基于有限元數(shù)值模擬的穿越影響范圍分析

韓佳君　雷恒　林峰　單常江　崔素敏　楊瑞　董曉娟　付立三　侯滿宏　胡良君

關(guān)鍵詞：穿越工程;影響區(qū);數(shù)值模擬;樁基

近年來(lái)隨著城市的發(fā)展，尤其是軌道交通及配套市政管線的興建，越來(lái)越多的工程項(xiàng)目涉及穿越既有道路橋梁。根據(jù)趙龍等（2018）的研究，地面沉降為北京主要次生地質(zhì)災(zāi)害。針對(duì)這方面問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外不同學(xué)者對(duì)施工引起地層沉降從不同角度探討過(guò)地層沉降分布特征。高程鵬（2021）研究發(fā)現(xiàn)，地下空洞上覆土層厚度越大，則其靜力、動(dòng)力穩(wěn)定性越強(qiáng)。李濤等（2015）從分析破壞形式人手，發(fā)現(xiàn)地下空洞引起的軟土地層地陷一般呈圓柱形破壞面，粗粒土地層地陷主要為圓形漏斗狀塌陷，并結(jié)合數(shù)值模擬方法驗(yàn)證，為預(yù)測(cè)塌陷發(fā)展提供了很好的參考。盧春林（2016）針對(duì)隧道穿越橋梁工況改進(jìn)Kent法用于評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。早期的研究有Peck（1969）沉降槽模型，認(rèn)為沉降來(lái)源于土體損失，應(yīng)用時(shí)可結(jié)合實(shí)際情況與后人對(duì)Peck公式的發(fā)展成果，選擇合理模型。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提升，數(shù)值分析方法在隧道、橋梁、道路、巖土、樁基等方面得到廣泛應(yīng)用，為同類工程的研究、設(shè)計(jì)、施工和評(píng)估提供了借鑒素材。房營(yíng)光等（2003）在Peck公式基礎(chǔ)上，假設(shè)地面下沉槽體積等于地層損失體積與土體密實(shí)度變化產(chǎn)生的體積增量之和，提出了改進(jìn)的Peck公式，其實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相當(dāng)吻合。錢德玲等（2009）在樁土之間設(shè)置接觸單元，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ虒?shí)例，用模型擬合基樁靜載試驗(yàn)曲線實(shí)測(cè)值，得到的接觸單元能較好地模擬樁土相互作用，較好地反映樁土間作用力的傳遞規(guī)律的認(rèn)識(shí)。上述研究聚焦土體受施工擾動(dòng)后自穩(wěn)能力、破壞形式、沉降分布特征和結(jié)構(gòu)與土相互作用，為解決實(shí)際問(wèn)題提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。但是，對(duì)于實(shí)際工程的一類特定工況，即對(duì)工程下穿（側(cè)穿）橋梁下部結(jié)構(gòu)工況下施工影響特征的討論，相對(duì)較少。奚靈智等（2021）研究發(fā)現(xiàn)隧道穿越橋梁工況，表現(xiàn)出兩種類型的沉降分布，即大范圍沉降槽和局部似“拱形”。目前，北京地區(qū)對(duì)于此類特定工況，一般是參考DB 11/T 716-2019《穿越既有道路設(shè)施工程技術(shù)要求》劃分主、次要影響區(qū)（以下簡(jiǎn)稱“標(biāo)準(zhǔn)法”）。該規(guī)范在穿橋工況中的應(yīng)用，存在兩個(gè)主要問(wèn)題：1）擬建工程“與橋梁下部結(jié)構(gòu)接近關(guān)系判別定義不清”;2）擬建工程“對(duì)樁周土擾動(dòng)范圍按無(wú)樁情況套用的適宜性評(píng)價(jià)”。本次研究進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)法與模擬條件下的數(shù)值分析方法（以下簡(jiǎn)稱“數(shù)值法”）對(duì)比研究，討論下穿（側(cè)穿）橋梁下部結(jié)構(gòu)工況下的施工影響特征，研究成果可為類似工程涉及到的開(kāi)挖課題提供參考。

1工程概況

擬建暗挖隧道中線位于某南北向道路的中線以西23m，該道路被某東西向橋梁上跨，橋梁下部結(jié)構(gòu)中承臺(tái)、樁基平面位置見(jiàn)圖1;隧道初支邊緣距離該橋的承臺(tái)邊緣約5.3 m，11.6 m。穿橋段橋下路面標(biāo)高46.84 m。

隧道頂板位于粉質(zhì)黏土層③，覆土厚度約11.6 m，黏聚力27.4 kPa，內(nèi)摩擦角18.4°，壓縮模量E_s=6.7 MPa，標(biāo)貫擊數(shù)N=6.5擊。隧道路由主要穿越粉細(xì)砂③₁，黏聚力0.0 kPa，內(nèi)摩擦角25°;標(biāo)貫擊數(shù)N=28.3擊。

既有S路道路設(shè)施重要性等級(jí)為A類（特別重要），穿越工程與Z橋2號(hào)軸橋樁接近關(guān)系為一般，與過(guò)街地下通道橋的接近關(guān)系為不接近，工程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為二級(jí)。橋梁和地下通道被暗挖隧道側(cè)穿，地層必然損失、應(yīng)力釋放，又因各結(jié)構(gòu)部件與擬建隧道空間關(guān)系差異巨大，故必然造成不同范圍與程度的影響。

研究工程對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，對(duì)保護(hù)周邊設(shè)施安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)具有重要意義。為此，對(duì)工程穿越的影響進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)法與數(shù)值法對(duì)比分析。

2影響評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)法

根據(jù)前述安全等級(jí)二級(jí)的判定結(jié)果，結(jié)合工程自身暗挖施工方式，按照對(duì)應(yīng)的分類確定主、次要影響區(qū)（圖2）。

主要影響區(qū)：自毛洞設(shè)計(jì)寬度的底部外緣斜向上引致地面形成交線，交線與毛洞外緣的水平距離為毛洞埋深H的0.6倍，兩交線與毛洞設(shè)計(jì)寬度的底部外緣形成的區(qū)域?yàn)橹饕绊憛^(qū)。

次要影響區(qū)：位于主要影響區(qū)外，交線外擴(kuò)至L₂等于H的1.5倍，與毛洞設(shè)計(jì)寬度的底部外緣圍成的位于毛洞兩側(cè)的楔體范圍。

隧道西側(cè)分布一既有過(guò)街地下通道，尺寸為5m×2.5m，根據(jù)隧道埋深劃定影響范圍交路面情況（圖3、圖4），顯示出過(guò)街涵洞位于穿橋段隧道次要影響區(qū)以外。

3有限元數(shù)值模擬方法

根據(jù)穿越工況利用Midas GTS NX軟件進(jìn)行有限元法數(shù)值模擬，為使得模型計(jì)算精度與速度相互協(xié)調(diào)，并且可以滿足準(zhǔn)確定性分析和一定程度的定量參考需要，對(duì)下穿工程進(jìn)行一定程度的概化。

三維模型（圖5）X方向長(zhǎng)度70m，Y方向長(zhǎng)度37.4 m，Z方向55 m。橋梁下部結(jié)構(gòu)為蓋梁雙柱墩，每個(gè)墩柱配一雙樁承臺(tái)，承臺(tái)尺寸2m×4.5m，樁徑1.2m，樁長(zhǎng)30m。隧道為直墻圓拱形式，外輪廓毛洞尺寸3.03m×3.38m。涵洞尺寸5m×3m。地層界面建為平面。模型所需地層參數(shù)參考地勘報(bào)告建立，不考慮泥漿等液體滲漏的影響。地層、蓋梁、墩柱、承臺(tái)及路基采用實(shí)體單元，地層及路基使用MM-C本構(gòu)關(guān)系模擬，蓋梁、墩柱和承臺(tái)使用彈性本構(gòu)。初支采用板單元，使用彈性本構(gòu)模擬。樁基為梁?jiǎn)卧?，使用彈性本?gòu)模擬。樁土接觸面摩擦作用采用樁單元，樁端單元可以在植入式梁?jiǎn)卧亩瞬可扇鐖D6所示，樁端單元表現(xiàn)出的是實(shí)體和節(jié)點(diǎn)的接觸，類似在樁單元和樁端節(jié)點(diǎn)之間增加軸向彈簧剛度。邊界條件采用位移邊界條件。荷載考慮自重、路面通行均布荷載（15kPa）。模擬施工階段依次為施工前相關(guān)設(shè)施及地質(zhì)體在位移邊界結(jié)合自重條件下的狀態(tài)（位移清零），施加交通荷載，空（位移清零）、隧道施工。

4結(jié)果與分析

4.1數(shù)值模擬結(jié)果

豎向位移結(jié)果是隧道暗挖施工、地質(zhì)體和既有橋梁及過(guò)街通道協(xié)同分析的重要指標(biāo)。施工后橋墩最大沉降值為2.2 mm，雙柱墩內(nèi)橫向差異沉降不大于0.2 mm，同幅內(nèi)兩軸順橋向差異沉降不大于0.7 mm，橋下路面沉降5.0 mm（圖7）。水平位移結(jié)果是評(píng)價(jià)基礎(chǔ)傾斜的基本數(shù)據(jù)，數(shù)值計(jì)算橋梁雙柱墩水平位移后換算墩柱傾斜最大值0.26‰。

節(jié)點(diǎn)的總位移結(jié)果為其X、Y、Z三方向位移絕對(duì)值的和，總位移數(shù)值大小，顯示出受影響程度;其分布的空間范圍，展示出受影響范圍。模擬條件下總位移結(jié)果0～11.1 mm（圖8）。

4.2對(duì)比分析

將根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)法的結(jié)果與數(shù)值法計(jì)算結(jié)果對(duì)比得到：

1）標(biāo)準(zhǔn)法劃分出的主、次要影響區(qū)范圍與數(shù)值法在地表處結(jié)果分布基本吻合（圖9），影響區(qū)分界位置自西向東依次結(jié)果為1.6mm，3.7 mm，3.0 mm，0.9 mm（圖10）。

2）按照標(biāo)準(zhǔn)法劃分，西側(cè)樁基入主要影響區(qū)0.0m，西側(cè)樁基人次要影響區(qū)6.8 m;東側(cè)樁基入主要影響區(qū)5.1 m，人次要影響區(qū)5.8 m。在以數(shù)值法總位移結(jié)果2.5 mm區(qū)分主、次要影響區(qū)邊界的條件下，西側(cè)入主要影響區(qū)深度較標(biāo)準(zhǔn)法增加4.9 m，東側(cè)入主要影響區(qū)深度較標(biāo)準(zhǔn)法增加5.8 m。在以數(shù)值法總位移結(jié)果0.9 mm區(qū)分次要影響區(qū)與非影響區(qū)邊界的條件下，西側(cè)樁基人次要影響區(qū)深度較標(biāo)準(zhǔn)法增加13.6 m，東側(cè)樁基人次要影響區(qū)深度增加6.5 m。見(jiàn)圖9。

3）過(guò)街通道橋按照標(biāo)準(zhǔn)法劃分位于次要影響區(qū)外;按照數(shù)值法總位移結(jié)果0.9 mm區(qū)分次要影響區(qū)與非影響區(qū)邊界的條件下，其位于次要影響區(qū)中，但受影程度較小。

4）數(shù)值法顯示，西側(cè)橋樁受影響范圍（6.8 m+13.6 m=20.4 m）較東側(cè)橋樁（5.1m+5.8m+6.5m=17.4 m）大，但就主要影響區(qū)范圍而言，西側(cè)（4.9 m）較東側(cè)（5.1 m+5.8 m=10.9 m）小。也就是說(shuō)，西側(cè)橋樁較東側(cè)受影響范圍大、程度小，東側(cè)橋樁較西側(cè)受影響程度大、范圍小。

標(biāo)準(zhǔn)法顯示，西側(cè)橋樁較東側(cè)受影響范圍小、程度小，東側(cè)橋樁較西側(cè)受影響程度大、范圍大。

即，影響程度的判定，兩種方法基本一致;影響范圍的判定，結(jié)果不同。

5）主要影響區(qū)邊線（1：0.6）和次要影響區(qū)邊線（1：1.5）上點(diǎn)的總位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果，與其所在位置坐標(biāo)具規(guī)律性。越靠擬建工程，影響越大（圖11）;在距離擬建工程一定距離的空間上存在受影響程度突變帶，即曲線斜率變化大的帶（圖12）。

5結(jié)論

1）受橋樁進(jìn)入地層較深影響，穿越影響范圍較標(biāo)準(zhǔn)法所針對(duì)的非橋工況有所增大;穿越影響程度方面，與標(biāo)準(zhǔn)法主要影響區(qū)評(píng)價(jià)的結(jié)果基本一致。

2）施工擾動(dòng)樁周土的影響，按無(wú)樁情況套用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的劃分方法是基本適用的，但對(duì)于有更高精度要求的工程，擴(kuò)大影響區(qū)域范圍似乎更加適用。

3）建議相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)側(cè)穿橋梁下部結(jié)構(gòu)工況，進(jìn)一步明確與橋梁的接近關(guān)系判定、兩種影響區(qū)判定等內(nèi)容細(xì)節(jié)。