城市地下軌道交通的日益發(fā)展，地鐵隧道將不可避免地穿越建構筑物樁基，對樁基及其上建構筑物的安全和穩(wěn)定影響不容忽視，大斷面暗挖隧道側穿鄰近樁基更是如此。因此，如何確保隧道周邊樁基的變形及內力變化在允許范圍以內，保障樁基上部建構筑物安全的同時，順利掘進隧洞，對工程設計和施工具有重要意義[1～2]。

目前，國內外學者對隧道開挖引起臨近樁基的影響已做了相關的研究。劉楓等[1]對隧道開挖引起的鄰近樁基反應進行了二維彈塑性數(shù)值分析，對比了開挖條件下單樁與群樁反應的差異，得出了一些對工程建設有意義的結論；張云軍等[2]基于隧道開挖的工程實例，采用有限元方法，對開挖引起的地面、建筑物角點的沉降規(guī)律做了分析與探討，同時也分析了樁和底板的彎矩、軸力、剪力等變化規(guī)律。N.Loganathan等[3]通過離心模型試驗得出了隧道開挖引起的地層移動和對于鄰近樁基的影響；Lee等[4]應用三維彈塑性有限元技術，探討了隧道-樁的相互作用及隧道開挖對鄰近樁基的影響。Chen等[5]假設土體為理想彈性介質，分析了隧道開挖引起的樁體反應，得到了對實際工程有指導意義的實用簡化圖表。在已有研究工作的基礎上，本文對某區(qū)間大斷面暗挖隧道側穿高架橋樁基進行了三維數(shù)值分析，在考慮開挖進尺、開挖順序及超前加固方式等因素基礎上，研究了隧道開挖對樁基位移及內力產(chǎn)生的影響并將計算結果與監(jiān)測結果進行對比。

1　工程概況

1.1隧道與橋梁樁基相對位置關系

新建大斷面暗挖隧道全長184.6 m，掘進約129 m后下穿高架橋，隧道與高架橋樁基平面位置最近為1.29 m，見圖1。

圖1　隧道與高架橋樁基關系

1.2工程地質

區(qū)間地貌單元屬崗地及崗間洼地，地形起伏較大。區(qū)間隧道主要穿越擬建場地自上而下地層主要為雜填土、素填土、粉質粘土（可塑-硬塑）、全風化鈣、泥質砂巖、強風化鈣、泥質砂巖、中風化鈣、泥質砂巖[6]。

2　施工數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模型及參數(shù)

在MIDAS中建立實體模型，然后導入有限差分軟件FLAC-3D進行隧道開挖計算，其中土體屈服采用Mohr-Coulomb準則，結構采用彈性本構模型。土體采用六面體及四面體實體單元，超前大管棚、超前小導管支護及二襯采用殼單元模擬，樁基采用pile單元模擬，其樁基參數(shù)值參考文獻[7～8]確定。初支及樁基承臺采用實體單元，承臺土體之間設置接觸面。為確保計算精度，在隧道周圍采用較細密網(wǎng)格單元，距離開挖范圍越遠，單元尺寸越大。選擇距離隧道最近一側的4根樁作為研究對象，樁基距離隧道最近為1.30 m，樁基直徑為1.8m，樁長為24m，樁承臺施加均布荷載577kN/m2。相應的數(shù)值模型見圖2-圖3。

圖2　劃分后的網(wǎng)格模型

圖3　樁基與隧道的位置關系

計算范圍橫向取至距隧道中線兩側各4倍盾構隧道直徑，模型底部邊界至隧道底部距離為3倍洞徑，整體模型長×寬×高為106 m×60 m×49 m。模型邊界條件對于左右側給定X方向位移約束，前后側給定Y方向位移約束，底部給定Z方向約束。各材料參數(shù)見表1。

表1　材料參數(shù)

2.2施工方案模擬

暗挖隧道斷面寬12.40 m、高9.25 m，拱部150°布設φ108 mm×6 mm超前管棚及φ42 mm×3.25 mm超前小導管注漿支護，初支采用C25混凝土，厚0.3 m；二襯采用C35、P10混凝土，厚0.5 m。依據(jù)已有經(jīng)驗，采用CRD法開挖。開挖順序考慮兩種，分別為先開挖左側土與先開挖右側土，其施工步序見圖4和圖5。

圖4　開挖方案一

圖5　開挖方案二

根據(jù)實際施工情況，模擬過程如下：

1）建立三維模型，賦予各土層參數(shù)，計算初始應力至平衡；

2）超前小導管及超前管棚注漿，加固地層；

3）開挖第1部分土體，每次開挖進尺為3 m，開挖第1環(huán)后，施做第1環(huán)的初支及臨時支撐，開挖第1部分的第2環(huán)，同時開挖第2部分第1環(huán)并施做第2部分的初支及臨時支撐，以此類推，待第6部分第1環(huán)開挖完成后，拆除第1環(huán)臨時支撐，施做二襯；

4）記錄相應各點的位移及結構內力，重復第3步，直至開挖完成。

3　計算結果與分析

分別選取開挖進尺、開挖順序以及隧道埋深進行分析及比選。

3.1不同的開挖進尺

設定前排樁基距離隧道1.3 m，后排樁基距離隧道凈距3.0 m，其余參數(shù)保持不變，分別按開挖進尺為2、4、8 m進行模擬計算，研究前后排樁身的彎矩、側向位移及軸力的變化。計算結果見圖6-圖11。

圖6　不同開挖進尺時前排樁基彎矩變化

圖7　不同開挖進尺時后排樁基彎矩變化

圖8　不同開挖進尺時前排樁基側向位移

圖9　不同開挖進尺時后排樁基側向位移

圖10　不同開挖進尺時前排樁基軸力變化

圖11　不同開挖進尺時后排樁基軸力變化

由圖6和圖7可知，隧道開挖引起的彎矩變化呈雙曲率曲線變化，其最大值出現(xiàn)在開挖隧道中心位置。樁基彎矩變化值隨著開挖進尺的增大逐漸加大，當開挖進尺為8 m時，前排樁基最大值約320 kN·m，后排樁基最大值約230 kN·m，而當開挖進尺為2 m時，前排樁基彎矩變化最大值約200 kN·m，后排樁基彎矩變化最大值約150 kN·m。

由圖8和圖9可知，由不同開挖進尺引起的樁基側向變形影響較小，前后排樁基側向位移最大值出現(xiàn)在樁基頂部，開挖進尺8 m時所引起的樁基側向變形較開挖進尺2 m時引起的樁基側向變形前后排樁相差約為5 mm。

由圖10和圖11可知，隧道開挖引起的軸力變化隨著樁長在隧道開挖范圍內有逐漸增大的趨勢，隧道開挖面以下軸力變化逐漸減小且隨著開挖進尺的加大，軸力變化值也呈逐漸加大的趨勢。

綜上，隨著開挖進尺的增大，隧道開挖引起樁基的彎矩、軸力及側向變形均不同程度的加大。其中，彎矩和軸力增加較為明顯。

3.2不同開挖順序

根據(jù)隧道斷面特點，斷面開挖順序按圖4和圖5順序考慮。其余參數(shù)保持不變，結果見圖12-圖17。

圖12　不同開挖順序前排樁基彎矩變化

圖13　不同開挖順序后排樁基彎矩變化

圖14　不同開挖順序前排樁基側向位移

圖15　不同開挖順序后排樁基側向位移

圖16　不同開挖順序前排樁基軸力變化

圖17　不同開挖順序后排樁基軸力變化

由圖12-圖17可知，改變隧道的開挖方式對樁基的彎矩、軸力變化及側向位移的影響較小，但開挖順序1相比開挖順序2對臨近樁基的影響更小，這主要是因為開挖順序2開挖對鄰近樁基會造成二次影響，形成樁基側土體的兩次應力釋放，故在施工時應優(yōu)先考慮按照開挖順序1進行開挖。

3.3不同覆土厚度

選取覆土厚度為8、12、16 m三種工況進行計算分析，計算結果見圖18-圖23。

樁長一定的情況下，隨著覆土深度的增加，最大彎矩點向下移動且當覆土達到16 m時，彎矩變化最大值較覆土為8、12 m時減小了約2/3，這主要是由于覆土16 m時，隧道斷面大部分進入巖層中，地質情況較好，故隧道開挖對鄰近樁基影響也較小。側向位移曲線及軸力曲線有相同趨勢，但側向位移變化相對較小。

圖18　不同覆土深度前排樁基彎矩變化

圖19　不同覆土深度后排樁基彎矩變化

圖20　不同覆土深度前排樁基側向位移

圖21　不同覆土深度后排樁基側向位移

圖22　不同覆土深度前排樁基軸力變化

圖23　不同覆土深度后排樁基軸力變化

4　現(xiàn)場監(jiān)測

監(jiān)控量測是隧道設計的一部分，也是施工中重要的組成部分，其結果可以更好地預測隧道本身及周邊建構筑物的變形及內力發(fā)展趨勢，及時指導施工，必要時修改設計，確保工期和施工安全。針對本文重點研究的區(qū)域，其監(jiān)測點布置見圖24。

圖24　監(jiān)測點布置平面

隧道開挖通過后，分別對橋樁基位置處的地面沉降和橋墩沉降進行分析，通過對比模擬計算數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)，結果見圖25和圖26。

圖25　地面計算沉降與實測沉降對比曲線

圖26　橋墩計算沉降與實測沉降對比曲線

由圖25和圖26可知，實測值與計算值變化趨勢能較好的吻合。實測地面沉降值最大為9.9 mm，計算最大值為10.78 mm且實測最大值位置偏離計算值最大值，這主要是由于實際地層與模擬地層的差異及數(shù)值模擬對現(xiàn)場施工步驟的簡化所引起。由圖26可知，大斷面隧道開挖引起的臨近樁基豎向沉降計算值最大為-1.42 mm，實測值最大為-2.0 mm，距離隧道較遠的橋墩因隧道開挖引起的橋墩沉降較距離更近的橋墩的沉降值更小，計算值與實測值均在安全范圍內。

5　結論與討論

1）本次斷面開挖引起的側向位移變化規(guī)律為樁基頂部向洞內側移動，而到隧道中部位置，樁基側向位移向洞外側移動，其變形特點主要是因為隧道斷面形式所引起的。

2）不同的開挖進尺對臨近隧道樁基有較大影響，開挖進尺越大，所引起的臨近樁基的內力變化越大，而對樁基側向變形的影響則主要集中在樁基頂部，到樁基中下部，位移的差異逐漸變小。

3）針對不同的開挖順序，開挖順序1較開挖順序2對臨近樁基的影響相對更小，但內力變化及位移的差別不大，根據(jù)現(xiàn)場施工狀況優(yōu)先選擇開挖順序1。

4）覆土深度的大小對臨近樁基的內力影響較大，當隧道埋深越深時，開挖范圍內土質條件越好，則臨近隧道樁基的內力及位移變化越小且當樁基長度一定時，隨著隧道埋深增加，則樁基內力變化的最大點與側向位移的最大點也向下移。

[1]劉楓，年廷凱，楊慶，等.隧道開挖對鄰近樁基工作性能的影響研究[J].巖土力學，2008，289（S1）:615-620．

[2]張云軍，宰金珉，王旭東，等.隧道開挖對鄰近樁基影響的二維數(shù)值分析[J].地下空間與工程學報，2005，1（6）:832-836.

[3]LOGANATHAN N，POULOS H G，Stewart D P.Centrifuge model testing of tunnelling-induced ground and pile deformations[J].Geotechnique，2000，50（3）：283-294.

[4]LEE T K，NG W W.Effects of advancing open face tunnelling on an existingloaded pile[J].Journal ofGeotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2005，131（2）:193-201.

[5]CHENLT，POULOSH G，LOGANATHANN.Pile responses causcaused bytunneling[J].Journal ofGeotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，1999，125（3）:207-215.

[6]中鐵隧道勘測設計院有限公司.寧和城際一期工程設計文件[R].天津：中鐵隧道勘測設計院有限公司，2014.

[7]肖昭然.單樁分析的雙曲線模型及相應參數(shù)的確定[J].土工基礎，2002，16(3):60-63.

[8]杜曉霞.上部結構—樁筏基礎—地基共同作用的非線性數(shù)值模擬[D].南京:南京理工大學，2005.

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.05.016

□陳長江、郭幪/中鐵隧道勘測設計院有限公司。

□TU473.1

□C

□1008-3197（2016）05-46-04

□2016-08-15

□徐佳萌/男，1984年出生，工程師，碩士，中鐵隧道勘測設計院有限公司，從事地下結構工程方面的設計及研究。