【摘要】近年隨著高鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展,新建橋梁由于受線路規(guī)劃、地理空間等原因,有時(shí)不可避免地需要跨越高鐵隧道。而大多數(shù)橋梁采用樁基礎(chǔ),這些樁基礎(chǔ)可能位于隧道側(cè)面甚至上方。樁基礎(chǔ)在施工時(shí)會(huì)擾動(dòng)樁周土體,使周圍土體和隧道發(fā)生相互作用,嚴(yán)重者將引起鐵路軌道傾斜,圍巖變形襯砌開裂滲水,發(fā)生重大工程事故。而目前國內(nèi)外對(duì)這方面的研究較少,因此研究樁基礎(chǔ)施工對(duì)既有高鐵隧道的影響具有十分重要的工程意義。
【關(guān)鍵詞】跨線橋樁基;高鐵隧道;影響
樁基施工將擾動(dòng)樁周土體,使土體發(fā)生位移和應(yīng)力的變化,這種變化會(huì)進(jìn)一步影響相鄰的隧道,使得樁-土-隧之間相互影響。而不同的成樁方法對(duì)周圍土層的擾動(dòng)和排擠程度不同,將直接影響臨近隧道的受力和變形情況。若采用擠土樁,在成樁過程中將造成大量擠土,引起地面隆起和土體側(cè)移,使樁周土體受到嚴(yán)重的擾動(dòng),土的工程性質(zhì)有很大的改變。若采用部分?jǐn)D土樁,引起部分?jǐn)D土效應(yīng),樁周土體也將受到一定程度的擾動(dòng)。若采用非擠土樁,由于成樁過程是挖孔將等體積土體排出,對(duì)周圍土體影響最少,但也要考慮土體排出、地下水流失對(duì)樁周土體的影響。
1、樁基礎(chǔ)施工對(duì)既有高鐵隧道影響的數(shù)值模擬分析
1.1 ANSYS建模
本文采用ANSYS14.0建立數(shù)值分析模型,ANSYS軟件大型的通用的有限元分析軟件。軟件主要包括三部分,前處理,分析計(jì)算和后處理。其中前處理模塊提供了強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具,與FLAC3D需要用戶自行編寫模型程序相比,ANSYS為用戶提供了便于鼠標(biāo)鍵盤操作的窗口,用戶可以利用實(shí)體建模技術(shù),由點(diǎn)-線-面-體的方法建立三維幾何模型。在建立隧道襯砌,樁等模型方面簡(jiǎn)單、高效且不易出錯(cuò)。在ABAQUS、ANSYS、FLAC3D等幾個(gè)常用數(shù)值分析軟件中,ANSYS的前處理功能最強(qiáng)大,便捷。故本文采用ANSYS建立實(shí)體模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,而后轉(zhuǎn)化為FLAC3D可以讀入的文件格式(*.flac3d)。
實(shí)際工程中,由于巖土體是非連續(xù)介質(zhì),本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜,初始應(yīng)力場(chǎng)難以測(cè)定以及邊界條件復(fù)雜,因此在數(shù)值計(jì)算中要因地制宜、抓主要矛盾、宜粗不宜細(xì)、易簡(jiǎn)不易繁。故對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化:(1)由于樁基礎(chǔ)施工前,隧道早已完工,可以認(rèn)為地應(yīng)力已經(jīng)重新分布完畢。因此建模時(shí)不考慮隧道的開挖。(2)由地勘報(bào)告知地層中地下水較少,故計(jì)算時(shí)不考慮地下水作用。(3)樁基開挖前須土方開挖60×26×3m3,由于在建模時(shí)未考慮土體開挖,所以在計(jì)算中采樣等效作用力替代考慮。具體做法為:在土方開挖區(qū)先施加豎直向下的與開挖土體自重等效的作用力(3×19kNm3?=5.7kNm2),在模型自重應(yīng)力計(jì)算完之后,再撤銷施加的作用力,通過這個(gè)過程模擬開挖。(4)樁基礎(chǔ)的開挖在模擬中采用空模型(null)來模擬。
2、數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析
2.1 樁基礎(chǔ)施工對(duì)隧道拱底的影響
模擬時(shí)重點(diǎn)監(jiān)控隧道拱底的變形,因?yàn)楣暗椎淖冃沃苯佑绊懼哞F軌道的平整度。圖3.6為隧道拱底右側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同開挖工序時(shí)的拱底位移曲線圖,其中監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)?yīng)隧道里程DK24+830~DK24+710,樁基施工區(qū)域?qū)?yīng)里程為DK24+800~DK24+740。由圖可知:當(dāng)隧道上方一部分覆土開挖完,由于隧道上方土體卸載使得隧道拱底產(chǎn)生輕微上抬變形。當(dāng)隧道兩側(cè)樁基開挖時(shí),隧道兩側(cè)土體卸載引起隧道圍巖應(yīng)力釋放,圍巖向樁方向變形并使隧道拱底繼續(xù)上抬變形。當(dāng)樁開挖至第4步(即樁雙側(cè)開挖至3m)時(shí),樁深接近隧道拱頂處,隧道拱底上移至0.068mm;當(dāng)樁開挖至第9步(即樁雙側(cè)開挖至7.5m)時(shí),樁深接近隧道拱腰處,隧道拱底上移至0.135mm,變形達(dá)到最大值;當(dāng)樁開挖至第15步(即樁雙側(cè)開挖至12m)時(shí),樁深接近隧道拱底處,隧道拱底上移值為0.106mm,拱底變形部分恢復(fù);當(dāng)樁開挖完成時(shí),隧道拱底最終上移0.12mm。整個(gè)變形趨勢(shì)成拋物線變化,主要集中在樁基施工區(qū)域。變形量較小,說明在樁基施工時(shí),隧道處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。
由圖1可知隧道上移值最大處位于隧道里程方向DK24+764左右,故接下來研究DK24+764橫斷面處拱底兩點(diǎn)隨樁基開挖步的累計(jì)位移曲線。
由圖2可知拱底位移變化隨樁基開挖進(jìn)度先向上快速增大后部分回縮最后緩慢增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定。具體而言:樁開挖至第4步時(shí)樁底接近隧道拱頂處,位移變化的斜率最大;樁開挖到第9步時(shí),樁底接近隧道拱腰處,位移達(dá)到最大值0.135mm;樁開挖到第15步時(shí),樁底位于隧道拱底,此時(shí)出現(xiàn)拱底位移回縮,而后隨著樁基進(jìn)一步開挖,樁底位于隧道拱底以下,拱底緩慢向上變形最后趨于穩(wěn)定。整個(gè)樁基施工過程對(duì)隧道拱底的變形影響都較小,隧道始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。
2.2 樁基礎(chǔ)施工對(duì)隧道襯砌的影響
由上一節(jié)的應(yīng)力云圖得知樁基開挖時(shí),隧道拱腰處出現(xiàn)應(yīng)力集中。故沿隧道里程方向DK24+800~DK24+740范圍在隧道拱腰左右兩側(cè)共布置14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),每側(cè)7個(gè)點(diǎn),間距10m。下圖為樁開挖至第30步(即樁雙側(cè)開挖至22.5m)時(shí),沿隧道里程方向拱腰收斂曲線圖。由圖3.12可知:樁基開挖時(shí),由于卸載作用,使樁周土、巖層的壓應(yīng)力減小,同時(shí),隧道襯砌應(yīng)力也相應(yīng)減小,造成隧道左右兩側(cè)向外輕微變形。樁基施工時(shí),沿隧道里程方向DK24+770處,隧道拱腰變形最大。取沿隧道里程方向DK24+770處橫斷面,研究樁基施工時(shí)對(duì)隧道橫斷面的變形影響。圖3.13表明圍巖變形沿拱頂呈對(duì)稱分布,在拱腰處變形最大,其值約為0.033mm。樁基開挖使得隧道襯砌向外變形,但變形非常小。
結(jié)語:
由于依托工程中樁基礎(chǔ)采用人工挖孔工藝,對(duì)土體擾動(dòng)影響較小,數(shù)值分析中未考慮樁孔周邊土體軟化,樁孔與土體間滲透性的影響,對(duì)施工過程的有限元模擬還過于粗略,對(duì)于這些影響有待進(jìn)一步研究。
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作者簡(jiǎn)介:
沈杰(1984-),男,甘肅天水人,講師,工程師,研究方向:隧道及地下工程施工與維護(hù)。