城市淺埋隧道近接樁基的施工力學(xué)行為分析

殷召念， 張志強(qiáng)， 李世麟

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

城市淺埋隧道近接樁基的施工力學(xué)行為分析

殷召念， 張志強(qiáng)， 李世麟

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

針對某城市地鐵新建隧道近接既有高層建筑樁基群，進(jìn)行了三維數(shù)值模擬的施工力學(xué)行為研究。文章以重慶東水門大橋·千廝門大橋渝中區(qū)連接隧道為背景，該隧道直接下穿筷子街65#大樓，大樓樁基礎(chǔ)底部距離隧道初期支護(hù)拱頂18.5 m，且直接位于隧道頂部，兩者相互影響較大。建立隧道的開挖數(shù)值模擬，分析了隧道開挖過程中圍巖應(yīng)力及樁基位移、隧道襯砌內(nèi)力的變化，同時(shí)詳細(xì)分析了樁頂沉降隨隧道開挖的變化規(guī)律，為類似工程的設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)控提供了依據(jù)。

城市淺埋隧道； 近接施工； 既有樁基； 沉降

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，城市用地緊張的問題逐漸凸顯，使軌道交通等地下空間的開發(fā)利用應(yīng)時(shí)而生。地下空間開發(fā)所帶來的環(huán)境問題近年來受到廣泛關(guān)注，其中隧道穿越既有建筑和橋梁基礎(chǔ)的問題尤其突出。

隧道施工會引起周圍地層的變形，從而引起隧道圍巖應(yīng)力及樁基位移、隧道襯砌內(nèi)力的變化，并可能降低其承載能力[1-2]。因此，如何有效降低施工的影響，并有效預(yù)防附近建筑物或公共設(shè)施產(chǎn)生過大沉降、傾斜以至開裂，已是當(dāng)前隧道設(shè)計(jì)、施工中亟待解決的問題。

基于隧道與樁基相互作用的復(fù)雜性，很多學(xué)者利用現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值分析、模型試驗(yàn)等方法對該問題進(jìn)行較深入研究。A.Bezuijen和J. van der Schrier[3]等進(jìn)行了大量的離心機(jī)模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隧道施工會改變臨近樁基的受力性態(tài)。李早[4]等采用兩階段分析法，提出隧道開挖對群樁豎向位移和內(nèi)力影響解析計(jì)算方法，得到隧道開挖對被動(dòng)群樁的影響；張志強(qiáng)[5-6]、楊永平[7]和楊曉杰[8]等利用三維數(shù)值方法研究了深圳地鐵一期工程、上海地鐵11號線等隧道近接施工對既有樁基影響。

本文以重慶東水門大橋·千廝門大橋渝中區(qū)連接隧道為研究背景。該隧道最大埋深約34 m，設(shè)計(jì)行車速度40 km/h，為雙向4車道連拱+小凈距隧道。隧道左右線均為曲線隧道，且為倒人字縱坡，進(jìn)出口最大縱坡分別為+4 %、-4 %，全線按洞口連拱隧道、洞身段小凈距隧道布設(shè)。

1 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工方案

本工程為整體式連拱隧道，施工采用中導(dǎo)洞+左右洞單側(cè)壁導(dǎo)坑法，該段施工須嚴(yán)格控制爆破震速，避免對其上建筑基礎(chǔ)的影響，施工時(shí)首先施作大管棚，且必須其中一洞(右洞)先行，待先行洞二次襯砌澆筑完成并達(dá)到強(qiáng)度、中洞靠左側(cè)洞底坑回填完成后方能開挖后行洞，隧道的開挖方式按照開挖以進(jìn)尺2 m一個(gè)循環(huán)進(jìn)行。

開挖順序?yàn)椋褐袑?dǎo)洞、中隔墻先行，左右洞采用上下臺階法施工。具體步驟如下：(1)大管棚、縱向系梁施作；(2)中導(dǎo)洞開挖2 m；(3)中導(dǎo)洞支護(hù)2 m，中隔墻施作2 m；(4)右洞側(cè)導(dǎo)坑開挖2 m；(5)右洞側(cè)導(dǎo)坑初支施作2 m；(6)右洞上導(dǎo)坑開挖2 m；(7)右洞上導(dǎo)坑初支施作2 m；(8)右洞核心土開挖2 m；(9)右洞臨時(shí)支護(hù)拆除，二襯澆注2 m；(10)循環(huán)，直到右洞中間16.5 m二襯支護(hù)完畢后，左洞側(cè)導(dǎo)坑開始開挖2 m；(11)左洞側(cè)導(dǎo)坑初支施作2 m；(12)左洞上導(dǎo)坑開挖2 m；(13)左洞上導(dǎo)坑初支施作2 m；(14)左洞核心土開挖2 m；(15)左洞臨時(shí)支護(hù)拆除，二襯澆注2 m(圖1)。

圖1 直中墻連拱隧道橫斷面

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)圍巖條件和隧道結(jié)構(gòu)型式，采用Flac3D仿真模擬軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，模型縱向長56.5 m，房屋前后各約20 m。將獨(dú)立樁基單獨(dú)建立模型(實(shí)體單元)，樁基按平面圖設(shè)6×10個(gè)(按線性排布)，計(jì)算中地表建筑自重及活荷載按GB 50009-2001(2006版)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的要求取值，各個(gè)樁基的荷載承受值按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)規(guī)范》取值(圖2、圖3)。

圖2 三維模型

圖3 樁基位置

2.2 施工過程模擬

隧道動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬嚴(yán)格按照隧道施工步序進(jìn)行，即首先從地表打入大管棚加固，然后在每一步計(jì)算時(shí)對隧道周邊圍巖打入錨桿加固，隧道開挖步驟按設(shè)計(jì)進(jìn)行(圖4)。

圖4 錨桿縱向分布

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖應(yīng)力分析

圍巖最大主應(yīng)力隨開挖距離變化見圖5。

圖5 最大主應(yīng)力隨開挖距離變化(單位:m)

從圖5可知，隧道最大主應(yīng)力基本都分布在拱腳位置，且隨開挖距離增大而增大，當(dāng)上臺階開挖完畢，下臺階開挖距離增大，拱腳處最大應(yīng)力趨向平衡，右洞最大主應(yīng)力較左洞要大，這與開挖后隧道的豎向位移變化趨勢一致的，右洞的要大?？偟膩砜?，由于隧道埋深較淺，應(yīng)力不大。

3.2 隧道施工對樁頂沉降影響分析

該監(jiān)控是在隧道位于樁基部位由圖6～圖8分析可知，樁頂沉降隨開挖距離的增大而增大，開挖上臺階2～16 m段對樁的影響較小，16～30 m段樁位移變化明顯，當(dāng)上臺階開挖完畢，下臺階開挖距離增大，拱頂位移增大緩慢趨向平衡。另外，距離洞口位置越大，樁的沉降越小。

圖6 右洞上方151～160號樁樁頂沉降情況(單位:m)

圖7 左洞上方101～110號樁樁頂沉降情況(單位:m)

圖8 兩洞中間上方131～140號樁樁頂沉降情況(單位:m)

樁的沉降量總體來說都不大，當(dāng)樁基沉降穩(wěn)定后最大樁基的沉降量為6.612 mm，從橫向比較，中間距離隧道隧道較近的兩列樁基沉降要大一些，平均沉降為6.60 mm，靠外一列為6.2 mm，最外面一列為5.8 mm。隨著隧道的開挖，掌子面后方的樁基沉降趨于穩(wěn)定，而前方的樁沉降還再繼續(xù)增大，在掌子面后方20 m以后的樁基沉降基本不再增加。

3.3 襯砌內(nèi)力分析

襯砌內(nèi)力分析見圖9～圖12。

圖9 邊樁位置隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩(單位:kN·m)

圖10 中間樁位置隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩(單位:kN·m)

圖11 邊樁位置隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力(單位:103kN)

圖12 中間樁位置隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力(單位:103kN)

由圖9～圖12可知：拱頂部位內(nèi)側(cè)受拉，邊墻外側(cè)受拉；支護(hù)結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力不大，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，右洞內(nèi)力較左洞大，和前面分析的圍巖變形結(jié)論一致。局部來看，右洞彎矩較左洞小，作為后開挖洞，左洞處于深樁基下，本身支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較大，加之右洞的開挖肯定對左洞圍巖產(chǎn)生影響。建議設(shè)計(jì)上考慮左洞施工工法可以更保守點(diǎn)，以保護(hù)圍巖及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 結(jié)論及建議

(1)先行洞上臺階開挖完畢，下臺階開挖距離增大，樁的變形、沉降增大明顯變得緩慢且趨向平衡。因此為減小樁的變形、沉降，先行洞上臺階的施工過程尤為重要，須嚴(yán)格控制爆破，且超前預(yù)支護(hù)和初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)起到作用。

(2)沿隧道縱向，兩洞垂直上方的樁變形和沉降最大為6.60 mm，中間遠(yuǎn)離洞室，受影響逐漸減??；垂直于隧道徑向方向，接近洞口的樁受影響最大，從外向內(nèi)逐漸減小。越接近洞室，樁的變形、沉降量以及速度越大，右洞開挖時(shí)，靠近右洞的樁受影響較大，變化速度較大；左洞開挖時(shí)，靠近左洞的樁受影響變大，變化速度增大，而靠近右洞的樁變化速度降低。

(3)樁的最大主應(yīng)力變化與隧道開挖距離關(guān)系不大，與樁和隧道的空間位置有關(guān)，靠近洞室的樁比遠(yuǎn)離洞室的樁的最大主應(yīng)力大。

(4)對于襯砌結(jié)構(gòu)來說，整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力不大，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，由于是小近距隧道，在兩洞相鄰一側(cè)的彎矩和軸力都比遠(yuǎn)側(cè)的要大一些。

[1] 周冠南, 周順華, 王春凱, 等.盾構(gòu)隧道施工對短樁基—框架結(jié)構(gòu)的影響[J].中國鐵道學(xué)報(bào),2009,30(4):51-57.

[2] 王成,徐浩,鄭穎人.隧道近接樁基的安全系數(shù)研究[J].巖土力學(xué),2010,31(S2):260-264.

[3] BEZUIJEN A,VAN DER SCHRIER J. The influence of a bored tunnelon pile foundations [C]. Centrifuge′94. Rotterdam：A. A. Balkema，1994：681-686.

[4] 李早,黃茂松.隧道開挖對群樁豎向位移和內(nèi)力影響分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2007(3):398-402.

[5] 張志強(qiáng),何川.深圳地鐵隧道鄰接樁基施工力學(xué)行為研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2003(2):204-207.

[6] 張志強(qiáng),何川.地鐵盾構(gòu)隧道近接樁基的施工力學(xué)行為研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2003(1):92-95.

[7] 楊永平,周順華,莊麗.軟土地區(qū)地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道近接樁基數(shù)值分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2006(4):561-565.

[8] 楊曉杰,鄧飛皇,聶雯,等.地鐵隧道近距穿越施工對樁基承載力的影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006(6):1290-1295.

[定稿日期]2017-08-29

殷召念(1992～), 男, 碩士研究生, 主要從事隧道與地下工程方面研究。

U455.49

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